CN115327580A - 一种授时接收机防欺骗方法、装置及授时接收机 - Google Patents

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CN115327580A CN202211029418.6A CN202211029418A CN115327580A CN 115327580 A CN115327580 A CN 115327580A CN 202211029418 A CN202211029418 A CN 202211029418A CN 115327580 A CN115327580 A CN 115327580A
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Abstract

本发明属于授时接收机技术领域，公开了涉及一种授时接收机防欺骗方法、装置及授时接收机，包括通过时间间隔测量仪得到授时信号与基准信号时间差数据；以第一数据宽度获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述第一数据宽度包括第一数量的数据；根据移动方差得到观测量；判断观测量是否超过预设的检测门限，若观测量超过检测门限，则存在欺骗信号。有益效果：使用多通道高精度时间间隔测量仪输出的授时信号与基准信号时间差数据，通过检测授时信号的稳定性来判断欺骗，可以突破现有技术的局限性，使授时机可以应对多种欺骗方式，提高授时机的安全性。

Description

一种授时接收机防欺骗方法、装置及授时接收机
技术领域
本发明涉及授时接收机技术领域，特别是涉及一种授时接收机防欺骗方法、装置及授时接收机。
背景技术
GNSS凭借高精度、全天候、广覆盖范围等优势，已经成为现代社会授时的重要手段，在变电站、通信基站、金融交易所等重大基础设施中发挥着重要作用。但GNSS有着易被欺骗的缺陷，因此授时接收机的欺骗检测十分重要。
现有的针对授时欺骗的检测方法都有一定的局限性，只能应用于特定干扰类型。CN106093978A是通过检测授时信号的整秒跳变来检测干扰，而面对逐渐步进时间拉偏的欺骗难以检测；专利CN105158774A通过比较卫星星历和历书真实性来识别欺骗信号，但无法识别欺骗信号使用真实卫星信号星历与历书值改变卫星钟差的情况；CN111158024A设计了一种综合多种反欺骗检测方法的授时终端保护装置，但是复杂度较高，需要设备支持。
发明内容
本发明的目的是：对现有的授时机防欺骗方法进行改进，使防欺骗方法具有更强的适应性和准确性，降低防欺骗的硬件要求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种授时接收机防欺骗方法，包括：
通过时间间隔测量仪得到授时信号与基准信号时间差数据；
以第一数据宽度获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述第一数据宽度包括第一数量的数据；根据移动方差得到观测量；
Figure BDA0003814885880000021
其中，mR为观测量，MV为移动方差，M为第一数据宽度，
Figure BDA0003814885880000022
为时间差数据的方差；
判断观测量是否超过预设的检测门限，若观测量超过检测门限，则存在欺骗信号；所述检测门限和预设的虚警率的关系满足第一公式，所述第一公式具体为：
Figure BDA0003814885880000023
其中，Pfa为虚警率，
Figure BDA0003814885880000024
为概率密度函数，Tm为检测门限，k为自由度，k的取值为第一数量减一。
进一步的，所述移动方差的获取包括：
用x(n)表示授时信号与基准信号的时间差数据，
x(n)＝|Trnss(n)-Tbase(n)|；
其中，Trnss(n)为授时信号，Tbase(n)为基准信号；
通过移动方差公式获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述移动方差公式为：
Figure BDA0003814885880000025
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度。
进一步的，所述检测门限的获取方法包括：
将授时信号与基准信号的时间差数据x(n)近似为高斯分布变量，即
Figure BDA0003814885880000026
建立观测量，观测量
Figure BDA0003814885880000027
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度；
观测量的概率密度函数为：
Figure BDA0003814885880000031
其中，k为自由的，k的值为M-1；
基于观测量的概率密度函数得到观测量的累计分布函数为：
Figure BDA0003814885880000032
其中，γ(·)是下不完全Gamma函数，P(s，t)是正则化Gamma函数；
基于累计分布函数得到观测量的虚警率为：
Figure BDA0003814885880000033
基于预设的虚警率得到检测门限。
进一步的，当移动方差超过检测门限时，发送第一提醒。
进一步的，所述时间间隔测量仪为多通道测量仪且精度满足第一精度要求。
本发明公开了一种授时接收机防欺骗装置，包括：采集模块、方差模块和判断模块；
所述采集模块，用于通过时间间隔测量仪得到授时信号与基准信号时间差数据；
所述方差模块，用于以第一数据宽度获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述第一数据宽度包括第一数量的数据；根据移动方差得到观测量；
Figure BDA0003814885880000034
其中，mR为观测量，MV为移动方差，M为第一数据宽度，
Figure BDA0003814885880000035
为时间差数据的方差；
所述判断模块，用于判断观测量是否超过预设的检测门限，若观测量超过检测门限，则存在欺骗信号；所述检测门限和预设的虚警率的关系满足第一公式，所述第一公式具体为：
Figure BDA0003814885880000041
其中，Pfa为虚警率，
Figure BDA0003814885880000042
为概率密度函数，Tm为检测门限，k为自由度，k的取值为第一数量减一。
进一步的，所述移动方差的获取包括：
用x(n)表示授时信号与基准信号的时间差数据，
x(n)＝|Trnss(n)-Tbase(n)|；
其中，Trnss(n)为授时信号，Tbase(n)为基准信号；
通过移动方差公式获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述移动方差公式为：
Figure BDA0003814885880000043
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度。
进一步的，所述检测门限的获取方法包括：
将授时信号与基准信号的时间差数据x(n)近似为高斯分布变量，即
Figure BDA0003814885880000044
建立观测量，观测量
Figure BDA0003814885880000045
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度；
观测量的概率密度函数为：
Figure BDA0003814885880000046
其中，k为自由的，k的值为M-1；
基于观测量的概率密度函数得到观测量的累计分布函数为：
Figure BDA0003814885880000051
其中，γ(·)是下不完全Gamma函数，P(s，t)是正则化Gamma函数；
基于累计分布函数得到观测量的虚警率为：
Figure BDA0003814885880000052
基于预设的虚警率得到检测门限。
进一步的，当移动方差超过检测门限时，发送第一提醒。
本发明还公开了一种授时接收机，应用上述的授时接收机防欺骗方法。
本发明实施例一种授时接收机防欺骗方法、装置及授时接收机与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)使用多通道高精度时间间隔测量仪输出的授时信号与基准信号时间差数据，通过检测授时信号的稳定性来判断欺骗，可以突破现有技术的局限性，使授时机可以应对多种欺骗方式，提高授时机的安全性。
(2)使用移动方差和恒虚警率门限结合的方式检测欺骗，进一步提高了授时机被欺骗的难度，提高了授时机的安全性。
附图说明
图1是本发明一种授时接收机防欺骗方法的流程示意图；
图2是本发明一种授时接收机防欺骗方法的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
本领域技术人员知晓，目前的大多数欺骗检测算法是针对接收机位置欺骗来检测的，而针对授时接收机的欺骗常常不会改变位置，只改变时间，很多方法不再适用。且某些针对授时欺骗的检测技术局限性较大，只适用于时间跳变的情况或欺骗星历和历书的情况等等。因此需要进行改进。
对本领域的授时欺骗原理进行说明：
如果欺骗方能导致接收方接收到的不同卫星的信号的时延相同，那么伪距也会偏移相同的数值，就可以实现不影响接收机解算位置的情况下，对接收机时钟进行欺骗。
设GNSS定位结果在相邻两个观测时刻的变换量为：
ΔX＝[Δx Δy Δz Δtu]T；
将方程组线性化后的矩阵方程式为：
Figure BDA0003814885880000061
其中G是只与各卫星和接收机间相对位置有关的雅克比矩阵；
根据最小二乘法的定位解算过程，线性化的矩阵方程解为：
ΔX＝[Δx Δy Δz Δtu]T＝G-1b；
设接收机收到欺骗信号后得到的伪距为ρi′，则有ρi′＝ρi+cτ，其中τ表示欺骗信号的转发时延，此时接收机的定位方程变为：
Figure BDA0003814885880000062
线性化后的矩阵G不发生变化，b′变为：
b′＝b+[cτ cτ cτ cτ]T；
此时计算出的ΔX′＝[Δx′ Δy′ Δz′ Δtu′]T＝G-1b′；
联立两式，可以得到，转发式欺骗信号对定位结果的影响：
ΔX-ΔX′＝[0 0 0 cτ]；
cτ即为欺骗产生的授时时间偏移量。这种授时欺骗对接收机的位置解算不会产生影响，但会让计算出的接收机钟差有一定的偏差，从而影响接收机的正常授时，也会让某些欺骗检测方法失效。
如图1所示，本发明公开了一种授时接收机防欺骗方法，包括：
步骤S1，通过时间间隔测量仪得到授时信号与基准信号时间差数据；
步骤S2，以第一数据宽度获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述第一数据宽度包括第一数量的数据；根据移动方差得到观测量；
Figure BDA0003814885880000071
其中，mR为观测量，MV为移动方差，M为第一数据宽度，
Figure BDA0003814885880000072
为时间差数据的方差；
步骤S3，判断观测量是否超过预设的检测门限，若观测量超过检测门限，则存在欺骗信号；所述检测门限和预设的虚警率的关系满足第一公式，所述第一公式具体为：
Figure BDA0003814885880000073
其中，Pfa为虚警率，
Figure BDA0003814885880000074
为概率密度函数，Tm为检测门限，k为自由度，k的取值为第一数量减一。
在步骤S1中，所述时间间隔测量仪为多通道测量仪且精度满足第一精度要求。时间间隔测量仪的精度越高，则防欺骗效果越好。第一精度的要求为精度要求越高越好。本领域技术人员可以根据需要进行选择。
在本实施例中，用授时信号与基准信号的时间差数据为授时信号和基准信号差值的绝对值。
在本实施例的步骤S2中，所述移动方差的获取包括：
用x(n)表示授时信号与基准信号的时间差数据，
x(n)＝|Trnss(n)-Tbase(n)|；
其中，Trnss(n)为授时信号，Tbase(n)为基准信号；
通过移动方差公式获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述移动方差公式为：
Figure BDA0003814885880000081
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度。
在本实施例的步骤S3中，所述检测门限的获取方法包括：
将授时信号与基准信号的时间差数据x(n)近似为高斯分布变量，即
Figure BDA0003814885880000082
建立观测量，观测量
Figure BDA0003814885880000083
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度；
在本实施例中，观测量服从卡方分布，即：
Figure BDA0003814885880000084
根据卡方分布的统计特性，mR的均值为k，方差为2k，所以我们很容易得到移动方差MV(n)的均值是
Figure BDA0003814885880000085
方差为
Figure BDA0003814885880000086
观测量的概率密度函数为：
Figure BDA0003814885880000087
其中，k为自由的，k的值为M-1；
基于观测量的概率密度函数得到观测量的累计分布函数为：
Figure BDA0003814885880000088
其中，γ(·)是下不完全Gamma函数，P(s，t)是正则化Gamma函数；
基于累计分布函数得到观测量的虚警率为：
Figure BDA0003814885880000091
基于预设的虚警率得到检测门限。
在本实施例中，若设定好虚警概率Pfa，即可通过上式反解出门限Tm。
Figure BDA0003814885880000092
T1为相应的移动方差门限。将得到的检测统计量mR与门限Tm进行比较，如果大于门限则认为有欺骗，反之无欺骗存在。
在本实施例中，当移动方差超过检测门限时，发送第一提醒。
在本实施例中，
实施例2：
本发明还公开了一种授时接收机防欺骗装置，包括：采集模块101、方差模块102和判断模块103；
所述采集模块101，用于通过时间间隔测量仪得到授时信号与基准信号时间差数据；
所述方差模块102，用于以第一数据宽度获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述第一数据宽度包括第一数量的数据；根据移动方差得到观测量；
Figure BDA0003814885880000093
其中，mR为观测量，MV为移动方差，M为第一数据宽度，
Figure BDA0003814885880000094
为时间差数据的方差；
所述判断模块103，用于判断观测量是否超过预设的检测门限，若观测量超过检测门限，则存在欺骗信号；所述检测门限和预设的虚警率的关系满足第一公式，所述第一公式具体为：
Figure BDA0003814885880000101
其中，Pfa为虚警率，
Figure BDA0003814885880000102
为概率密度函数，Tm为检测门限，k为自由度，k的取值为第一数量减一。
在本实施例中，所述移动方差的获取包括：
用x(n)表示授时信号与基准信号的时间差数据，
x(n)＝|Trnss(n)-Tbase(n)|；
其中，Trnss(n)为授时信号，Tbase(n)为基准信号；
通过移动方差公式获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述移动方差公式为：
Figure BDA0003814885880000103
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度。
在本实施例中，所述检测门限的获取方法包括：
将授时信号与基准信号的时间差数据x(n)近似为高斯分布变量，即
Figure BDA0003814885880000104
建立观测量，观测量
Figure BDA0003814885880000105
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度；
观测量的概率密度函数为：
Figure BDA0003814885880000106
其中，k为自由的，k的值为M-1；
基于观测量的概率密度函数得到观测量的累计分布函数为：
Figure BDA0003814885880000107
其中，γ(·)是下不完全Gamma函数，P(s，t)是正则化Gamma函数；
基于累计分布函数得到观测量的虚警率为：
Figure BDA0003814885880000111
基于预设的虚警率得到检测门限。
在本实施例中，当移动方差超过检测门限时，发送第一提醒。
在本实施例中，所述时间间隔测量仪为多通道测量仪且精度满足第一精度要求。
实施例2是在实施例1的基础上进行撰写的，本领域技术人员可以依据实施例1所公开的防欺骗方法实施上述实施例2的防欺骗装置。由于实施例1中是说明和限定同样可以用于实施2因此这些说明和限定不再实施例2中赘述。
实施例3：
本发明还公开了一种授时接收机，应用实施例1或实施例2所述的授时接收机防欺骗方法。
综上，本发明实施例提供一种授时接收机防欺骗方法、装置及授时接收机与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)使用多通道高精度时间间隔测量仪输出的授时信号与基准信号时间差数据，通过检测授时信号的稳定性来判断欺骗，可以突破现有技术的局限性，使授时机可以应对多种欺骗方式，提高授时机的安全性。
(2)使用移动方差和恒虚警率门限结合的方式检测欺骗，进一步提高了授时机被欺骗的难度，提高了授时机的安全性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种授时接收机防欺骗方法，其特征在于，包括：
通过时间间隔测量仪得到授时信号与基准信号时间差数据；
以第一数据宽度获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述第一数据宽度包括第一数量的数据；根据移动方差得到观测量；
Figure FDA0003814885870000011
其中，mR为观测量，MV为移动方差，M为第一数据宽度，
Figure FDA0003814885870000012
为时间差数据的方差；
判断观测量是否超过预设的检测门限，若观测量超过检测门限，则存在欺骗信号；所述检测门限和预设的虚警率的关系满足第一公式，所述第一公式具体为：
Figure FDA0003814885870000013
其中，Pfa为虚警率，Fchi 2为概率密度函数，Tm为检测门限，k为自由度，k的取值为第一数量减一。
2.根据权利要求1所述的一种授时接收机防欺骗方法，其特征在于，所述移动方差的获取包括：
用x(n)表示授时信号与基准信号的时间差数据，
x(n)＝|Trnss(n)-Tbase(n)|；
其中，Trnss(n)为授时信号，Tbase(n)为基准信号；
通过移动方差公式获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述移动方差公式为：
Figure FDA0003814885870000014
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度。
3.根据权利要求1所述的一种授时接收机防欺骗方法，其特征在于，所述检测门限的获取方法包括：
将授时信号与基准信号的时间差数据x(n)近似为高斯分布变量，即
Figure FDA0003814885870000021
建立观测量，观测量
Figure FDA0003814885870000022
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度；
观测量的概率密度函数为：
Figure FDA0003814885870000023
其中，k为自由的，k的值为M-1；
基于观测量的概率密度函数得到观测量的累计分布函数为：
Figure FDA0003814885870000024
其中，γ(·)是下不完全Gamma函数，P(s，t)是正则化Gamma函数；
基于累计分布函数得到观测量的虚警率为：
Figure FDA0003814885870000025
基于预设的虚警率得到检测门限。
4.根据权利要求1所述的一种授时接收机防欺骗方法，其特征在于，当移动方差超过检测门限时，发送第一提醒。
5.根据权利要求1所述的一种授时接收机防欺骗方法，其特征在于，所述时间间隔测量仪为多通道测量仪且精度满足第一精度要求。
6.一种授时接收机防欺骗装置，其特征在于，包括：采集模块、方差模块和判断模块；
所述采集模块，用于通过时间间隔测量仪得到授时信号与基准信号时间差数据；
所述方差模块，用于以第一数据宽度获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述第一数据宽度包括第一数量的数据；根据移动方差得到观测量；
Figure FDA0003814885870000031
其中，mR为观测量，MV为移动方差，M为第一数据宽度，
Figure FDA0003814885870000032
为时间差数据的方差；
所述判断模块，用于判断观测量是否超过预设的检测门限，若观测量超过检测门限，则存在欺骗信号；所述检测门限和预设的虚警率的关系满足第一公式，所述第一公式具体为：
Figure FDA0003814885870000033
其中，Pfa为虚警率，
Figure FDA0003814885870000035
为概率密度函数，Tm为检测门限，k为自由度，k的取值为第一数量减一。
7.根据权利要求6所述的一种授时接收机防欺骗装置，其特征在于，所述移动方差的获取包括：
用x(n)表示授时信号与基准信号的时间差数据，
x(n)＝|Trnss(n)-Tbase(n)|；
其中，Trnss(n)为授时信号，Tbase(n)为基准信号；
通过移动方差公式获取授时信号与基准信号时间差数据的移动方差，所述移动方差公式为：
Figure FDA0003814885870000034
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度。
8.根据权利要求6所述的一种授时接收机防欺骗装置，其特征在于，所述检测门限的获取方法包括：
将授时信号与基准信号的时间差数据x(n)近似为高斯分布变量，即
Figure FDA0003814885870000041
建立观测量，观测量
Figure FDA0003814885870000042
其中，MV为移动方差，M为第一数据宽度；
观测量的概率密度函数为：
Figure FDA0003814885870000043
其中，k为自由的，k的值为M-1；
基于观测量的概率密度函数得到观测量的累计分布函数为：
Figure FDA0003814885870000044
其中，γ(·)是下不完全Gamma函数，P(s，t)是正则化Gamma函数；
基于累计分布函数得到观测量的虚警率为：
Figure FDA0003814885870000045
基于预设的虚警率得到检测门限。
9.根据权利要求6所述的一种授时接收机防欺骗装置，其特征在于，当移动方差超过检测门限时，发送第一提醒。
10.一种授时接收机，其特征在于，应用权利要求1-5任意一项所述的授时接收机防欺骗方法。
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