CN113640839B - 基于aoa/tdoa的gnss欺骗干扰辐射源定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法,包括以下步骤:S1,收集同一时刻所有接收站AOA测量值和TDOA测量值,以及接收站的位置参数;S2,计算辐射源位置的粗略估计结果;S3,估算欺骗干扰辐射源的精确位置。本发明的基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法,整个辐射源位置求解过程都是解算闭合形式的解析解,计算量小;另外该方法,只要接收站的个数不小于2,即可实现对辐射源的定位,在工程应用中便于实现。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域,具体涉及一种基于信号到达角AOA(Angle ofArrive)和到达时间差TDOA(Time Difference of Arrive)测量值的GNSS(GlobalNavigation Satellite System)欺骗干扰辐射源定位方法。
背景技术
当前卫星导航系统已广泛应用于国民生活的方方面面。然而,由于到达地面的GNSS信号很微弱,导致其很容易受到干扰。其中欺骗干扰可通过控制目标接收机输出虚假的位置、时间结果,进而控制目标系统,因此危害性最大。当前的抗欺骗方法主要关注的是欺骗干扰的检测,只能起到警示的作用,接收机仍不能正常工作;如果能够定位干扰辐射源,进而击毁辐射源,可完全消除欺骗干扰的影响,保证GNSS接收机能够正常工作。
现有技术使用基于TDOA和功率测量值的GNSS欺骗干扰定位方法来定位欺骗干扰辐射源。该方法需要至少4个接收站才能实现欺骗干扰辐射源的三维定位;另外由于欺骗干扰的辐射功率一般较低,因此其干扰区域也较小,若定位系统中的接收站不在欺骗干扰的辐射范围内,该接收站就无法得到辐射源测量信息,这将导致定位系统的定位性能下降。
发明内容
本发明的目的是针对上述已有技术的不足,提出一种基于信号到达角AOA(Angleof Arrive)和到达时间差TDOA(Time Difference of Arrive)测量值的GNSS(GlobalNavigation Satellite System)欺骗干扰辐射源定位方法。
本发明解其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法,包括:
S1,获取所有接收站的位置信息、AOA测量值以及其它接收站与参考接收站之间的TDOA测量值;其中,所述接收站的个数大于等于2;
S2,将AOA测量值和TDOA测量值针对欺骗干扰辐射源位置进行线性化处理,利用非加权最小二乘计算欺骗干扰辐射源位置估计结果,计算加权矩阵,并利用最小二乘估计方法计算欺骗干扰辐射源位置的粗略值;
S3,基于欺骗干扰辐射源位置的粗略估计值对位置误差进行线性化处理,利用最小二乘估计方法估计出位置误差估计结果,基于辐射源位置的粗略估计结果和位置误差估计结果,得到欺骗干扰辐射源位置的精确值。
优选的,所述S1,包括:
令未知欺骗干扰辐射源位置为uo=[xo,yo,zo]T;获取参与定位的M个GNSS接收站的真实位置为则第i个接收站相对于辐射源的方位角的真值/>和俯仰角的真值/>分别表示如下:
其中,
欺骗干扰辐射源的辐射信号到达角测量值表示为:θ=θo+nθ,其中θ=[θ1,θ2,…,θM]T与/>分别表示方位角与俯仰角的测量值向量,/>与/>分别表示方位角与俯仰角的真值向量,/>与分别表示方位角与俯仰角的测量噪声,其协方差分别记为Qθ和/>
令第i个GNSS接收站到欺骗干扰辐射源之间的距离真值为ri o,则测得的欺骗信号伪距测量值表示为:其中c为信号传播速度,τf为欺骗干扰源模拟的虚假时延,/>为伪距测量噪声;
取接收站1为参考接收站,则第i个接收站与参考接收站之间的TDOA测量值表示为:将所有TDOA测量值写为矢量形式为:r=ro+nr,其中r=[r21,r31,…,rM1]T,/>其协方差矩阵为Qr。
优选的,所述S2,包括:
S21:令为待估参数,其中r1 o为参考接收站1到欺骗干扰辐射源的距离;
将AOA、TDOA测量值相对于待估参数ρ=[uoT,r1 o]T线性化为:h-Gρ=Bα,其中:
矩阵0m×n表示m×n维全0矩阵,矩阵ha、Ga、Ba、ht、Gt、Bt的表示如下:
S22:利用非加权最小二乘计算待估参数ρ=[uoT,r1 o]T,估计结果为:
S23:利用步骤S22中欺骗干扰辐射源位置估计结果,分别计算得到矩阵Ba和Bt的值,然后计算加权矩阵W=(BQαBT)-1,
S24:利用加权最小二乘计算待估参数,估计结果为: 其中Δu、Δr1分别为辐射源位置估计误差和距离估计误差,记Δρ=[ΔuT,Δr1]T,则其协方差矩阵为:E[ΔρΔρT]=(GTWG)-1。
优选的,所述S3,包括:
S31:将参考接收站到辐射源距离r1 o在步骤S2中得到辐射源估计位置处,进行一阶展开,可得/>其中/>将/>代入可得联合方程03×1=Δu-Δu,可得Δu的线性方程组为:h2-G2Δu=B2Δρ,矩阵h2、G2、B2表示为:
其中,矩阵In表示n阶单位矩阵;
S32:计算加权矩阵
S33:获取位置误差Δu的加权最小二乘解为:
S34:利用位置误差估计结果修正欺骗干扰辐射源位置粗略值/>获得欺骗干扰辐射源位置精确解为:/>
本发明的有益效果如下:
本发明的基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法,在获取接收站AOA、TDOA测量值以及接收站位置信息后,首先根据AOA、TDOA测量值与欺骗干扰辐射源位置之间的几何关系,进行线性化处理,估算得到辐射源位置的粗略值;然后对辐射源估计误差进行估计;最后对辐射源定位结果进行修正,以得到辐射源位置的精确解。基于此,利用接收站AOA、TDOA测量值即可完成欺骗干扰辐射源的定位。整个辐射源位置求解过程都是解算闭合形式的解析解,计算量小;另外该方法,只要接收站的个数不小于2,即可实现对辐射源的定位,在工程应用中便于实现。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明,但本发明的一种基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明方法的流程图;
图2是辐射源位置粗略解估算流程图;
图3是辐射源位置精确解估算流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述,但不构成对本发明的限制。
参见图1所示,本实施例一种基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法,包括以下步骤:
S1:收集AOA/TDOA测量值及接收站位置信息。
具体的,收集同一时刻所有接收站AOA测量值和TDOA测量值,以及接收站的位置参数。记未知欺骗干扰辐射源位置为uo=[xo,yo,zo]T;有M个GNSS接收站参与定位,第i个接收站的真实位置记为:记分别/>为第i个接收站相对于辐射源的方位角和俯仰角的真值,其中/>则
干扰源辐射信号到达角测量值记为:θ=θo+nθ,其中θ=[θ1,θ2,…,θM]T与/>分别表示方位角与俯仰角的测量值向量,/>与分别表示方位角与俯仰角的真值向量,/>与分别表示方位角与俯仰角的测量噪声,其协方差分别记为Qθ和/>
记第i个GNSS接收站到辐射源之间的距离真值为ri o,则测得的欺骗信号伪距测量值可表示为:式中c为信号传播速度,τf为欺骗干扰源模拟的虚假时延,/>为伪距测量噪声。
所有GNSS接收站的虚假时延是相同的,因此可以通过作差消除这一分量,取接收站1为参考接收站,则第i个接收站与参考接收站之间的TDOA测量值为:将所有TDOA测量值写为矢量形式为:r=ro+nr,其中r=[r21,r31,…,rM1]T,其协方差矩阵为Qr。
S2:估计辐射源位置粗略值;该步骤处理流程参见图2所示,包括以下步骤:
S21:将测量值针对辐射源位置线性化处理。
具体的,引入辅助变量,参考接收站1到辐射源的距离r1 o,记ρ=[uoT,r1 o]T为待估参数,则根据几何关系,可将AOA、TDOA测量值相对于待估参数ρ=[uoT,r1 o]T线性化为:h-Gρ=Bα,式中
式中,矩阵0m×n表示m×n维全0矩阵,矩阵ha、Ga、Ba、ht、Gt、Bt的定义分别如下:
S22:计算非加权最小二乘辐射源位置结果。
由于矩阵Ba、Bt的计算需要知道辐射源的位置,因此首先利用非加权最小二乘计算待估参数ρ=[uoT,r1 o]T,估计结果为:
S23:计算加权矩阵。
利用步骤S22中辐射源位置估计结果,分别计算得到矩阵Ba、Bt的值,然后计算加权矩阵W=(BQαBT)-1,其中,Qα表示B中测量值构成的协方差矩阵。
S24:计算得到加权最小二乘辐射源位置结果。
利用加权最小二乘计算待估参数,估计结果为: 其中Δu、Δr1分别为辐射源位置估计误差和距离估计误差,记Δρ=[ΔuT,Δr1]T,则其协方差矩阵为:E[ΔρΔρT]=(GTWG)-1。
S3:估算辐射源位置的精确值;辐射源位置解算流程参见图3所示,包括以下步骤:
S31:针对辐射源粗略位置误差进行线性化处理。
将参考接收站到辐射源距离r1 o在步骤S2中得到辐射源估计位置处,进行一阶展开,可得/>其中/>将/>代入可得联合方程03×1=Δu-Δu,可得Δu的线性方程组为:h2-G2Δu=B2Δρ,矩阵h2、G2、B2的定义为:
其中矩阵In表示n阶单位矩阵。
S32:计算加权矩阵。
计算加权矩阵
S33:计算得到加权最小二乘辐射源位置误差估计。
位置误差Δu的加权最小二乘解为:
S34:修改辐射源位置粗略解。
利用位置误差估计结果修正辐射源位置粗略值/>可得辐射源位置精确解为:
以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是,本发明并不限于上述实施方案,凡按本发明所做的任何均等变化和修饰,所产生的功能作用未超出本方案的范围时,均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法,其特征在于,包括:
S1,获取所有接收站的位置信息、AOA测量值以及其它接收站与参考接收站之间的TDOA测量值;其中,所述接收站的个数大于等于2;
S2,将AOA测量值和TDOA测量值针对欺骗干扰辐射源位置进行线性化处理,利用非加权最小二乘计算欺骗干扰辐射源位置估计结果,计算加权矩阵,并利用最小二乘估计方法计算欺骗干扰辐射源位置的粗略值;
S3,基于欺骗干扰辐射源位置的粗略估计值对位置误差进行线性化处理,利用最小二乘估计方法估计出位置误差估计结果,基于辐射源位置的粗略估计结果和位置误差估计结果,得到欺骗干扰辐射源位置的精确值;
所述S2,包括:
S21:令为待估参数,其中/>为参考接收站1到欺骗干扰辐射源的距离;
将AOA、TDOA测量值相对于待估参数线性化为:h-Gρ=Bα,
其中:
矩阵0m×n表示m×n维全0矩阵,矩阵ha、Ga、Ba、ht、Gt、Bt的表示如下:
S22:利用非加权最小二乘计算待估参数估计结果为:/>
S23:利用步骤S22中欺骗干扰辐射源位置估计结果,分别计算得到矩阵Ba和Bt的值,然后计算加权矩阵W=(BQαBT)-1,
S24:利用加权最小二乘计算待估参数,估计结果为: 其中Δu、Δγ1分别为辐射源位置估计误差和距离估计误差,记Δρ=[ΔuT,Δγ1]T,则其协方差矩阵为:E[ΔρΔρT]=(GTWG)-1;
所述S3,包括:
S31:将参考接收站到辐射源距离在步骤S2中得到辐射源估计位置/>处,进行一阶展开,可得/>其中/>将/>代入可得/>联合方程03×1=Δu-Δu,可得Δu的线性方程组为:h2-G2Δu=B2Δρ,矩阵h2、G2、B2表示为:
其中,矩阵In表示n阶单位矩阵;
S32:计算加权矩阵
S33:获取位置误差Δu的加权最小二乘解为:
S34:利用位置误差估计结果修正欺骗干扰辐射源位置粗略值/>获得欺骗干扰辐射源位置精确解为:/>
2.根据权利要求1所述的基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法,其特征在于,所述S1,包括:
令未知欺骗干扰辐射源位置为uo=[xo,yo,zo];获取参与定位的M个GNSS接收站的真实位置为则第i个接收站相对于辐射源的方位角的真值/>和俯仰角/>的真值分别表示如下:
其中,
欺骗干扰辐射源的辐射信号到达角测量值表示为:θ=θo+nθ,其中θ=[θ1,θ2,…,θM]T与/>分别表示方位角与俯仰角的测量值向量,/>与分别表示方位角与俯仰角的真值向量,/>与/>分别表示方位角与俯仰角的测量噪声,其协方差分别记为Qθ和/>令第i个GNSS接收站到欺骗干扰辐射源之间的距离真值为/>则测得的欺骗信号伪距测量值表示为:/>其中c为信号传播速度,τf为欺骗干扰源模拟的虚假时延,/>为伪距测量噪声;
取接收站1为参考接收站,则第i个接收站与参考接收站之间的TDOA测量值表示为:将所有TDOA测量值写为矢量形式为:γ=γo+nγ,其中γ=[γ21,γ31,…,γM1]T,/> 其协方差矩阵为Qγ。
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