CN114660623A - 一种转发式无人机导航欺骗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种转发式无人机导航欺骗方法，确定转发设备的自身坐标和第i颗卫星的坐标；分别计算第i颗卫星到达转发设备的导航信号传播时延、导航信号由转发设备到目标无人机的传播时延、第i颗卫星到达诱骗坐标的传播时延；进而得到第i颗卫星的信号的转发时延量；计算公共时延量修正转发时延量，并根据修正后的转发时延量将第i颗卫星信号进行时延，将时延后的卫星信号叠加，形成欺骗干扰信号，辐射至目标无人机处，实现对无人机的转发式导航欺骗干扰。本发明能够根据目标无人机的位置坐标实时计算转发式欺骗时延量，形成高置信度的动态欺骗干扰轨迹，从而提高欺骗成功率，实现对飞行中无人机的成功管控。

Description

一种转发式无人机导航欺骗方法
技术领域
本发明属于无人机管控公共治安领域，尤其涉及一种转发式无人机导航欺骗中的时延计算方法。
背景技术
近年来，受益于行业发展及国家政策的大力支持，民用无人机取得了高速发展。针对大量民用无人机的空域管理问题，国家相继出台了《通用航空飞行管制条例》、《轻小无人机运行规定(试行)》等多项文件，用于规范维护民用无人机的飞行秩序，飞行安全等。但随着民用无人机的技术门槛、生成成本的降低，天空中越来越多的出现了大量未注册、未备案的“黑飞”无人机，对公众的隐私、安全等造成了巨大的影响。
目前对“黑飞”无人机的管控主要有物理击落，电磁干扰，导航欺骗等多种方式，其中物理击落如激光烧毁，网捕等方法管控效率低，无法同时对多架次“黑飞”无人机进行有效控制；电磁压制干扰容易使“黑飞”无人机炸机坠落，造成不可控的地面二次伤害；基于导航欺骗的无人机管控方式，可实现禁飞、驱离、迫降等多种管控手段，同时具备作用范围广、无次生伤害等优点。
无人机导航欺骗技术采用发射与真实导航卫星相同结构信息的欺骗式卫星信号，达到扰乱无人机机载导航定位设备的目的。无人机导航欺骗干扰可以分为生成式欺骗干扰与转发式欺骗干扰两种。生成式欺骗干扰利用导航卫星信号结构的公开性，产生与真实卫星信号具有相同星历、编码、调制结构的欺骗式卫星信号，实现对目标的导航欺骗。目前生成式欺骗干扰现已广泛应用于安防、反恐、公共治安等多个领域，但其需要实时获取导航卫星系统的星历、时间信息，同时也无法对搭载有加密授权导航接收机的无人机进行有效欺骗。
转发式欺骗干扰通过接收真实卫星信号，加上时间延迟信息后，重新播发出去，实现对目标的欺骗干扰。其无需提前获取信号结构信息，具有更广泛的应用空间。目前转发式欺骗普遍以转发接收天线点的位置坐标或设置的静止欺骗点坐标作为基础，进行定点静止转发。此类转发方式存在以下几点问题：1)未考虑无人机动态运动问题，转发时延量的计算未进行动态更新，无法形成对无人机欺骗的高置信度的动态欺骗干扰轨迹；2)没有根据探测信息实时获取无人机的位置坐标，设置的欺骗坐标点不合理，转发式欺骗信号与无人机真实位置、速度等信息偏差过大，其信号置信度不高，容易被检测识别；3)计算转发信号时延量时，未考虑无人机的实际位置与转发设备之间的空间距离传播延时，导致欺骗信号滞后，很容易造成欺骗失败。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种转发式无人机导航欺骗方法，基于空中无人机的位置、速度等信息，设置导航欺骗坐标点，分别计算当前天空中的可见导航卫星分离提纯后的信号的转发时延量，并根据目标无人机及转发设备的相对位置关系修正欺骗信号滞后量，同时根据探测设备获取的目标无人机位置实时更新欺骗位置形成动态欺骗干扰轨迹，提高欺骗信号的置信度，降低欺骗信号被检测识别的概率，最终实现对飞行中无人机的导航欺骗干扰。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
第一步，获取当前天空中可见卫星的数量、卫星号，确定转发设备的自身坐标(Xo,Yo,Zo)，计算第i颗卫星的坐标
Figure BDA0003522646490000021
上标i表示第i颗卫星；
第二步，计算第i颗卫星到达转发设备的信号传播时延
Figure BDA0003522646490000022
第三步，获取当前时刻的目标无人机的位置坐标(Xuav,Yuav,Zuav)；
第四步，计算信号由转发设备自身坐标到目标无人机位置的传播时延t2；
第五步，根据当前时刻目标无人机位置坐标设置诱骗坐标P'(X',Y',Z')，计算第i颗卫星到达诱骗坐标的传播时延
Figure BDA0003522646490000023
第六步，计算第i颗卫星信号的转发时延量
Figure BDA0003522646490000024
第七步，计算公共时延量Δτ0，确保修正后的第i颗卫星的转发时延量
Figure BDA0003522646490000025
且Δτ0＝|min(Δτi)|；
第八步，根据得到的转发时延量
Figure BDA0003522646490000026
将每颗卫星信号进行时延，所有卫星信号叠加后，形成欺骗干扰信号，辐射至目标无人机处。
第九步，以设定的时间间隔探测下一时刻的目标无人机位置坐标，重复第三步至第八步，更新转发时延量计算结果，形成欺骗干扰信号辐射至目标无人机处，实现对无人机的转发式导航欺骗干扰。
所述的第一步采用导航定位算法确定转发设备的自身坐标(Xo,Yo,Zo)，根据卫星星历计算第i颗卫星的坐标
Figure BDA0003522646490000031
所述的信号传播时延
Figure BDA0003522646490000032
其中，
Figure BDA0003522646490000033
为大气电离层对流层等引起的传播延迟误差，Δtu为接收机钟差，
Figure BDA0003522646490000034
为卫星钟差，c为光速。
所述的传播时延
Figure BDA0003522646490000035
所述的传播时延
Figure BDA0003522646490000036
本发明的有益效果是：
1)相比于传统的生成式欺骗干扰，本发明方法可对加密的导航信号进行转发，实现在未知导航信号结构下的“黑飞”无人机管控；
2)相比于现有的定点静止式干扰转发，本发明根据探测到的目标无人机位置信息，实时更新修正转发欺骗坐标，计算欺骗目标无人机的导航信号时延量，形成高置信度的动态欺骗干扰轨迹，提高无人机管控成功率；
3)本发明根据无人机与转发设备之间的位置关系，加入信号传播时延计算，避免了欺骗信号滞后导致的干扰失败。
4)本发明适用于GPS卫星导航系统、北斗卫星导航系统的转发式欺骗干扰。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种转发式欺骗场景示意图；
图2是本发明实施例提供的一种转发式无人机导航欺骗时延计算方法示意图；
图3是本发明实施例提供的一种转发时延变化量结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明实现步骤如下：
第一步：获取当前天空中可见卫星的数量、卫星号，采用导航定位算法确定转发设备的自身坐标(Xo,Yo,Zo)，根据卫星星历计算第i颗卫星的坐标
Figure BDA0003522646490000037
上标i表示第i颗卫星。
第二步：根据式(1)计算第i颗卫星到达转发设备的信号传播时延
Figure BDA0003522646490000038
Figure BDA0003522646490000039
其中，
Figure BDA0003522646490000041
为大气电离层对流层等引起的传播延迟误差，Δtu为接收机钟差，
Figure BDA0003522646490000042
为卫星钟差，c为光速。
第三步：根据雷达或其它探测设备(如光电跟踪设备)获取当前时刻的目标无人机的位置坐标(Xuav,Yuav,Zuav)。
第四步：计算信号由转发设备自身坐标(Xo,Yo,Zo)到目标无人机位置的传播时延t2，如式(2)所示。
Figure BDA0003522646490000043
第五步：根据当前时刻目标无人机位置坐标设置诱骗坐标P'(X',Y',Z')，计算第i颗卫星到达诱骗坐标的传播时延
Figure BDA0003522646490000044
如式(3)所示：
Figure BDA0003522646490000045
第六步：根据式(4)计算第i颗卫星信号的转发时延量Δτi：
Figure BDA0003522646490000046
第七步：根据式(5)计算公共时延量Δτ0，确保修正后的第i颗卫星的转发时延量
Figure BDA0003522646490000047
Δτ0＝|min(Δτi)| (5)
第八步：根据得到的转发时延量
Figure BDA0003522646490000048
将每颗卫星信号进行时延，所有卫星信号叠加后，形成欺骗干扰信号，辐射至目标无人机处。
第九步：雷达或其他探测设备以1s间隔探测下一时刻的目标无人机位置坐标，重复第三步至第八步，更新时延量计算结果，辐射至目标无人机处，实现对无人机的转发式导航欺骗干扰。
如图1所示为本发明实施例提供的一种转发式欺骗场景示意图，图2为本发明实施例提供的一种转发式无人机导航欺骗时延计算方法示意图，参考图1和图2，以对全球定位系统(Global Positioning System，GPS)卫星军码导航信号进行转发为例，阐述本发明的具体实施方式。
步骤1：假设目前天空中可见GPS卫星5颗，采用导航定位算法确定转发设备的坐标(Xo,Yo,Zo)，根据卫星星历计算第i颗卫星的坐标
Figure BDA0003522646490000049
其中，上标i表示第i颗卫星，i＝1,2,3,4,5。
步骤2：根据式(1)计算第i颗卫星到达转发设备的信号传播时延
Figure BDA0003522646490000051
步骤3：从雷达或光电跟踪设备获取当前时刻目标无人机的位置坐标(Xuav,Yuav,Zuav)。
步骤4：根据式(2)计算信号由转发设备到无人机的传播时延t2。
步骤5：在当前时刻的目标无人机位置坐标基础上添加偏移量(Δx,Δy,Δz)，得到诱骗坐标P'，根据式(3)计算第i颗卫星到达诱骗坐标的传播时延
Figure BDA0003522646490000052
其中，偏移量的选取一般满足式(6)：
|Δx|+|Δy|+|Δz|＜10 (6)
步骤6：根据式(4)计算第i颗卫星信号的转发时延量Δτi。
步骤7：根据式(5)计算公共时延量Δτ0，修正转发时延量为
Figure BDA0003522646490000053
需要说明的是，Δτ0的取值范围为Δτ0≤20μs，若根据式(5)计算出的Δτ0大于上限值20μs，则此时Δτ0取上限值20μs。
步骤8：根据得到的转发时延量
Figure BDA0003522646490000054
将每颗卫星信号进行时延，所有卫星信号叠加后，形成欺骗干扰信号，辐射至目标无人机处。
步骤9：每秒钟根据雷达探测到的目标无人机的位置坐标，由步骤3至步骤8计算每秒钟的转发时延量，辐射至目标无人机处，实现对无人机的转发式导航欺骗干扰。
假设无人机距离转发设备100km，并以200m/s的速度远离转发设备(可以理解为无人机与转发设备的距离在第1s为100km、第2s为100.2km、第3s为100.4km、……等)，如图3所示为600s时间内，GPS 2号、5号、13号、15号、17号可见星的转发时延变化量结果示意图，从图3可以看出，每颗卫星在每一时刻具有不同的转发时延量，通过不断更新转发时延量并辐射至无人机，可实现动态转发式欺骗轨迹的生成。因此，本申请实施例可以实时根据目标无人机的位置坐标修改转发时延，形成动态欺骗干扰轨迹，提高欺骗信号的置信度，提高欺骗成功率，最终实现对飞行中无人机的导航欺骗干扰。

Claims (5)

1.一种转发式无人机导航欺骗方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，获取当前天空中可见卫星的数量、卫星号，确定转发设备的自身坐标(Xo,Yo,Zo)，计算第i颗卫星的坐标
Figure FDA0003522646480000011
上标i表示第i颗卫星；
第二步，计算第i颗卫星到达转发设备的信号传播时延
Figure FDA0003522646480000012
第三步，获取当前时刻的目标无人机的位置坐标(Xuav,Yuav,Zuav)；
第四步，计算信号由转发设备自身坐标到目标无人机位置的传播时延t2；
第五步，根据当前时刻目标无人机位置坐标设置诱骗坐标P'(X',Y',Z')，计算第i颗卫星到达诱骗坐标的传播时延
Figure FDA0003522646480000013
第六步，计算第i颗卫星信号的转发时延量
Figure FDA0003522646480000014
第七步，计算公共时延量Δτ0，确保修正后的第i颗卫星的转发时延量
Figure FDA0003522646480000015
且Δτ0＝|min(Δτi)|；
第八步，根据得到的转发时延量
Figure FDA0003522646480000016
将每颗卫星信号进行时延，所有卫星信号叠加后，形成欺骗干扰信号，辐射至目标无人机处。
第九步，以设定的时间间隔探测下一时刻的目标无人机位置坐标，重复第三步至第八步，更新转发时延量计算结果，形成欺骗干扰信号辐射至目标无人机处，实现对无人机的转发式导航欺骗干扰。
2.根据权利要求1所述的转发式无人机导航欺骗方法，其特征在于，所述的第一步采用导航定位算法确定转发设备的自身坐标(Xo,Yo,Zo)，根据卫星星历计算第i颗卫星的坐标
Figure FDA0003522646480000017
3.根据权利要求2所述的转发式无人机导航欺骗方法，其特征在于，所述的信号传播时延
Figure FDA0003522646480000018
其中，
Figure FDA0003522646480000019
为大气电离层对流层等引起的传播延迟误差，Δtu为接收机钟差，
Figure FDA00035226464800000110
为卫星钟差，c为光速。
4.根据权利要求2所述的转发式无人机导航欺骗方法，其特征在于，所述的传播时延
Figure FDA00035226464800000111
5.根据权利要求2所述的转发式无人机导航欺骗方法，其特征在于，所述的传播时延
Figure FDA00035226464800000112
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