CN113671540A - 一种接收机反欺骗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接收机反欺骗方法，包括卫星星座轨道参数储存单元、轨道参数单元、卫星、天线、射频单元、捕获单元和跟踪单元，具体包括如下步骤：S1、射频单元接收天上的卫星信号，经过SAW、LNA、下变频器、放大器、滤波器、数模转换后得到数字采样后的卫星信号；S2、捕获单元对卫星信号进行初略的三维搜索；S3、跟踪单元对捕获成功的卫星信号进行精确、稳定的跟踪，并上报给MCU；S4、PVT单元从跟踪单元接收至少4颗卫星的信息，进行定位和定时工作。本发明的方法能够支持GNSS全系统全频段，能够提高GNSS接收机反欺骗性，鲁棒性，并具有扩大商用接收机应用范围和降低反欺骗接收机成本的效果，加强反欺骗的效率。

Description

一种接收机反欺骗方法

技术领域

本发明涉及接收机领域，特别涉及一种接收机反欺骗方法。

背景技术

在太空区域中，接收端或卫星由天线接收的电磁信号被送入接收机。理想的接收机抑制所有不需要的噪声，包括其他信号，并对需要的信号不增加任何噪声或干扰。不管信号的形式或格式如何，它都可以变换，以适合信号处理器检波电路所要求的特性，然后再送到用户接口。

由于导航信号到达地面的功率较低，并且卫星导航信号所在的频段拥挤，所以接收机终端经常受到各种形式的干扰。一般将干扰分为两种类型：欺骗式干扰与压制式干扰。

压制式干扰是指大功率的干扰信号，这种干扰由于功率很大，会导致GNSS接收机天线饱和而无法正常接收机真实GNSS信号以至于不能正常工作。显而易见，由于压制式干扰需要的信号功率很强，所以压制式干扰源很容易被检测，隐蔽性差。在接收机设计时，通过在射频部分增加信号增益的动态范围，并且在模数转换时，考虑足够的ADC量化位宽，以保证干扰信号和真实信号均能同时接收下来，在接收机数字侧通过功率检测或者滤波算法消除强干扰信号即可尽量减少压制式干扰。

欺骗式干扰是指信号参数与真实GNSS信号十分接近的虚假GNSS信号，其攻击目的为诱导GNSS接收机定位输出错误的定位结果，相比压制式干扰更具有隐蔽性与破坏性。在电网、航空、通信、金融等依赖GNSS获取精确坐标和时间的诸多安全领域，欺骗式干扰会造成重大的安全问题和经济损失。

欺骗式干扰通常分为产生式欺骗干扰和转发式欺骗干扰。其区别为实现方式不同，产生式欺骗干扰一般采用GNSS信号发生器主动生成GNSS信号。而转发式欺骗干扰是利用信号转发器来实现，即天线接收到GNSS信号后通过信号放大装置将信号再转发出去。

产生式欺骗干扰根据实现的复杂程度，分三种方式：

1、简单欺骗

利用模拟器直接生成并发射一个类GNSS信号，大部分的反欺骗算法，均处于这一层级。比如信号功率检测(卫星信号载噪比绝对值检测、信号功率变化速度检测、不同频点的信号相对功率检测)、到达时(TOA)检测等。

2、中等欺骗

接收真实卫星信号，获取坐标信息、时间信息、卫星电文信息。根据获取信息重构信号并发射出去，由于欺骗信号与真实信号的参数十分相似，据有较高的隐蔽性。

3、高级欺骗

接收真实卫星信号，获取坐标信息、时间信息、卫星电文信息。并且知道目标接收机天线中心相位坐标。根据获取信息重构信号。

无论是压制式干扰还是欺骗式干扰，接收机均需要进行识别、监测、剔除干扰以降低对接收机的影响

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种接收机反欺骗方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种接收机反欺骗方法，包括卫星星座轨道参数储存单元、轨道参数单元、卫星、天线、射频单元、捕获单元和跟踪单元，具体包括如下步骤：

S1、射频单元接收天上的卫星信号，经过SAW、LNA、下变频器、放大器、滤波器、数模转换后得到数字采样后的卫星信号；

S2、捕获单元对卫星信号进行初略的三维搜索；

S3、跟踪单元对捕获成功的卫星信号进行精确、稳定的跟踪，并上报给MCU；

S4、PVT单元从跟踪单元接收至少4颗卫星的信息，进行定位和定时工作。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S4还包含有如下步骤：

S41、接收机正常工作时，将接收到的卫星轨道参数信息存储与存储单元；

S42、当接收机所接收到的卫星轨道参数与存储单元中的卫星轨道参数不一致时，判定为欺骗信号，在定位解算时剔除异常卫星，实现反欺骗干扰。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S41工作流程中，接收机使用的卫星轨道参数1小时更新1次。

作为本发明的一种优选技术方案，所述卫星星座轨道参数储存单元还包含有卫星轨道预测模型，在无信号情况下，根据航天器轨道推算原理，保持180天卫星轨道预测。

作为本发明的一种优选技术方案，所述轨道参数单元包含有轨道参数识别、轨道面分布识别、星间相对位置识别和卫星绝对坐标识别，用于卫星的定位判定。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1：本发明的方法能够支持GNSS全系统全频段，能够提高GNSS接收机反欺骗性，鲁棒性，并具有扩大商用接收机应用范围和降低反欺骗接收机成本的效果，加强反欺骗的效率。

2：本发明能够基于卫星轨道预测模型在接收机中使用，同时可本地保存整套的卫星轨道参数并进行自适应更新，配合轨道正确性识别包括但不限于轨道参数识别、轨道面识别、星间相对位置识别，卫星绝对位置识别进行精确定位。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术的时钟线段示意图；

图2是本发明的模块结构示意图；

图3是本发明的卫星三维图；

具体实施方式

以下本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明提供一种接收机反欺骗方法，包括卫星星座轨道参数储存单元、轨道参数单元、卫星、天线、射频单元、捕获单元和跟踪单元，具体包括如下步骤：

S1、射频单元接收天上的卫星信号，经过SAW、LNA、下变频器、放大器、滤波器、数模转换后得到数字采样后的卫星信号；

S2、捕获单元对卫星信号进行初略的三维搜索；

S3、跟踪单元对捕获成功的卫星信号进行精确、稳定的跟踪，并上报给MCU；

S4、PVT单元从跟踪单元接收至少4颗卫星的信息，进行定位和定时工作。

步骤S4还包含有如下步骤：

S41、接收机正常工作时，将接收到的卫星轨道参数信息存储与存储单元；

S42、当接收机所接收到的卫星轨道参数与存储单元中的卫星轨道参数不一致时，判定为欺骗信号，在定位解算时剔除异常卫星，实现反欺骗干扰。

步骤S41工作流程中，接收机使用的卫星轨道参数1小时更新1次。

卫星星座轨道参数储存单元还包含有卫星轨道预测模型，在无信号情况下，根据航天器轨道推算原理，保持180天卫星轨道预测。

轨道参数单元包含有轨道参数识别、轨道面分布识别、星间相对位置识别和卫星绝对坐标识别，用于卫星的定位判定。

现有技术中，根据导航定位的原理，在用户当前位置未知的情况下，接收机至少需要得到4颗卫星的信息才能进行定位和定时工作。

假设接收机已经成功锁定到4颗导航卫星，并且通过导航电文计算得到4颗卫星的空间位置坐标，分别为(x_i y_i z_i)(i＝1，...，4)，用户当前位置坐标为（x_u y_u z_u)，本地接收机相对于UTC时间的钟差为Δt，通过下式就可计算出用户位置坐标和钟差值。

式中，ρ_i(i＝1，...，4)用户接收机位置到观测卫星的距离；

在已知用户位置的情况下，一般只需要1颗卫星就能够实现时间同步，如果能观察到4颗或以上，就能精确定位出接收机天线所在位置、速度和时间信息，进而实现定位、测速和精密授时功能，下图是卫星导航系统中时间测量的原理示意图。利用上式求得的钟差Δt来修正用户时钟就可以实现与卫星导航时间的同步。

如图1所示，Δt为用户接收机时钟与UTC时间的真实时差，即：

Δt＝t_UTC-U-t_R-U

式中，t_UTC-U以UTC时间为基准计数的用户时间

t_R-U以本地接收机时钟晶振为基准计数的用户时间

t_UTC-SV以UTC时间为基准计数的卫星时间

并且有：

t_∑＝t_R+t_i+t_j+t_r

式中

测得的卫星到接收机的时差；

Δt_SV卫星时钟相对于UTC的时差；

t_R只考虑卫星到接收机距离的时延值；

t_i由电离层引入的附加时延值；

t_j由对流层引入的附加时延值；

t_r接收天线、天线线缆及接收机本身引入的附加设备时延值。

上式中t_R、t_i、t_j等可以通过接收机提取的导航电文中的数据计算得到相应的值，t_r可以通过对天线及设备进行延时测定得到，通过计算就可以得到钟差Δt。

根据原理，GNSS接收机被动接收GNSS无线电信号，经过下变频、捕获、跟踪、定位解算，实现用户接收机终端实时获得自己的三维坐标和时间。

由于导航信号到达地面的功率较低，并且卫星导航信号所在的频段拥挤，所以接收机终端经常受到各种形式的干扰。一般将干扰分为两种类型：欺骗式干扰与压制式干扰。

压制式干扰是指大功率的干扰信号，这种干扰由于功率很大，会导致GNSS接收机天线饱和而无法正常接收机真实GNSS信号以至于不能正常工作。显而易见，由于压制式干扰需要的信号功率很强，所以压制式干扰源很容易被检测，隐蔽性差。在接收机设计时，通过在射频部分增加信号增益的动态范围，并且在模数转换时，考虑足够的ADC量化位宽，以保证干扰信号和真实信号均能同时接收下来，在接收机数字侧通过功率检测或者滤波算法消除强干扰信号即可尽量减少压制式干扰。

欺骗式干扰是指信号参数与真实GNSS信号十分接近的虚假GNSS信号，其攻击目的为诱导GNSS接收机定位输出错误的定位结果，相比压制式干扰更具有隐蔽性与破坏性。在电网、航空、通信、金融等依赖GNSS获取精确坐标和时间的诸多安全领域，欺骗式干扰会造成重大的安全问题和经济损失。

欺骗式干扰通常分为产生式欺骗干扰和转发式欺骗干扰。其区别为实现方式不同，产生式欺骗干扰一般采用GNSS信号发生器主动生成GNSS信号。而转发式欺骗干扰是利用信号转发器来实现，即天线接收到GNSS信号后通过信号放大装置将信号再转发出去。

产生式欺骗干扰根据实现的复杂程度，分三种方式

1、简单欺骗

利用模拟器直接生成并发射一个类GNSS信号，大部分的反欺骗算法，均处于这一层级。比如信号功率检测(卫星信号载噪比绝对值检测、信号功率变化速度检测、不同频点的信号相对功率检测)、到达时(TOA)检测等。

2、中等欺骗

接收真实卫星信号，获取坐标信息、时间信息、卫星电文信息。根据获取信息重构信号并发射出去，由于欺骗信号与真实信号的参数十分相似，据有较高的隐蔽性。

3、高级欺骗

接收真实卫星信号，获取坐标信息、时间信息、卫星电文信息。并且知道目标接收机天线中心相位坐标。根据获取信息重构信号。

无论是压制式干扰还是欺骗式干扰，接收机均需要进行识别、监测、剔除干扰以降低对接收机的影响。

具体的方案流程下，GNSS卫星导航系统主要由四大导航系统组成，分别为美国的GPS卫星导航系统、中国的北斗卫星导航系统、俄罗斯的GLONASS卫星导航系统和欧洲的伽利略卫星导航系统。下述以单北斗系统为例；

北斗卫星导航系统由24颗高度约2万公里的卫星组成卫星星座。32颗卫星均为近圆轨道，运行周期约12小时，且分布在3个轨道面上，轨道倾角55度。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形，实现全球范围的定位和定时。

因此，卫星分布与3个轨道面，三维图如图3所示。

卫星发射后，其在空间的轨道分布固定大致固定，卫星与卫星之间的轨迹坐标相对固定，因此，在接收机终端实时的存储一份卫星星座参数，并自适应维护其运转以及更新，保持其正确性，接收机通过对比稳定跟踪通道卫星参数与存储的对应的卫星参数，实现欺骗是干扰检测。

正常工作时，接收机使用的卫星轨道参数1小时更新1次。因此一般情况下，无法识别欺骗卫星和真实卫星之间的轨道对比哪一份为真实数据，哪一份为虚假数据。

本方案中，包括一套卫星轨道预测模型，在无信号情况下，根据航天器轨道推算原理，保持180天卫星轨道预测。在轨道参数识别单元，包括但不限于通过轨道参数识别(根据16个参数特点识别)、轨道面分布识别、星间相对位置识别、卫星绝对坐标识别来判定，同时本方案对GNSS系统全系统全频段有效。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种接收机反欺骗方法，其特征在于，包括卫星星座轨道参数储存单元、轨道参数单元、卫星、天线、射频单元、捕获单元和跟踪单元，具体包括如下步骤：

S1、射频单元接收天上的卫星信号，经过SAW、LNA、下变频器、放大器、滤波器、数模转换后得到数字采样后的卫星信号；

S2、捕获单元对卫星信号进行初略的三维搜索；

S3、跟踪单元对捕获成功的卫星信号进行精确、稳定的跟踪，并上报给MCU；

S4、PVT单元从跟踪单元接收至少4颗卫星的信息，进行定位和定时工作。

2.根据权利要求1所述的一种接收机反欺骗方法，其特征在于，所述步骤S4还包含有如下步骤：

S41、接收机正常工作时，将接收到的卫星轨道参数信息存储与存储单元；

S42、当接收机所接收到的卫星轨道参数与存储单元中的卫星轨道参数不一致时，判定为欺骗信号，在定位解算时剔除异常卫星，实现反欺骗干扰。

3.根据权利要求2所述的一种接收机反欺骗方法，其特征在于，所述步骤S41工作流程中，接收机使用的卫星轨道参数1小时更新1次。

4.根据权利要求2所述的一种接收机反欺骗方法，其特征在于，所述卫星星座轨道参数储存单元还包含有卫星轨道预测模型，在无信号情况下，根据航天器轨道推算原理，保持180天卫星轨道预测。

5.根据权利要求2所述的一种接收机反欺骗方法，其特征在于，所述轨道参数单元包含有轨道参数识别、轨道面分布识别、星间相对位置识别和卫星绝对坐标识别，用于卫星的定位判定。

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