CN115166785A - 一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法 - Google Patents

一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法 Download PDF

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CN115166785A CN202211086709.9A CN202211086709A CN115166785A CN 115166785 A CN115166785 A CN 115166785A CN 202211086709 A CN202211086709 A CN 202211086709A CN 115166785 A CN115166785 A CN 115166785A
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Abstract

本发明提供一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，根据两个钟差单差值求解欺骗干扰的方位角和俯仰角，也就是说，本发明仅需要利用接收机的导航结果中的钟差单差，不需要利用导航求解过程中的其他信息，也不需要对接收机内部软件进行修改，即可对欺骗干扰进行单方向欺骗干扰的检测；本发明定位精度高，对于被欺骗的三个接收机，钟差单差仅受到接收机热噪声的影响，且随着接收机间距离的增加定位精度会进一步提高；同时，本发明的定位基于定位导航结果，定位导航结果周期越短，本发明的响应时间也就越短，从而能够大大提高检测效率。

Description

一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法
技术领域
本发明属于导航欺骗式干扰检测技术领域，尤其涉及一种基于三接收机钟差单差的导航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影响，目前常用的方法有基于射频前端的欺骗干扰检测、基于空间信息的欺骗干扰检测、与基带信号处理的欺骗干扰检测等，以上方法的应用均需要对接收机进行重新设计，不适用于现有的接收机。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，仅需利用接收机的定位导航结果即可对欺骗干扰进行单方向欺骗干扰的检测。
一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，包括以下步骤：
任意选取安装于载体顶部的三个接收机中的其中一个作为起点接收机r 1，并分别获取其余两个接收机r 2、r 3与起点接收机r 1之间的多组钟差单差观测值
Figure 347847DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 219989DEST_PATH_IMAGE002
；
根据多组钟差单差观测值
Figure 478932DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 436523DEST_PATH_IMAGE002
进行极大似然估计，得到接收机r 2、r 3与起点接收机r 1之间的钟差单差极大似然估计值
Figure 704694DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 431341DEST_PATH_IMAGE004
；
假设起点接收机r 1与欺骗设备之间的距离为定值d opt ，并将在定值d opt 下的接收机r 2、r 3与起点接收机r 1之间的钟差单差实际值
Figure 861185DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 555341DEST_PATH_IMAGE006
与极大似然估计值
Figure 361623DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 942777DEST_PATH_IMAGE007
之间的误差平方和作为代价函数；
采用梯度下降法求解所述代价函数，得到欺骗设备的方位角估计值
Figure 809102DEST_PATH_IMAGE008
和俯仰角估计值
Figure 475706DEST_PATH_IMAGE009
。
进一步地，多组钟差单差观测值
Figure 85679DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 521340DEST_PATH_IMAGE011
的获取方法为：
分别获取三个接收机在多个定位导航结果更新周期下的定位导航结果；
分别从三个接收机对应的各定位导航结果中提取出钟差观测值；
分别将各定位导航结果更新周期内，起点接收机r 1的钟差观测值与接收机r 2的钟差观测值之间的差值作为一个钟差单差观测值
Figure 558566DEST_PATH_IMAGE012
，起点接收机r 1的钟差观测值与接收机r 3的钟差观测值之间的差值作为一个钟差单差观测值
Figure 961734DEST_PATH_IMAGE011
。
进一步地，所述代价函数
Figure 109819DEST_PATH_IMAGE013
为
Figure 665565DEST_PATH_IMAGE014
采用梯度下降法求解所述代价函数
Figure 873693DEST_PATH_IMAGE013
的方法为：
步骤1：设定初始值
Figure 514890DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤2：在方位角估计值
Figure 466665DEST_PATH_IMAGE008
和俯仰角估计值
Figure 876918DEST_PATH_IMAGE009
的当前值下求解偏导数
Figure 255947DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 633707DEST_PATH_IMAGE017
；
步骤3：按照如下设定规则更新方位角估计值
Figure 123594DEST_PATH_IMAGE008
和俯仰角估计值
Figure 653933DEST_PATH_IMAGE009
：
Figure 938284DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 554073DEST_PATH_IMAGE019
为第n+1次迭代得到的方位角估计值，
Figure 847651DEST_PATH_IMAGE020
为第n次迭代得到的方位角估计值，
Figure 29233DEST_PATH_IMAGE021
为第n+1次迭代得到的俯仰角估计值，
Figure 687748DEST_PATH_IMAGE022
为第n次迭代得到的俯仰角估计值，h为设定步长；
步骤4：采用更新后的
Figure 587571DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 606211DEST_PATH_IMAGE023
重新计算代价函数值，并判断相邻两次迭代的梯度下降值
Figure 173459DEST_PATH_IMAGE024
是否小于设定阈值，若小于，则当前的方位角估计值和俯仰角估计值为最终值，若不小于，进入步骤5，其中，
Figure 2874DEST_PATH_IMAGE025
为第n+1次迭代对应的代价函数值，
Figure 389993DEST_PATH_IMAGE026
为第n次迭代对应的代价函数值；
步骤5：重新执行步骤2~步骤4，直到梯度下降值
Figure 963057DEST_PATH_IMAGE027
小于设定阈值。
进一步地，定值d opt 根据欺骗设备与起点接收机之间的真实距离与所述检测方法的误差均值之间的映射关系确定，且定值d opt 的选取需要保证所述检测方法的误差均值小于设定阈值。
进一步地，将起点接收机r 1与接收机r 2之间的基线向量记为
Figure 384811DEST_PATH_IMAGE028
，起点接收机r 1与接收机r 3之间的基线向量记为
Figure 385128DEST_PATH_IMAGE029
，且
Figure 259543DEST_PATH_IMAGE028
与
Figure 619987DEST_PATH_IMAGE030
之间的夹角为90°。
有益效果：
1、本发明提供一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，根据两个钟差单差值求解欺骗干扰的方位角和俯仰角，也就是说，本发明仅需要利用接收机的导航结果中的钟差单差，不需要利用导航求解过程中的其他信息，也不需要对接收机内部软件进行修改，即可对欺骗干扰进行单方向欺骗干扰的检测；本发明定位精度高，对于被欺骗的三个接收机，钟差单差仅受到接收机热噪声的影响，且随着接收机间距离的增加定位精度会进一步提高；同时，由于本发明的定位基于定位导航结果，则定位导航结果周期越短，本发明的响应时间也就越短，从而能够大大提高检测效率。
2、本发明提供一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，能够根据各接收机的定位导航结果，计算个接收机的钟差单差，并根据多组钟差单差数据进行极大似然估计，获取钟差单差的极大似然估计值，以此减少钟差单差的偶然误差，进一步提高定位精度。
3、本发明提供一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，根据欺骗设备与起点接收机之间的真实距离来确定固定值d opt ，使得本发明在基于欺骗设备与起点接收机之间的距离为固定值d opt 的假设条件下，仅通过三个接收机的钟差值就可以完成误差均值符合要求的欺骗设备的方位角和俯仰角的估计。
附图说明
图1为一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法的流程图；
图2为欺骗干扰检测接收机模型；
图3为检测方法误差与解算距离的映射关系示意图。
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。
在单站欺骗干扰环境下，被成功欺骗的接收机根据欺骗信号求得的位置相同，钟差不同，钟差差值与两接收机的距离正相关。而在两接收机接收真实导航信号的情况下，两接收机导航解的位置不同，钟差相同；也就是说，若接收机被单来源的欺骗式干扰欺骗，距离相近的接收机的导航结果中钟差与接收机和欺骗设备之间的距离呈正相关，本发明利用这一特性推导出了钟差单差与欺骗设备相对位置的关系，并根据被欺骗的两接收机的导航解进行欺骗干扰检测。同时，本发明定位的精度与接收机间距离相关，接收机之间的距离越大，定位精度越高。
具体的，如图1所示，本发明提供一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，包括以下步骤：
S1：任意选取安装于载体顶部的三个接收机中的其中一个作为起点接收机r 1，并分别获取其余两个接收机r 2、r 3与起点接收机r 1之间的多组钟差单差观测值
Figure 896247DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 67465DEST_PATH_IMAGE032
。
需要说明的是，三个接收机按照图2所示结构置于载体顶部，并以接收机r 1的位置为起点、以接收机r 2的位置为终点构成基线向量
Figure 429177DEST_PATH_IMAGE033
，以接收机r 1的位置为起点、以接收机r 3的位置为终点构成基线向量
Figure 344043DEST_PATH_IMAGE034
。基于接收机结构建立三维直角坐标系，x轴正方向为基线向量
Figure 474810DEST_PATH_IMAGE033
方向，y轴正方向为基线向量
Figure 816930DEST_PATH_IMAGE034
方向，z轴与x轴和y轴垂直，
Figure 665937DEST_PATH_IMAGE035
为欺骗设备的方位角，
Figure 633762DEST_PATH_IMAGE036
为欺骗设备的俯仰角。其中，接收机间距离越大，基线向量长度越长，本发明的欺骗式干扰检测精度就越高。同时，基线向量
Figure 619035DEST_PATH_IMAGE033
和基线向量
Figure 132056DEST_PATH_IMAGE034
夹角设置为90°，但是不限于90°。夹角的设置会影响不同角度欺骗设备的定位精度。
进一步地，多组钟差单差观测值
Figure 468360DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 725029DEST_PATH_IMAGE032
的获取方法为：
分别获取三个接收机在多个定位导航结果更新周期下的定位导航结果；其中，定位导航结果包括接收机求解得到的位置坐标(x,y,z)和钟差。
分别从三个接收机对应的各定位导航结果中提取出钟差观测值
Figure 564809DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 514310DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 337910DEST_PATH_IMAGE039
；
分别将各定位导航结果更新周期内，起点接收机r 1的钟差观测值与接收机r 2的钟差观测值之间的差值作为一个钟差单差观测值
Figure 381958DEST_PATH_IMAGE040
，也即
Figure 341824DEST_PATH_IMAGE041
；起点接收机r 1的钟差观测值与接收机r 3的钟差观测值之间的差值作为一个钟差单差观测值
Figure 258964DEST_PATH_IMAGE042
，也即
Figure 241964DEST_PATH_IMAGE043
。
S2：根据多组钟差单差观测值
Figure 902752DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 920387DEST_PATH_IMAGE032
进行极大似然估计，得到接收机r 2、r 3与起点接收机r 1之间的钟差单差极大似然估计值
Figure 8428DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 478724DEST_PATH_IMAGE045
。
需要说明的是，为了减少钟差单差偶然误差，本发明根据多组钟差单差数据进行极大似然估计，获取钟差单差的极大似然估计值；例如，若接收机定位导航结果更新周期为0.1秒，则可根据接收机2秒内20次的定位导航结果求得20组钟差单差数据，再根据20组钟差单差数据进行极大似然估计。此外，值得注意的是，钟差单差根据接收机定位导航结果求得，但是钟差单差数据的样本数应当适中，若数据太少，则会降低极大似然估计的精度，无法达到减少偶然误差的目的；若数据太多，且欺骗设备相对于接收机的位置在变化，则会导致钟差单差估计值不准确。
S3：假设起点接收机r 1与欺骗设备之间的距离为定值d opt ，并将在定值d opt 下的接收机r 2、r 3与起点接收机r 1之间的钟差单差实际值
Figure 943203DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 64612DEST_PATH_IMAGE047
与极大似然估计值
Figure 323555DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 281147DEST_PATH_IMAGE049
之间的误差平方和作为代价函数。
需要说明的是，在获取钟差单差的极大似然估计值后，本发明可以将极大似然估计值代入到如下钟差单差与欺骗设备位置关系方程组：
Figure 283738DEST_PATH_IMAGE050
从而得到欺骗设备到根据天线构型建立的三维直角坐标系原点（起点接收机）的距离d、欺骗设备的方位角
Figure 10385DEST_PATH_IMAGE035
以及欺骗设备的俯仰角
Figure 705809DEST_PATH_IMAGE051
之间的关系，其中，n为钟差单差观测噪声，
Figure 150697DEST_PATH_IMAGE052
，r 12为接收机r 1和接收机r 2之间的距离，r 13为接收机r 1和接收机r 3之间的距离，c为光速。
然而，由于钟差单差的极大似然估计值存在偶然误差，所以本发明需要构造代价函数，再通过梯度下降法求解代价函数得到欺骗设备的方位角和俯仰角。
需要说明的是，钟差单差与欺骗设备位置关系方程组具有三个未知量，即距离d、欺骗设备的方位角
Figure 691400DEST_PATH_IMAGE035
以及欺骗设备的俯仰角
Figure 787400DEST_PATH_IMAGE051
，所以不能求得唯一解，无法确定欺骗设备的位置。但是，在实际的欺骗干扰检测过程中，一般只需要确定欺骗干扰的来向，即求解方位角
Figure 388146DEST_PATH_IMAGE035
和俯仰角
Figure 117068DEST_PATH_IMAGE051
。在实际的欺骗环境中，欺骗装置与目标飞行器的距离一般在1km~100km之间，因此，可以将方程组中的d设为固定值d opt ，从而求解欺骗设备的方位角
Figure 399144DEST_PATH_IMAGE035
和俯仰角
Figure 365963DEST_PATH_IMAGE051
。
进一步地，固定值d opt 的选取需要根据欺骗设备与目标接收机的真实距离和选取准则来确定，图3展示了欺骗设备与目标距离为1×103、5×103、1×104、5×104、1×105时，忽略偶然误差的情况下，解算距离取值d opt 与算法误差的关系。本实施例按照最大最小原则，选取d opt =2000。
所述代价函数为：
Figure 403190DEST_PATH_IMAGE014
其中，代价函数
Figure 557090DEST_PATH_IMAGE053
的含义可以进行如下的理解：
Figure 705175DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 510189DEST_PATH_IMAGE055
是钟差单差实际值和极大似然估计观测量之间的差，显然
Figure 718316DEST_PATH_IMAGE056
是误差的平方和，衡量了钟差单差实际值和极大似然估计观测量之间的差别。当
Figure 359513DEST_PATH_IMAGE057
时，表示实现了对
Figure 45709DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 518279DEST_PATH_IMAGE059
的完美估计，有了代价函数的定义，使得代价函数最小的
Figure 834991DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 25801DEST_PATH_IMAGE059
为最优估计。
S4：采用梯度下降法求解所述代价函数，得到欺骗设备的方位角估计值
Figure 453371DEST_PATH_IMAGE058
和俯仰角估计值
Figure 780447DEST_PATH_IMAGE059
。
进一步地，采用梯度下降法求解所述代价函数
Figure 517328DEST_PATH_IMAGE053
的方法为：
步骤1：设定初始值
Figure 195434DEST_PATH_IMAGE060
；
步骤2：在方位角估计值
Figure 426695DEST_PATH_IMAGE058
和俯仰角估计值
Figure 873857DEST_PATH_IMAGE059
的当前值下求解偏导数
Figure 266792DEST_PATH_IMAGE061
和
Figure 432194DEST_PATH_IMAGE062
；
步骤3：按照如下设定规则更新方位角估计值
Figure 201567DEST_PATH_IMAGE058
和俯仰角估计值
Figure 503236DEST_PATH_IMAGE059
：
Figure 129389DEST_PATH_IMAGE063
其中，
Figure 969038DEST_PATH_IMAGE064
为第n+1次迭代得到的方位角估计值，
Figure 604419DEST_PATH_IMAGE065
为第n次迭代得到的方位角估计值，
Figure 698276DEST_PATH_IMAGE066
为第n+1次迭代得到的俯仰角估计值，
Figure 760910DEST_PATH_IMAGE067
为第n次迭代得到的俯仰角估计值，h为设定步长；
步骤4：采用更新后的
Figure 573009DEST_PATH_IMAGE068
和
Figure 12080DEST_PATH_IMAGE069
重新计算代价函数值，并判断相邻两次迭代的梯度下降值
Figure 226024DEST_PATH_IMAGE070
是否小于设定阈值，若小于，则当前的方位角估计值和俯仰角估计值为最终值，若不小于，进入步骤5，其中，
Figure 459559DEST_PATH_IMAGE071
为第n+1次迭代对应的代价函数值，
Figure 8221DEST_PATH_IMAGE072
为第n次迭代对应的代价函数值；
步骤5：重新执行步骤2~步骤4，直到梯度下降值
Figure 985404DEST_PATH_IMAGE073
小于设定阈值。
其中，偏导数可根据所述代价函数和所述钟差单差与欺骗设备位置关系方程组求得：
Figure 53854DEST_PATH_IMAGE074
Figure 458291DEST_PATH_IMAGE075
Figure 244981DEST_PATH_IMAGE076
Figure 760276DEST_PATH_IMAGE077
Figure 948812DEST_PATH_IMAGE078
Figure 524150DEST_PATH_IMAGE079
Figure 47404DEST_PATH_IMAGE080
Figure 100811DEST_PATH_IMAGE081
需要说明的是，梯度下降法仅为求解代价函数的其中一种方法，对于代价函数的求解并不限于梯度下降法。
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)

1.一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
任意选取安装于载体顶部的三个接收机中的其中一个作为起点接收机r 1，并分别获取其余两个接收机r 2、r 3与起点接收机r 1之间的多组钟差单差观测值
Figure 175924DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 665812DEST_PATH_IMAGE002
；
根据多组钟差单差观测值
Figure 196150DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 746080DEST_PATH_IMAGE002
进行极大似然估计，得到接收机r 2、r 3与起点接收机r 1之间的钟差单差极大似然估计值
Figure 96290DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 389868DEST_PATH_IMAGE005
；
假设起点接收机r 1与欺骗设备之间的距离为定值d opt ，并将在定值d opt 下的接收机r 2、r 3与起点接收机r 1之间的钟差单差实际值
Figure 23981DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 744812DEST_PATH_IMAGE007
与极大似然估计值
Figure 847897DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 679587DEST_PATH_IMAGE008
之间的误差平方和作为代价函数；
采用梯度下降法求解所述代价函数，得到欺骗设备的方位角估计值
Figure 918938DEST_PATH_IMAGE009
和俯仰角估计值
Figure 810671DEST_PATH_IMAGE010
。
2.如权利要求1所述的一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，其特征在于，多组钟差单差观测值
Figure 135473DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 770854DEST_PATH_IMAGE012
的获取方法为：
分别获取三个接收机在多个定位导航结果更新周期下的定位导航结果；
分别从三个接收机对应的各定位导航结果中提取出钟差观测值；
分别将各定位导航结果更新周期内，起点接收机r 1的钟差观测值与接收机r 2的钟差观测值之间的差值作为一个钟差单差观测值
Figure 379559DEST_PATH_IMAGE013
，起点接收机r 1的钟差观测值与接收机r 3的钟差观测值之间的差值作为一个钟差单差观测值
Figure 176613DEST_PATH_IMAGE012
。
3.如权利要求1所述的一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，其特征在于，所述代价函数
Figure 254291DEST_PATH_IMAGE014
为
Figure 162204DEST_PATH_IMAGE015
采用梯度下降法求解所述代价函数
Figure 438464DEST_PATH_IMAGE016
的方法为：
步骤1：设定初始值
Figure 609683DEST_PATH_IMAGE017
；
步骤2：在方位角估计值
Figure 174656DEST_PATH_IMAGE009
和俯仰角估计值
Figure 151839DEST_PATH_IMAGE010
的当前值下求解偏导数
Figure 282607DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 873994DEST_PATH_IMAGE019
；
步骤3：按照如下设定规则更新方位角估计值
Figure 457422DEST_PATH_IMAGE009
和俯仰角估计值
Figure 175979DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 426832DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 939853DEST_PATH_IMAGE021
为第n+1次迭代得到的方位角估计值，
Figure 10577DEST_PATH_IMAGE022
为第n次迭代得到的方位角估计值，
Figure 267246DEST_PATH_IMAGE023
为第n+1次迭代得到的俯仰角估计值，
Figure 372605DEST_PATH_IMAGE024
为第n次迭代得到的俯仰角估计值， h为设定步长；
步骤4：采用更新后的
Figure 305795DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 129395DEST_PATH_IMAGE023
重新计算代价函数值，并判断相邻两次迭代的梯度下降值
Figure 924175DEST_PATH_IMAGE025
是否小于设定阈值，若小于，则当前的方位角估计值和俯仰角估计值为最终值，若不小于，进入步骤5，其中，
Figure 149620DEST_PATH_IMAGE026
为第n+1次迭代对应的代价函数值，
Figure 4444DEST_PATH_IMAGE027
为第n次迭代对应的代价函数值；
步骤5：重新执行步骤2~步骤4，直到梯度下降值
Figure 49760DEST_PATH_IMAGE028
小于设定阈值。
4.如权利要求1~3任意一个权利要求所述的一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，其特征在于，定值d opt 根据欺骗设备与起点接收机之间的真实距离与所述检测方法的误差均值之间的映射关系确定，且定值d opt 的选取需要保证所述检测方法的误差均值小于设定阈值。
5.如权利要求1~3任意一个权利要求所述的一种基于三接收机钟差单差的导航欺骗式干扰检测方法，其特征在于，将起点接收机r 1与接收机r 2之间的基线向量记为
Figure 648232DEST_PATH_IMAGE029
，起点接收机r 1与接收机r 3之间的基线向量记为
Figure 728183DEST_PATH_IMAGE030
，且
Figure 3176DEST_PATH_IMAGE031
与
Figure 535788DEST_PATH_IMAGE030
之间的夹角为90°。
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