CN115113236B - 低轨飞行器gnss接收机抗欺骗干扰的融合处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低轨飞行器GNSS接收机抗欺骗干扰的融合处理方法，利用低轨飞行器的钟差和轨道数据信息进行计算，并与设定的阈值进行比对，判定是否存在欺骗干扰信号，再通过低轨飞行器之间的GNSS观测量进行相应的处理计算，获得欺骗干扰信号的检测量，基于得到检测量对欺骗信号加以识别和剔除。本发明实现了针对多个低轨飞行同时进行欺骗干扰的场景，对低轨飞行器是否受到该场景下的欺骗干扰进行识别，并对受到干扰的信号进行区分和隔离，有效解决该场景下低轨飞行器受到欺骗干扰的问题，使低轨飞行器上搭载的GNSS接收机能够正常工作，完成导航增强相关的各项任务。

Description

低轨飞行器GNSS接收机抗欺骗干扰的融合处理方法

技术领域

本发明涉及飞行器GNSS接收机抗欺骗干扰技术领域，特别涉及一种低轨飞行器GNSS接收机抗欺骗干扰的融合处理方法。

背景技术

低轨飞行器为导航和通信增强带来了新增量，可以应用于中高轨导航卫星的全球完好性监测，高中低地的联合定轨和通信等多个领域。但是低轨飞行器轨道高度低，中高轨民用导航信号的信号格式公开，低轨飞行器上搭载的GNSS接收机容易受到地面设备的恶意干扰。目前，对GNSS信号进行干扰的方式主要有压制干扰和欺骗干扰两种。压制干扰通过大功率信号攻击GNSS接收机，使其定位授时失败。但是此时被攻击目标可以通过惯导等备用手段进行导航或计时。而欺骗干扰是发射与真实信号相同或者相似的信号，使接收机跟踪到欺骗信号，从而获得错误的位置或时间信息。低轨飞行器轨道高度低，大范围的欺骗干扰将多个低轨飞行器GNSS同时瘫痪，导致用户难以意识到被攻击，持续输出错误的位置和时间信息，导致严重的后果。

在对GNSS进行干扰的类别中，欺骗干扰的危害是最大的。鉴于GNSS欺骗干扰的严重危害性，国内外许多学者对GNSS抗欺骗干扰技术进行了深入研究。例如Akos D M论文《Who’s afraid of the spoofer？GPS/GNSS spoofing detection via automatic gaincontrol》中从带内信号功率的角度，对欺骗信号进行了识别；Swaszek P F《Analysis of asimple,multi-receiver GPS spoof detector》通过接收天线阵列，对信号的来向进行判断，以此识别干扰信号。唐小妹在《GNSS双接收机抗欺骗技术》利用两个接收机，对伪距测量值进行单差的方法，实现抗干扰技术。上述技术均实现了地面GNSS接收机对欺骗信号的检测。

然而基于低轨飞行器接收机需要综合考虑成本、芯片资源和抗欺骗效果等因素，现有技术在针对大范围的欺骗干扰的情况，在抗干扰性能上仍有不足。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种低轨飞行器GNSS接收机抗欺骗干扰的融合处理方法，针对大范围的欺骗干扰的场景，利用星上GNSS接收机的各类资源，对低轨飞行器是否受到该场景下的欺骗干扰进行识别，并对受到干扰的信号进行区分和隔离，解决该场景下低轨飞行器受到欺骗干扰的问题，有效提高了星上GNSS接收机的抗干扰性能。

本发明提供了一种低轨飞行器GNSS接收机抗欺骗干扰的融合处理方法，具体技术方案如下：

S1：基于钟差信息判断低轨飞行器GNSS接收机是否受到欺骗干扰，若存在欺骗干扰信号，则执行步骤S4，反之，则执行步骤S2；

S2：计算低轨飞行器与附近低轨飞行器间的几何距离以及激光测距结果，并将几何距离与激光测距进行比对，若任一比对结果小于设定的第一阈值，则判定为存在欺骗干扰信号，执行步骤S4，否则执行步骤S3；

S3：将低轨飞行器理论坐标与低轨飞行器GNSS接收机输出的实际定位坐标进行比对，若比对结果超过设定的第一阈值，则判定为存在欺骗干扰信号，执行步骤S4，否则判定未接收到欺骗干扰信号；

S4：低轨飞行器通过星间链路获取伪距原始观测量，并按照低轨飞行器两两组合为一组，获得伪距集合；

S5：低轨飞行器根据所述伪距集合，将相同中高轨卫星号，不同低轨飞行器的伪距原始观测量作差，获得伪距差值；

S6：根据得到的所述伪距差值，进行排序，并对排序后的相邻数据作差，计算获得欺骗干扰信号的检测量；

S7：根据得到的所述欺骗干扰信号的检测量，进行是否存在欺骗信号的判断，若存在欺骗信号，则执行步骤S8，若不存在欺骗信号，则判定低轨飞行器接收到的卫星信号未受到干扰；

S8：根据低轨飞行器接收到的不同卫星信号组合，对卫星信号进行区分，将欺骗信号隔离，并进行定位解算，剔除欺骗信号。

进一步的，步骤S1，具体如下：

低轨飞行器根据GNSS接收机输出的钟差信息，判断低轨飞行器GNSS接收机是否受到欺骗干扰，若钟差结果超过设定的钟差阈值，则判定为存在欺骗干扰信号，反之，则判定为不存在欺骗干扰信号。

进一步的，步骤S2，具体过程如下：

S201：低轨飞行器通过星间链路接收附近多颗低轨飞行器GNSS接收机的定位坐标以及激光测距的结果；

S202：根据所述定位坐标计算低轨飞行器之间的几何距离；

S203：计算激光测距与所述几何距离的差值。

进一步的，步骤S3中，地面站以设定的频度，根据星历信息解算获取低轨飞行器理论坐标。

进一步的，所述第一阈值，为3倍GNSS接收机的定位误差。

进一步的，步骤S4中，任一所述伪距集合，记为S_MS_N，具体表示如下：

其中，表示伪距原始观测量；

若低轨飞行器收到的是欺骗信号，则所述伪距原始观测量表示为：

其中，sρ^j表示欺骗源模拟中高轨卫星j的伪距，R_si表示欺骗源与低轨飞行器i的物理几何距离，δ_si是低轨飞行器接收欺骗干扰信号的各类误差，包括电离层、对流层、钟差和多径等误差；

若低轨飞行器收到的是中高轨卫星信号，则所述伪距原始观测量表示为：

其中，R_ji是中高轨卫星到低轨飞行器的几何距离，δ_ji表示低轨飞行器接收中高轨卫星信号的各类误差，包括电离层、对流层、钟差和多径等误差。

进一步的，所述伪距差值，记为ΔP_MN，具体表示如下：

若低轨飞行器收到的是欺骗信号，则表示一个与欺骗源模拟的中高轨卫星无关的参量，其表达为：

其中，R_SM表示欺骗源与低轨飞行器M的几何距离，R_SN表示欺骗源与低轨飞行器N的几何距离，δ_SM表示低轨飞行器M接收欺骗干扰信号的各类误差，δ_SN表示低轨飞行器N接收欺骗干扰信号的各类误差；

若低轨飞行器收到的是中高轨卫星信号，则表示一个与中高轨卫星相关的参量，其表达为：

其中，R_jM表示中高轨卫星j到低轨飞行器M的几何距离，R_jN表示中高轨卫星j到低轨飞行器N的几何距离，δ_jM表示低轨飞行器M接收中高轨卫星j信号的各类误差，δ_jN表示低轨飞行器N接收中高轨卫星j信号的各类误差。

进一步的，步骤S6中，所述欺骗干扰信号的检测量，表示如下：

其中，j和k表示排序后相邻的数据；

若低轨飞行器接收到的是欺骗信号，则服从均值为0，方差为接收机噪声σ²的高斯分布；

否则服从与低轨飞行器距离相关的非中心卡方分布。

进一步的，步骤S7，具体如下：

低轨飞行器根据得到的欺骗干扰信号的检测量判断是否存在欺骗信号，若连续T秒的检测量均小于第二阈值，则判定低轨飞行器收到的卫星信号是欺骗信号。

进一步的，所述第二阈值，为三倍接收机噪声。

本发明的有益效果如下：

基于钟差信息判断低轨飞行器GNSS接收机是否受到欺骗干扰，并进一步通过低轨飞行器之间的几何距离和激光测距的差值，以及低轨飞行器坐标与输出定位结果的差值，进行欺骗干扰信号判断，进而通过各类原始观测数据，对欺骗信号识别和提出，完成对欺骗信号的抗干扰处理；本发明整合利用了飞行器上现有的各类原始观测数据，硬件资源需求更低，实现方式更为简单，有效解决针对多个低轨飞行同时进行欺骗干扰的场景下低轨飞行器受到欺骗干扰的问题，有效提高了星上GNSS接收机的抗欺骗干扰性能。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明实施例1中检测到欺骗信号的概率示意图。

具体实施方式

在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明的实施例1公开了一种低轨飞行器GNSS接收机抗欺骗干扰的融合处理方法，如图1所示，具体步骤流程如下：

S1：基于钟差信息判断低轨飞行器GNSS接收机是否受到欺骗干扰，若存在欺骗干扰信号，则执行步骤S4，反之，则执行步骤S2；

钟差阈值的计算方法：钟差的阈值与低轨飞行器自身晶振的艾伦方差相关，可将三倍艾伦方差作为钟差的阈值；也可在无欺骗干扰条件下，对低轨飞行器接收中高轨卫星信号的钟差进行统计，计算方差得到阈值；该步骤的计算频度为1秒一次，可动态调整。

步骤S1具体如下：

低轨飞行器根据GNSS接收机输出的钟差信息，判断低轨飞行器GNSS接收机是否受到欺骗干扰，若钟差结果超过设定的钟差阈值，则判定为存在欺骗干扰信号，反之，则判定为不存在欺骗干扰信号。

S2：计算低轨飞行器与附近低轨飞行器间的几何距离以及激光测距结果，并将几何距离与激光测距进行比对，若任一比对结果小于设定的第一阈值，则判定为存在欺骗干扰信号，执行步骤S4，否则执行步骤S3；

步骤S2，具体过程如下：

S201：低轨飞行器通过星间链路接收附近多颗低轨飞行器GNSS接收机的定位坐标以及激光测距的结果d_MN；

S202：根据所述定位坐标计算低轨飞行器之间的几何距离L_MN，计算公式如下：

其中，X_M和X_N分别表示两个低轨飞行器的X轴坐标，Y_M和Y_N分别表示两个低轨飞行器的Y轴坐标，Z_M和Z_N分别表示两个低轨飞行器的Z轴坐标；

S203：计算激光测距与所述几何距离的差值；

低轨飞行器计算激光测距与由定位结果所得几何距离的差值，并消除放大系数作为该步骤的检测量：

若检测量l的值大于3倍接收机的定位误差，则视为存在欺骗干扰，进入步骤S4，否则进入步骤S3。

S3：将低轨飞行器理论坐标与低轨飞行器GNSS接收机输出的实际定位坐标进行比对，若比对结果超过设定的第一阈值，则判定为存在欺骗干扰信号，执行步骤S4，否则判定未接收到欺骗干扰信号；

本实施例中，低轨飞行器理论坐标通过地面站以设定的频度，根据星历信息解算获取；所述第一阈值，为3倍GNSS接收机的定位误差。

S4：低轨飞行器通过星间链路获取伪距原始观测量，并按照低轨飞行器两两组合为一组，获得伪距集合；

步骤S4中，任一所述伪距集合，记为S_MS_N，具体表示如下：

其中，表示伪距原始观测量；

若低轨飞行器收到的是欺骗信号，则所述伪距原始观测量表示为：

其中，sρ^j表示欺骗源模拟中高轨卫星j的伪距，R_si表示欺骗源与低轨飞行器i的物理几何距离，δ_si是低轨飞行器接收欺骗干扰信号的各类误差，包括电离层、对流层、钟差和多径等误差；

若低轨飞行器收到的是中高轨卫星信号，则所述伪距原始观测量表示为：

其中，R_ji是中高轨卫星到低轨飞行器的几何距离，δ_ji表示低轨飞行器接收中高轨卫星信号的各类误差，包括电离层、对流层、钟差和多径等误差。

S5：低轨飞行器根据所述伪距集合，将相同中高轨卫星号，不同低轨飞行器的伪距原始观测量作差，获得伪距差值；

所述伪距差值，记为ΔP_MN，具体表示如下：

若低轨飞行器收到的是欺骗信号，则表示一个与欺骗源模拟的中高轨卫星无关的参量，其表达为：

其中，R_SM表示欺骗源与低轨飞行器M的几何距离，R_SN表示欺骗源与低轨飞行器N的几何距离，δ_SM表示低轨飞行器M接收欺骗干扰信号的各类误差，δ_SN表示低轨飞行器N接收欺骗干扰信号的各类误差；

若低轨飞行器收到的是中高轨卫星信号，则表示一个与中高轨卫星相关的参量，其表达为：

其中，R_jM表示中高轨卫星j到低轨飞行器M的几何距离，R_jN表示中高轨卫星j到低轨飞行器N的几何距离，δ_jM表示低轨飞行器M接收中高轨卫星j信号的各类误差，δ_jN表示低轨飞行器N接收中高轨卫星j信号的各类误差。

S6：根据得到的所述伪距差值，通过冒泡法进行排序，对排序后的相邻数据作差，并消除方法因子β＝2，计算获得欺骗干扰信号的检测量；

所述欺骗干扰信号的检测量，表示如下：

其中，j和k表示冒泡法排序后相邻的数据；

若低轨飞行器接收到的是欺骗信号，则服从均值为0，方差为接收机噪声σ²的高斯分布；

否则服从与低轨飞行器距离相关的非中心卡方分布。

S7：根据得到的所述欺骗干扰信号的检测量，进行是否存在欺骗信号的判断，若存在欺骗信号，则执行步骤S8，若不存在欺骗信号，则判定低轨飞行器接收到的卫星信号未受到干扰；

由于低轨飞行器距离通常在千米以上，所以接收欺骗信号与中高轨卫星间的隔离度远大于三倍接收机噪声σ²，故本实施例中，所述第二阈值为三倍接收机噪声σ²；

步骤S7，具体如下：

低轨飞行器根据得到的欺骗干扰信号的检测量判断是否存在欺骗信号，若连续T秒的检测量均小于三倍接收机噪声σ²，则判定低轨飞行器M和N收到的卫星信号j和k是欺骗信号；其中参数T的值可根据实际需求动态调整。

S8：根据低轨飞行器接收到的不同卫星信号组合，对卫星信号j和k进行区分，将欺骗信号隔离，并进行定位解算，剔除欺骗信号；

具体的，低轨飞行器选择接收到的卫星j和k进行组合，重复步骤7，若通过检测量显示低轨飞行器未受到欺骗，则认为卫星信号j非欺骗信号，而卫星信号k为欺骗信号；以此类推，可将收到的卫星信号是否为欺骗信号逐个隔离，在低轨飞行器进行定位解算时，将欺骗信号剔除，则可完成对欺骗信号的抗干扰处理。

基于上述步骤，本实施例通过SDK和MatLab进行仿真，进行了1万次重复试验，通过不同接收机噪声σ²下，成功检测到欺骗信号的概率如图2所示，可知，通过上述步骤，能够有效的对大范围的欺骗干扰场景下的欺骗干扰进行识别，并对受到干扰的信号进行区分和隔离。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种低轨飞行器GNSS接收机抗欺骗干扰的融合处理方法，其特征在于，包括：

S1：基于钟差信息判断低轨飞行器GNSS接收机是否受到欺骗干扰，若存在欺骗干扰信号，则执行步骤S4，反之，则执行步骤S2；

S2：计算低轨飞行器与附近低轨飞行器间的几何距离以及激光测距结果，并将几何距离与激光测距进行比对，若任一比对结果小于设定的第一阈值，则判定为存在欺骗干扰信号，执行步骤S4，否则执行步骤S3；所述第一阈值，为3倍GNSS接收机的定位误差；

S3：地面站以设定的频度，根据星历信息解算获取低轨飞行器理论坐标，将低轨飞行器理论坐标与低轨飞行器GNSS接收机输出的实际定位坐标进行比对，若比对结果超过设定的第一阈值，则判定为存在欺骗干扰信号，执行步骤S4，否则判定未接收到欺骗干扰信号；

S4：低轨飞行器通过星间链路获取伪距原始观测量，并按照低轨飞行器两两组合为一组，获得伪距集合；

S5：低轨飞行器根据所述伪距集合，将相同中高轨卫星号，不同低轨飞行器的伪距原始观测量作差，获得伪距差值；

S6：根据得到的所述伪距差值，通过冒泡法进行排序，并对排序后的相邻数据作差，并消除方法因子β＝2，计算获得欺骗干扰信号的检测量；

计算获得欺骗干扰信号的检测量；

所述欺骗干扰信号的检测量，表示如下：

其中，和表示排序后相邻的数据，M和N表示低轨飞行器编号，表示低轨飞行器M和N与编号为中高轨卫星间伪距的差值，表示表示低轨飞行器M和N与编号为中高轨卫星间伪距的差值，β表示方法因子；

若低轨飞行器接收到的是欺骗信号，则服从均值为0，方差为接收机噪声的高斯分布；

否则服从与低轨飞行器距离相关的非中心卡方分布；

S7：根据得到的所述欺骗干扰信号的检测量，进行是否存在欺骗信号的判断，若存在欺骗信号，则执行步骤S8，若不存在欺骗信号，则判定低轨飞行器接收到的卫星信号未受到干扰；

低轨飞行器根据得到的欺骗干扰信号的检测量判断是否存在欺骗信号，若连续T秒的检测量均小于第二阈值，则判定低轨飞行器收到的卫星信号是欺骗信号；所述第二阈值，为三倍接收机噪声；

S8：根据低轨飞行器接收到的不同卫星信号组合，对卫星信号进行区分，将欺骗信号隔离，并进行定位解算，剔除欺骗信号。

2.根据权利要求1所述的融合处理方法，其特征在于，步骤S1，具体如下：

低轨飞行器根据GNSS接收机输出的钟差信息，判断低轨飞行器GNSS接收机是否受到欺骗干扰，若钟差结果超过设定的钟差阈值，则判定为存在欺骗干扰信号，反之，则判定为不存在欺骗干扰信号。

3.根据权利要求1所述的融合处理方法，其特征在于，步骤S2，具体过程如下：

S201：低轨飞行器通过星间链路接收附近多颗低轨飞行器GNSS接收机的定位坐标以及激光测距的结果；

S202：根据定位坐标计算低轨飞行器之间的几何距离；

S203：计算激光测距与所述几何距离的差值。

4.根据权利要求1所述的融合处理方法，其特征在于，步骤S4中，任一所述伪距集合，记为，具体表示如下：

={|和同时接收到的中高轨卫星号；低轨飞行器编号}

其中，表示伪距原始观测量；

若低轨飞行器收到的是欺骗信号，则所述伪距原始观测量表示为：

其中，表示欺骗源模拟中高轨卫星的伪距，表示欺骗源与低轨飞行器的物理几何距离，是低轨飞行器接收欺骗干扰信号的各类误差；

若低轨飞行器收到的是中高轨卫星信号，则所述伪距原始观测量表示为：

其中，是中高轨卫星到低轨飞行器的几何距离，表示低轨飞行器接收中高轨卫星信号的各类误差。

5.根据权利要求1所述的融合处理方法，其特征在于，所述伪距差值，记为，具体表示如下：

={；低轨飞行器编号，和同时接收到的中高轨卫星号}；

若低轨飞行器收到的是欺骗信号，则表示一个与欺骗源模拟的中高轨卫星无关的参量，其表达为：

其中，表示欺骗源与低轨飞行器M的几何距离，表示欺骗源与低轨飞行器N的几何距离，表示低轨飞行器M接收欺骗干扰信号的各类误差，表示低轨飞行器N接收欺骗干扰信号的各类误差；

若低轨飞行器收到的是中高轨卫星信号，则表示一个与中高轨卫星相关的参量，其表达为：

其中，表示中高轨卫星j到低轨飞行器M的几何距离，表示中高轨卫星j到低轨飞行器N的几何距离，表示低轨飞行器M接收中高轨卫星j信号的各类误差，表示低轨飞行器N接收中高轨卫星j信号的各类误差。