CN115166784A - 一种欺骗式干扰检测方法 - Google Patents

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CN115166784A CN202211086698.4A CN202211086698A CN115166784A CN 115166784 A CN115166784 A CN 115166784A CN 202211086698 A CN202211086698 A CN 202211086698A CN 115166784 A CN115166784 A CN 115166784A
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Abstract

本发明提供一种欺骗式干扰检测方法，利用被单方向欺骗式干扰欺骗的相邻接收机定位结果相同的特点，通过比较基线向量长度与设定阈值之间的大小来判定接收机是否被欺骗，适用范围广，不需要对接收机软硬件进行更改，可利用现有商用接收机进行欺骗检测，并且欺骗干扰检测响应时间短，检测响应时间与产生导航位置解的时间一致。

Description

一种欺骗式干扰检测方法
技术领域
本发明属于导航抗干扰技术领域，尤其涉及一种欺骗式干扰检测方法。
背景技术
全球卫星导航系统是进行导航、控制、攻击的关键系统。由于导航信号强度弱、信号调制方式公开、部分导航数据可以预测等原因，导航系统十分脆弱，极易受到欺骗式干扰。欺骗式干扰是欺骗设备产生与真实导航信号相似的虚假导航信号，通过策略使得目标接收机将虚假导航信号误以为是真实导航信号，从而使目标接收机获取错误的定位、速度或时间信息，这对于导航系统来讲是非常不利的。
为了克服欺骗式干扰带来的不良影响，一种可信的方法就是采用欺骗式干扰检测技术。目前对欺骗式干扰的检测方法主要有导航认证技术、阵列天线技术、信号质量监测、组合导航，以上方法均需要对现有接收机进行软件或硬件的修改。
发明内容
为了减少检测方法对现有接收机软硬件的更改和降低检测响应时间，本发明提供一种欺骗式干扰检测方法，能够根据现有的接收机的位置信息来进行欺骗干扰检测，降低检测响应时间。
一种欺骗式干扰检测方法，将两个接收机分别固定于需要进行欺骗检测的两个设备上，并在两个设备的运行过程中分别读取接收机的导航位置信息，同时根据导航位置信息获取两个接收机组成的基线向量长度；
判断所述基线向量长度是否大于设定阈值，若为是，则两个接收机未被欺骗，若为否，两个接收机被欺骗。
进一步地，所述设定阈值的确定方法为：
S1：获取两个接收机在奈曼-皮尔逊准则下的受试者工作特征曲线，其中，受试者工作特征曲线的横坐标为虚警概率
Figure 974689DEST_PATH_IMAGE001
，纵坐标为检测概率
Figure 62731DEST_PATH_IMAGE002
，且每一组
Figure 533026DEST_PATH_IMAGE003
均对应一个门限值
Figure 997506DEST_PATH_IMAGE004
；
S2：在给定不同的虚警概率
Figure 869647DEST_PATH_IMAGE005
的情况下，计算各虚警概率
Figure 128590DEST_PATH_IMAGE005
对应的检测概率
Figure 86181DEST_PATH_IMAGE002
，再将每一组
Figure 557614DEST_PATH_IMAGE006
作差，最后将差值最大值
Figure 346579DEST_PATH_IMAGE007
的一组
Figure 478220DEST_PATH_IMAGE006
对应的门限值
Figure 923108DEST_PATH_IMAGE004
作为设定阈值
Figure 729390DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 310544DEST_PATH_IMAGE009
为取最大值，
Figure 176869DEST_PATH_IMAGE010
为第m个虚警概率
Figure 843474DEST_PATH_IMAGE005
给定值，
Figure 453447DEST_PATH_IMAGE011
为第m个虚警概率
Figure 889107DEST_PATH_IMAGE005
对应的检测概率，m=1,2,..,M，M为虚警概率
Figure 926333DEST_PATH_IMAGE001
给定值的个数。
进一步地，每一个虚警概率
Figure 80234DEST_PATH_IMAGE005
对应的检测概率
Figure 962739DEST_PATH_IMAGE002
的计算方法如下：
S21：将接收机未被欺骗定义为零假设
Figure 784065DEST_PATH_IMAGE012
，将接收机被欺骗定义为备选假设
Figure 992192DEST_PATH_IMAGE013
；
S22：分别获取基线向量长度在零假设和备选假设下的概率密度函数如下：
Figure 633389DEST_PATH_IMAGE014
Figure 585165DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 792155DEST_PATH_IMAGE016
为基线向量长度在零假设下的概率密度函数，x为基线向量长度，A为两个接收机之间的距离，
Figure 607402DEST_PATH_IMAGE017
为修正的0阶第一类贝塞尔函数，
Figure 798212DEST_PATH_IMAGE018
为标准差，
Figure 225782DEST_PATH_IMAGE019
为基线向量长度在备选假设下的概率密度函数；
S23：给出虚警概率
Figure 818438DEST_PATH_IMAGE005
为定值时，虚警概率
Figure 40472DEST_PATH_IMAGE005
、概率密度函数
Figure 921840DEST_PATH_IMAGE020
以及门限值
Figure 215418DEST_PATH_IMAGE021
的关系如下：
Figure 600263DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 321094DEST_PATH_IMAGE023
为虚警概率
Figure 955338DEST_PATH_IMAGE005
的当前给定值；
S24：根据虚警概率
Figure 724711DEST_PATH_IMAGE005
和概率密度函数
Figure 291959DEST_PATH_IMAGE020
的逆函数获取门限值
Figure 121374DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure 508493DEST_PATH_IMAGE024
S25：根据门限值
Figure 81557DEST_PATH_IMAGE025
与概率密度函数
Figure 503311DEST_PATH_IMAGE026
获取检测概率
Figure 2163DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 79841DEST_PATH_IMAGE027
。
进一步地，所述基线向量长度的获取方法为：
Figure 987754DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 264014DEST_PATH_IMAGE029
为基线向量长度，
Figure 435233DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 796944DEST_PATH_IMAGE031
分别为两个接收机的导航位置信息。
进一步地，两个接收机之间的安装距离满足：
当两个接收机的定位精度确定时，若对两个接收机的检测性能的要求越高，则两个接收机之间的安装距离越远。
有益效果：
1、本发明提供一种欺骗式干扰检测方法，利用被单方向欺骗式干扰欺骗的相邻接收机定位结果相同的特点，通过比较基线向量长度与设定阈值之间的大小来判定接收机是否被欺骗，适用范围广，不需要对接收机软硬件进行更改，可利用现有商用接收机进行欺骗检测，并且欺骗干扰检测响应时间短，检测响应时间与产生导航位置解的时间一致。
2、本发明提供一种欺骗式干扰检测方法，基于当前标准差
Figure 711810DEST_PATH_IMAGE018
和基线向量长度下的受试者工作特征曲线，将差值最大值
Figure 842577DEST_PATH_IMAGE032
的一组
Figure 184697DEST_PATH_IMAGE033
对应的门限值
Figure 33704DEST_PATH_IMAGE004
作为最优的设定阈值
Figure 752262DEST_PATH_IMAGE034
，能够在判断接收机是否被欺骗的前提下，进一步地提高检测概率、降低虚警概率。
3、本发明提供一种欺骗式干扰检测方法，根据接收机性能的不同设置不同的接收机距离，能够进一步提高检测概率并降低虚警概率。
附图说明
图1为单方向欺骗式干扰示意图；
图2为模型结构示意图；
图3为A=2m时接收机期望轨迹和导航解位置；
图4为A=3m时接收机期望轨迹和导航解位置；
图5为A=2m时基线长度观测值；
图6为A=3m时基线长度观测值。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
由于多方向欺骗式干扰实现难度大，目前的欺骗式干扰主要为图1所示的单方向欺骗式干扰。然而，两个接收机在接收到真实导航信号的情况下，两个接收机导航解算出来的对自身定位的位置不同，若两个接收机接收到虚假导航信号，也即两个接收机被成功欺骗时，两个接收机根据欺骗信号对自身进行定位，求得的位置相同。
基于此，如图2所示，本发明提供一种欺骗式干扰检测方法，将两个接收机分别固定于需要进行欺骗检测的两个设备上，并在两个设备的运行过程中分别读取接收机的导航位置信息，同时根据导航位置信息获取两个接收机组成的基线向量长度；其中，所述基线向量长度的获取方法为：
Figure 737535DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 250556DEST_PATH_IMAGE029
为基线向量长度，
Figure 586860DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 843529DEST_PATH_IMAGE031
分别为两个接收机的导航位置信息，也即两接收机的位置坐标观测量。
判断所述基线向量长度是否大于设定阈值，若为是，则两个接收机未被欺骗，若为否，两个接收机被欺骗。
需要说明的是，两个接收机之间的安装距离满足：当两个接收机的定位精度确定时，若对两个接收机的检测性能的要求越高，则两个接收机之间的安装距离越远。同时，当两个接收机间的距离确定时，两个接收机的定位精度越高，其检测性能越好。
进一步地，所述设定阈值的确定方法为：
S1：获取两个接收机在奈曼-皮尔逊准则下的受试者工作特征曲线，其中，受试者工作特征曲线的横坐标为虚警概率
Figure 948888DEST_PATH_IMAGE001
，纵坐标为检测概率
Figure 131345DEST_PATH_IMAGE002
，且每一组
Figure 954945DEST_PATH_IMAGE003
均对应一个门限值
Figure 749725DEST_PATH_IMAGE004
。
需要说明的是，若接收机已经被欺骗，在不存在误差的情况下两接收机根据导航解得到的位置相同，则在接收机位置符合三维正态分布的情况下，基线向量长度符合瑞利分布。同时，若接收机未被欺骗，则基线向量长度符合莱斯分布。瑞利分布和莱斯分布的参数由接收机定位的性能和接收机间距离相关。根据两接收机的定位性能和两接收机实际距离确定欺骗情况下基线向量长度的瑞利分布密度函数和未被欺骗情况下基线向量长度的莱斯分布密度函数，并对两接收机的组成的基线向量长度进行奈曼-皮尔逊检验，从而可以得到奈曼-皮尔逊准则下的受试者工作特征（ROC，Receiver Operation Characteristic）曲线；进一步地，基于当前标准差
Figure 912853DEST_PATH_IMAGE035
和基线向量长度下的ROC曲线，可根据最优准则选取判定阈值，具体参见步骤S2。
S2：在给定不同的虚警概率
Figure 95573DEST_PATH_IMAGE005
的情况下，计算各虚警概率
Figure 78573DEST_PATH_IMAGE005
对应的检测概率
Figure 739361DEST_PATH_IMAGE002
，再将每一组
Figure 756996DEST_PATH_IMAGE006
作差，最后将差值最大值
Figure 845037DEST_PATH_IMAGE007
的一组
Figure 315333DEST_PATH_IMAGE006
对应的门限值
Figure 514233DEST_PATH_IMAGE004
作为设定阈值
Figure 448691DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 645317DEST_PATH_IMAGE009
为取最大值，
Figure 665226DEST_PATH_IMAGE010
为第m个虚警概率
Figure 605500DEST_PATH_IMAGE005
给定值，
Figure 394464DEST_PATH_IMAGE011
为第m个虚警概率
Figure 549544DEST_PATH_IMAGE005
对应的检测概率，m=1,2,..,M，M为虚警概率
Figure 56748DEST_PATH_IMAGE001
给定值的个数。其中，每一个虚警概率
Figure 535134DEST_PATH_IMAGE005
对应的检测概率
Figure 444184DEST_PATH_IMAGE002
的计算方法如下：
S21：将接收机未被欺骗定义为零假设
Figure 982613DEST_PATH_IMAGE012
，将接收机被欺骗定义为备选假设
Figure 977114DEST_PATH_IMAGE013
；
S22：分别获取基线向量长度在零假设和备选假设下的概率密度函数如下：
Figure 259191DEST_PATH_IMAGE036
Figure 22747DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 997657DEST_PATH_IMAGE016
为基线向量长度在零假设下的概率密度函数，x为基线向量长度，A为两个接收机之间的距离，A也即根据两接收机未被欺骗时自定位得到的真实位置计算出来的距离，
Figure 213874DEST_PATH_IMAGE038
为修正的0阶第一类贝塞尔函数，
Figure 299642DEST_PATH_IMAGE035
为标准差，并与接收机的定位精度相关，
Figure 917705DEST_PATH_IMAGE026
为基线向量长度在备选假设下的概率密度函数；
S23：给出虚警概率
Figure 63516DEST_PATH_IMAGE005
为定值时，虚警概率
Figure 767030DEST_PATH_IMAGE005
、概率密度函数
Figure 390909DEST_PATH_IMAGE020
以及门限值
Figure 129058DEST_PATH_IMAGE021
的关系如下：
Figure 944305DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 135115DEST_PATH_IMAGE023
为虚警概率
Figure 562685DEST_PATH_IMAGE005
的当前给定值；
S24：根据虚警概率
Figure 889761DEST_PATH_IMAGE005
和概率密度函数
Figure 377374DEST_PATH_IMAGE020
的逆函数获取门限值
Figure 55480DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure 286741DEST_PATH_IMAGE040
S25：根据门限值
Figure 733903DEST_PATH_IMAGE025
与概率密度函数
Figure 126839DEST_PATH_IMAGE026
获取检测概率
Figure 292241DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 61614DEST_PATH_IMAGE041
下面通过仿真对本发明效果进一步验证说明。
仿真过程中接收机性能的设置和距离的设置，目前商用接收机的差分定位精度可以达到0.5m，所以设置仿真中接收机定位精度为0.5m，即
Figure 363282DEST_PATH_IMAGE035
=0.5，此时设置两接收机距离为2m和3m两种情况。以检测概率与虚警概率差值最大为准则，当两接收机距离A=3m时，选取最优阈值为2.02m，此时虚警概率为2%，检测概率为99.97%；当两接收机距离A=2m时，选取最优阈值为1.3m，此时虚警概率为6%，检测概率为96.61%。
图3和图4为A=2m和A=3m时仿真过程中飞行器的期望移动轨迹、欺骗设备的理想欺骗轨迹和接收机的导航解，为便于观察，忽略了接收机导航解中的高程。飞行器的期望轨迹如图中实线所示，从南向北以5m/s的速度移动。假设欺骗设备可以精准估计飞行器的当前位置，并且采用隐蔽式欺骗干扰，即刚开始欺骗时欺骗信号与真实信号相位一致，欺骗信号进入接收机跟踪环路后调整码相位，使接收机定位结果偏离真实位置。整个仿真过程持续100秒，分为四个阶段，如表1所示。
表1仿真过程中期望欺骗位置
Figure 989435DEST_PATH_IMAGE042
图5和图6为A=2m和A=3m时仿真过程中根据两接收机位置求得的基线向量长度。根据奈曼-皮尔逊检验，若基线向量长度大于阈值，则接受零假设，即当前接收机未被欺骗，若基线向量长度小于阈值，则拒绝零假设，即当前接收机被欺骗。由此可以得出：在A=2m时，检测率为93.85%，虚警率为0；当A=3m时，检测率为100%，虚警率为0，仿真值与理论值基本一致。
由此可见，本发明通过两接收机的基线向量长度可以判定接收机是否被欺骗，响应时间为1个导航解的周期。但是，该方法欺骗检测性能受到接收机定位精度和接收机距离的影响，当接收机定位精度和接收机距离变化时，本发明的检测性能也会受到影响。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种欺骗式干扰检测方法，其特征在于，将两个接收机分别固定于需要进行欺骗检测的两个设备上，并在两个设备的运行过程中分别读取接收机的导航位置信息，同时根据导航位置信息获取两个接收机组成的基线向量长度；
判断所述基线向量长度是否大于设定阈值，若为是，则两个接收机未被欺骗，若为否，两个接收机被欺骗。
2.如权利要求1所述的一种欺骗式干扰检测方法，其特征在于，所述设定阈值的确定方法为：
S1：获取两个接收机在奈曼-皮尔逊准则下的受试者工作特征曲线，其中，受试者工作特征曲线的横坐标为虚警概率
Figure 736266DEST_PATH_IMAGE001
，纵坐标为检测概率
Figure 421325DEST_PATH_IMAGE002
，且每一组
Figure 569410DEST_PATH_IMAGE003
均对应一个门限值
Figure 125156DEST_PATH_IMAGE004
；
S2：在给定不同的虚警概率
Figure 802125DEST_PATH_IMAGE001
的情况下，计算各虚警概率
Figure 505639DEST_PATH_IMAGE001
对应的检测概率
Figure 395097DEST_PATH_IMAGE002
，再将每一组
Figure 70929DEST_PATH_IMAGE005
作差，最后将差值最大值
Figure 449958DEST_PATH_IMAGE006
的一组
Figure 578451DEST_PATH_IMAGE007
对应的门限值
Figure 68338DEST_PATH_IMAGE004
作为设定阈值
Figure 97212DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 647142DEST_PATH_IMAGE009
为取最大值，
Figure 997352DEST_PATH_IMAGE010
为第m个虚警概率
Figure 290930DEST_PATH_IMAGE001
给定值，
Figure 675775DEST_PATH_IMAGE011
为第m个虚警概率
Figure 396606DEST_PATH_IMAGE001
对应的检测概率，m=1,2,..,M，M为虚警概率
Figure 499692DEST_PATH_IMAGE012
给定值的个数。
3.如权利要求2所述的一种欺骗式干扰检测方法，其特征在于，每一个虚警概率
Figure 331381DEST_PATH_IMAGE001
对应的检测概率
Figure 570733DEST_PATH_IMAGE002
的计算方法如下：
S21：将接收机未被欺骗定义为零假设
Figure 462465DEST_PATH_IMAGE013
，将接收机被欺骗定义为备选假设
Figure 52847DEST_PATH_IMAGE014
；
S22：分别获取基线向量长度在零假设和备选假设下的概率密度函数如下：
Figure 625911DEST_PATH_IMAGE015
Figure 47665DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 47982DEST_PATH_IMAGE017
为基线向量长度在零假设下的概率密度函数，x为基线向量长度，A为两个接收机之间的距离，
Figure 922397DEST_PATH_IMAGE018
为修正的0阶第一类贝塞尔函数，
Figure 532107DEST_PATH_IMAGE019
为标准差，
Figure 11630DEST_PATH_IMAGE020
为基线向量长度在备选假设下的概率密度函数；
S23：给出虚警概率
Figure 245165DEST_PATH_IMAGE001
为定值时，虚警概率
Figure 544560DEST_PATH_IMAGE001
、概率密度函数
Figure 725005DEST_PATH_IMAGE021
以及门限值
Figure 121352DEST_PATH_IMAGE004
的关系如下：
Figure 463471DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 46899DEST_PATH_IMAGE023
为虚警概率
Figure 765457DEST_PATH_IMAGE001
的当前给定值；
S24：根据虚警概率
Figure 219572DEST_PATH_IMAGE001
和概率密度函数
Figure 794910DEST_PATH_IMAGE024
的逆函数获取门限值
Figure 803317DEST_PATH_IMAGE025
：
Figure 122303DEST_PATH_IMAGE026
S25：根据门限值
Figure 663880DEST_PATH_IMAGE004
与概率密度函数
Figure 613382DEST_PATH_IMAGE027
获取检测概率
Figure 436981DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 231762DEST_PATH_IMAGE028
。
4.如权利要求1所述的一种欺骗式干扰检测方法，其特征在于，所述基线向量长度的获取方法为：
Figure 457207DEST_PATH_IMAGE029
其中，
Figure 312030DEST_PATH_IMAGE030
为基线向量长度，
Figure 357347DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 955818DEST_PATH_IMAGE032
分别为两个接收机的导航位置信息。
5.如权利要求1~4任一权利要求所述的一种欺骗式干扰检测方法，其特征在于，两个接收机之间的安装距离满足：
当两个接收机的定位精度确定时，若对两个接收机的检测性能的要求越高，则两个接收机之间的安装距离越远。
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