CN115755108A - 基于iq支路的sqm卫星导航欺骗检测方法 - Google Patents

基于iq支路的sqm卫星导航欺骗检测方法 Download PDF

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CN115755108A
CN115755108A CN202211432865.6A CN202211432865A CN115755108A CN 115755108 A CN115755108 A CN 115755108A CN 202211432865 A CN202211432865 A CN 202211432865A CN 115755108 A CN115755108 A CN 115755108A
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邓敏
郭莹莹
柳文
彭拯
吴成龙
朱超
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Xiangtan University
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Hunan Shaofeng Institute Of Applied Mathematics
Xiangtan University
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Abstract

本发明公开了一种基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，所述欺骗检测方法先根据IQ双支路能量变化建立SQM检测指标，然后推导实际应用测量门限值和理论计算门限值，再将SQM检测量与测量门限值和理论计算门限值进行比较，检测是否受到欺骗干扰。本发明基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，在不改变传统接收机的基本架构且不增加相关器个数的前提下，仅使用原本跟踪环路的IQ支路相关器输出值，节约了硬件资源，易于实现；对比传统SQM算法只考虑同相I支路能量变化和目前一些改进的SQM检测度量值在相同的虚警概率下具有更高的检测概率。

Description

基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法
技术领域
本发明涉及卫星导航信号处理技术领域，具体涉及基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)现已广泛应用于民用和军用导航定位基础设施，为其提供全天候、高精度、高效率的位置、速度和时间(PVT，Position、Velocity andTime)信息服务。但因GNSS开放的信号结构和低功率这些固有的脆弱性，容易受到干扰和欺骗。干扰通过发射压制信号来降低接收信号的载噪比，欺骗通过产生与真实信号相似的欺骗信号或者转发延迟和功率放大之后的真实信号使接收端得出错误的导航授时信息。与干扰信号相比，欺骗信号隐蔽性强、破坏力大，是攻击者最青睐的欺骗攻击方式之一。近年来GNSS欺骗技术的不断更新对GNSS的精度、可用性、连续性和完好性造成了巨大威胁，因此针对欺骗干扰信号的检测与识别技术对GNSS信号的使用安全具有重要意义。
依据信号特征的欺骗干扰检测技术是当代GNSS干扰与抗干扰的主流技术，当存在欺骗干扰时，欺骗信号与真实信号经过射频前端、数字信号等处理后会产生差异值或者特定特征，可以根据不同天线设计方式、自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)、信号强度、信号质量检测(SQM，Signal Quality Monitor)、多普勒一致性、信号到达时间和信号到达角等特性来进行欺骗干扰检测。
SQM技术是监测真实导航卫星信号与欺骗干扰信号之间的相互作用导致相关峰形变这一特征来检测欺骗攻击。欺骗干扰信号成功牵入跟踪环路的过程中会造成相关峰的异常尖锐、平坦或不对称，现已根据不同时期相关器输出值设计了各种SQM指标，常见的为Delta度量、Ratio度量。SQM使用的检测值只需知道早期相关器、即时相关器和晚期相关器的输出就可计算得到不需要其他的外部依赖，通过设定阈值来检测欺骗攻击是有效的，因简单性和高效性SQM在多径检测和欺骗检测中备受青睐。
传统的SQM指标(如Delta指标、Ratio指标)使用跟踪环路中单一同相支路相关器的输出来判定接收机是否受到了欺骗，但因真实信号和欺骗信号相对载波相位的变化而在同相支路和正交支路之间波动时会造成SQM检测量出现剧烈波动，整体欺骗干扰检测精度和鲁棒性下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：本发明提供一种基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，使用多个检测阈值进行判断，提升了检测性能和鲁棒性。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，所述欺骗检测方法先根据IQ双支路能量变化建立SQM检测指标，然后推导实际应用测量门限值和理论计算门限值，再将SQM检测量与测量门限值和理论计算门限值进行比较，检测是否受到欺骗干扰。
作为上述技术方案的进一步改进为：
优选地，所述欺骗检测方法包括以下步骤：
S1、只存在真实信号的情况下，卫星接收机搜索M个卫星信号并进行跟踪；
S2、跟踪阶段I、Q支路分别与本地复制的C/A码进行运算，得到同相I和正交Q支路相关器的输出；
S3、根据I、Q支路早期、即时和晚期相关器的输出值，建立SQM检测度量值Mvalue；
S4、设定检测需满足的最高虚警概率，根据计算的真实检测度量值Mvalue推导得出测量门限值Thresoldmea；
S5、利用平滑移动窗口处理检测度量值Mvalue；
S6、计算检测度量值Mvalue的均值Mvalue-mean和方差Mvalue-var，根据奈曼-皮尔逊准则，在跟S4同等虚警概率下，推导出计算门限值Thresoldcal；
S7、在欺骗干扰检测阶段，利用IQ支路的早期、即时和晚期相关器输出值计算SQM检测量Mact-val，对检测量Mact-val进行平滑移动处理；
S8、将步骤S7得到的检测量Mact-val的值与步骤S4得到的测量门限值Thresoldmea和步骤S6得到的计算门限值Thresoldcal进行比较，若检测量Mact-val的值大于测量门限值和计算门限值时，则认为存在欺骗干扰。
优选地，步骤S1中，接收的卫星信号为：
Figure BDA0003945752790000031
式中，n是采样序列号；Ts是中频信号采样周期；下标l为卫星的伪随机码编号，M为收到的真实卫星信号数量；
Figure BDA0003945752790000032
是真实信号，
Figure BDA0003945752790000033
为欺骗设备发给目标接收机的欺骗信号，上标a和s分别表示真实信号和欺骗信号；η(nTs)为带限加性高斯白噪声；
第l个信道信号模型表示为：
Figure BDA0003945752790000034
式中，真实信号的相对振幅αA＝1，欺骗信号的相对振幅αS＞1；Pl为天线接收到的信道l的接收功率；Cl(·)、Dl(·)分别表示伪随机扩频码和导航数据比特；fIF为中心频率；fl为多普勒频率；τl为码传播时延；
Figure BDA0003945752790000035
为初始载波相位。
优选地，步骤S2中，将步骤S1中的信号进行I/Q解调，再经过相干积分后，同相I和正交Q支路相关器的自相关函数为：
Figure BDA0003945752790000036
式中，R(·)代表最大值为1的C/A码自相关函数，τA、τS为即时复制C/A码与真实信号和欺骗信号码相位之间的相位差异，τA/S＝dTs，其中d为早期或者晚期相关器与即时相关器的间隔，Ts是中频信号采样周期。
优选地，步骤S3中，根据I、Q支路早期、即时和晚期相关器输出值，建立SQM检测度量值Mvalue，公式为：
Figure BDA0003945752790000037
式中，IEd(n)、IP(n)和ILd(n)分别是第n个相干积分内同相通道的早期、即时和晚期相关器输出，QEd(n)和QLd(n)分别是第n个相干积分内正交通道的早期和晚期相关器输出。
优选地，步骤S4中，设定检测需满足的最高虚警概率Pfa-mea，Pfa-mea满足：
Figure BDA0003945752790000041
式中，Mvalue(n)为真实信号Mvalue数据集中第n个样本的值，count(MValue(n)＞Thresoldmea)为检测度量值MValue大于测量门限值Thresoldmea的计数总值；
测量门限值Thresoldmea的表达式为：
Thresoldmea＝MValue([Nm×(1-Pfa-mea)]) (9)
其中，[·]为取整函数；Nm为真实信号数据集长度。
优选地，步骤S6中，推导计算门限值时的虚警概率Pfa-cal为：
Figure BDA0003945752790000042
式中，fM(x)表示不存在欺骗攻击时SQM检测度量值Mvalue的概率密度函数，erfc(·)为互补误差函数；得到计算门限值Thresoldcal的表达式为
Figure BDA0003945752790000043
本发明提供的基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，与现有技术相比，有以下优点：
(1)本发明基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，在不改变传统接收机的基本架构且不增加相关器个数的前提下，仅使用原本跟踪环路的IQ支路相关器输出值，节约了硬件资源，易于实现；对比传统SQM算法只考虑同相I支路能量变化和目前一些改进的SQM检测度量值在相同的虚警概率下具有更高的检测概率。
(2)本发明基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，提出的测量门限值Thresoldmea是根据当前真实GNSS数据得出的真实门限值，而计算门限值Thresoldcal是根据检测度量值Mvalue的概率分布计算得出的理论门限值，两个门限值一起使用，与现有SQM算法的单一理论门限值相比，更具有实用性和更高的检测性能。
附图说明
图1是本发明检测方法的流程示意图。
图2是本发明应用实施时在TEXBAT数据集Clean Static和DS2下Mvalue检测量的度量值图。
图3是本发明应用实施时在虚警概率为10-3时TEXBAT数据集DS2下的测量阈值。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1至图3示出了本发明基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法的一种实施方式，只存在真实信号时，同相I支路包含能量和一些噪声，而正交Q支路基本上仅是噪声而已；当欺骗信号存在时，真实信号与欺骗信号之间的载波相位差会导致正交Q支路出现一点能量变化。为成功让接收机锁定到欺骗信号，欺骗信号能量要略大于真实信号，同时欺骗信号发射天线相对于接收机的运动也会造成噪声基底上升，根据IQ双支路能量变化建立SQM检测指标，推导实际应用测量门限值Thresoldmea和理论计算门限值Thresoldcal，将SQM检测量与双门限进行比较，检测是否受到欺骗干扰。根据IQ双支路能量变化的SQM检测指标要比单一同相支路的传统SQM指标具有更高的检测性能。
具体包括以下步骤：
步骤S1：只存在真实信号的情况下，卫星接收机搜索M个卫星信号并进行跟踪。
接收的GNSS中频信号可表示为：
Figure BDA0003945752790000051
式中，n是采样序列号；Ts是中频信号采样周期；下标l为卫星的伪随机码编号，M为收到的真实卫星信号数量；
Figure BDA0003945752790000052
是真实信号，
Figure BDA0003945752790000053
为欺骗设备发给目标接收机的欺骗信号，上标A和S分别表示真实信号和欺骗信号；η(nTs)为带限加性高斯白噪声。
欺骗信号与真实卫星信号的数目相同，伪随机噪声码(PRN号)一一对应，具有相同的信号结构，第l个信道信号模型表示为：
Figure BDA0003945752790000061
式中，真实信号的相对振幅αA＝1，欺骗信号的相对振幅αS＞1；Pl为天线接收到的信道l的接收功率；Cl(·)、Dl(·)分别表示伪随机扩频码和导航数据比特；fIF为中心频率；fl为多普勒频率；τl为码传播时延(码相位)；
Figure BDA0003945752790000062
为初始载波相位。
步骤S2：跟踪阶段I、Q支路分别与本地复制的C/A码进行相关运算得到同相I和正交Q支路相关器的输出。
天线接收到的中频信号经I/Q解调后，I、Q支路分别与本地复制的C/A码进行相关运算，经过相干积分后，IQ支路的相干积分值I(n)和Q(n)可以表示为：
Figure BDA0003945752790000063
Figure BDA0003945752790000064
式中，P代表真实信号的幅值；τA、τS为即时复制C/A码与真实信号和欺骗信号码相位之间的相位差异，τA/S＝dTs，其中d为早期或者晚期相关器与即时相关器的间隔；对于一般接收机来说，相关器间距d的范围在0.1～0.5码片，本实施例所采用的相关器间隔统一定义为0.5码片；
Figure BDA0003945752790000065
与
Figure BDA0003945752790000066
分别表示本地码和真实卫星信号及本地码和欺骗信号的多普勒差；
Figure BDA0003945752790000067
与
Figure BDA0003945752790000068
分别表示本地码和真实卫星信号及本地码和欺骗信号的载波相位差；Tcoh为相干积分时间；ηI和ηQ为I支路和Q支路的高斯噪声；sinc(x)＝[sin(πx)]/πx；R(·)代表最大值为1的C/A码自相关函数。
以GPS L1信号的C/A码为例，可表示为：
Figure BDA0003945752790000069
步骤S3：根据I、Q支路早期、即时和晚期相关器输出值，建立SQM检测度量值Mvalue，其公式如下：
Figure BDA00039457527900000610
式中，IEd(n)、IP(n)和ILd(n)分别是第n个相干积分内同相通道的早期、即时和晚期相关器输出，QEd(n)和QLd(n)分别是第n个相干积分内正交通道的早期和晚期相关器输出。
步骤S4：设定检测需满足的最高虚警概率，根据计算的真实检测度量值Mvalue推导得出测量门限值Thresoldmea。
测量门限值Thresoldmea根据非欺骗干扰情况下的可用数据集的数据来确定，对真实GNSS数据计算得出的新型检测度量值MValue进行升序排列为：
MValue(1)≤MValue(2)≤…MValue(n)≤…≤MValue(Nm-1)≤MValue(Nm) (7)
其中，Nm为真实信号数据集长度。
虚警概率表示当信号实际不存在时，检测判决后错误认为信号存在而捕获到信号的概率。在设定检测需满足的最高虚警概率Pfa-mea下，Pfa-mea满足：
Figure BDA0003945752790000071
式中，Mvalue(n)为真实信号Mvalue数据集中第n个样本的值，count(MValue(n)＞Thresoldmea)为检测度量值MValue大于测量门限值Thresoldmea的计数总值。根据公式(8)可以得到测量门限值Thresoldmea的表达式为：
Thresoldmea＝MValue([Nm×(1-Pfa-mea)]) (9)
其中，[·]为取整函数。
步骤S5：对检测度量值Mvalue进行滑动平均处理，减少因异常波动值的出现而造成检测虚警概率增高的情况。
在所有的检测度量值Mvalue选取一段窗口长度为L的子集并计算均值，以固定的滑动间隔W形成滑动窗口，滑动窗口前移选取新的子集并计算均值，重复进行直至滑动窗口到达数据集末端。总滑动次数为数据集总长度与窗口长度的比值，其中第k个滑动窗口的SQM检测量均值可以表示为：
Figure BDA0003945752790000081
式中Mvalue(i)为Mvalue数据集中第i个样本的值。
步骤S6：计算检测度量值Mvalue数据值的均值Mvalue-mean和方差Mvalue-var，根据奈曼-皮尔逊准则，在跟步骤S4同等虚警概率下，，推导出计算门限值Thresoldcal。具体推导过程如下：
只存在真实卫星信号和不失一般性的前提下，根据公式(3)、(4)、(5)得知IQ支路的相干积分结果可表示为：
Figure BDA0003945752790000082
Figure BDA0003945752790000083
假设残余多普勒频移误差可以忽略不计，ηI和ηQ不相关，此时I(n)和Q(n)服从正态分布。在没有欺骗的情况下I(n)和Q(n)的理论统计如下：
Figure BDA0003945752790000084
其中，μI(n)和μQ(n)分别为同相支路相关器输出的平均值；
Figure BDA0003945752790000085
和
Figure BDA0003945752790000086
分别为正交支路相关器输出的方差，假设
Figure BDA0003945752790000087
将Mvalue看作不同
Figure BDA0003945752790000088
之间乘积的和的绝对值，公式表示为：
Figure BDA0003945752790000089
经式(13)得知早期、即时、晚期的同相正交相关器输出值的理论分布，公式(14)展开可得：
Figure BDA0003945752790000091
已知f(x,y)＝x/y泰勒展开后的方差为
Figure BDA0003945752790000092
将
Figure BDA0003945752790000093
Figure BDA0003945752790000094
和
Figure BDA0003945752790000095
代入后可得到对应的均值和方差，可表示为：
Figure BDA0003945752790000096
Figure BDA0003945752790000097
经推导z1和z3服从相同均值相同方差的高斯分布，z2和z4服从相同均值相同方差的高斯分布，当两个独立的高斯分布相乘时依旧为一个高斯分布，即z1×z2和z3×z4各自服从相同均值相同方差的高斯分布，两个独立的高斯分布相加时仍为一个高斯分布，即z1×z2+z3×z4为正态分布，可表示为：
Figure BDA0003945752790000098
已知z1×z2+z3×z4的均值和方差可利用概率密度函数推导得出|z1×z2+z3×z4|的均值和方差，得知Mvalue为一个高斯分布变量，可表示为：
Figure BDA0003945752790000101
Figure BDA0003945752790000102
此时Mvalue～(Mvalue-mean,Mvalue-var)，可以根据奈曼皮尔逊准则来计算检测门限。
对于一定的计算门限值Thresoldcal，虚警概率Pfa-cal的计算如下：
Figure BDA0003945752790000103
式中，fM(x)表示不存在欺骗攻击时SQM检测度量值Mvalue的概率密度函数，erfc(·)为互补误差函数。根据公式(21)可以得到计算门限值Thresoldcal的表达式为
Figure BDA0003945752790000104
可见计算门限值Thresoldcal是由虚警概率Pfa-cal和检测度量值Mvalue的统计量确定。
步骤S7：在欺骗干扰检测阶段，利用IQ支路的早期、即时和晚期相关器输出值计算SQM检测量Mact-val，进行平滑移动处理。
步骤S8：将步骤S7得到的检测量Mact-val的值与步骤S4得到的测量门限值Thresoldmea和步骤S6得到的计算门限值Thresoldcal进行比较，若Mact-val的值大于测量门限值和计算门限值时，则认为存在欺骗干扰。
本发明提出的卫星导航信号欺骗检测方法，利用IQ支路相关器输出值建立SQM检测量进行欺骗干扰检测，使用多个检测门限值进行判断，与传统SQM检测量SQM检测量对比，在相同虚警概率下检测概率高，检测性能和鲁棒性提升。
上述实施案例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，所述欺骗检测方法先根据IQ双支路能量变化建立SQM检测指标，然后推导实际应用测量门限值和理论计算门限值，再将SQM检测量与测量门限值和理论计算门限值进行比较，检测是否受到欺骗干扰。
2.根据权利要求1所述的基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，所述欺骗检测方法包括以下步骤：
S1、只存在真实信号的情况下，卫星接收机搜索M个卫星信号并进行跟踪；
S2、跟踪阶段I、Q支路分别与本地复制的C/A码进行运算，得到同相I和正交Q支路相关器的输出；
S3、根据I、Q支路早期、即时和晚期相关器的输出值，建立SQM检测度量值Mvalue；
S4、设定检测需满足的最高虚警概率，根据计算的真实检测度量值Mvalue推导得出测量门限值Thresoldmea；
S5、利用平滑移动窗口处理检测度量值Mvalue；
S6、计算检测度量值Mvalue的均值Mvalue-mean和方差Mvalue-var，根据奈曼-皮尔逊准则，在跟S4同等虚警概率下，推导出计算门限值Thresoldcal；
S7、在欺骗干扰检测阶段，利用IQ支路的早期、即时和晚期相关器输出值计算SQM检测量Mact-val，对检测量Mact-val进行平滑移动处理；
S8、将步骤S7得到的检测量Mact-val的值与步骤S4得到的测量门限值Thresoldmea和步骤S6得到的计算门限值Thresoldcal进行比较，若检测量Mact-val的值大于测量门限值和计算门限值时，则认为存在欺骗干扰。
3.根据权利要求2所述的基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，步骤S1中，接收的卫星信号为：
Figure FDA0003945752780000011
式中，n是采样序列号；Ts是中频信号采样周期；下标l为卫星的伪随机码编号，M为收到的真实卫星信号数量；
Figure FDA0003945752780000021
是真实信号，
Figure FDA0003945752780000022
为欺骗设备发给目标接收机的欺骗信号，上标a和s分别表示真实信号和欺骗信号；η(nTs)为带限加性高斯白噪声；
第l个信道信号模型表示为：
Figure FDA0003945752780000023
式中，真实信号的相对振幅αA＝1，欺骗信号的相对振幅αS＞1；Pl为天线接收到的信道l的接收功率；Cl(·)、Dl(·)分别表示伪随机扩频码和导航数据比特；fIF为中心频率；fl为多普勒频率；τl为码传播时延；
Figure FDA0003945752780000024
为初始载波相位。
4.根据权利要求3所述的基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，步骤S2中，将步骤S1中的信号进行I/Q解调，再经过相干积分后，同相I和正交Q支路相关器的自相关函数为：
Figure FDA0003945752780000025
式中，R(·)代表最大值为1的C/A码自相关函数，τA、τS为即时复制C/A码与真实信号和欺骗信号码相位之间的相位差异，τA/S＝dTs，其中d为早期或者晚期相关器与即时相关器的间隔，Ts是中频信号采样周期。
5.根据权利要求2所述的基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，步骤S3中，根据I、Q支路早期、即时和晚期相关器输出值，建立SQM检测度量值Mvalue，公式为：
Figure FDA0003945752780000026
式中，IEd(n)、IP(n)和ILd(n)分别是第n个相干积分内同相通道的早期、即时和晚期相关器输出，QEd(n)和QLd(n)分别是第n个相干积分内正交通道的早期和晚期相关器输出。
6.根据权利要求2所述的基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，步骤S4中，设定检测需满足的最高虚警概率Pfa-mea，Pfa-mea满足：
Figure FDA0003945752780000031
式中，Mvalue(n)为真实信号Mvalue数据集中第n个样本的值，count(MValue(n)＞Thresoldmea)为检测度量值MValue大于测量门限值Thresoldmea的计数总值；
测量门限值Thresoldmea的表达式为：
Thresoldmea＝MValue([Nm×(1-Pfa-mea)]) (9)
其中，[·]为取整函数；Nm为真实信号数据集长度。
7.根据权利要求6所述的基于IQ支路的SQM卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，步骤S6中，推导计算门限值时的虚警概率Pfa-cal为：
Figure FDA0003945752780000032
式中，fM(x)表示不存在欺骗攻击时SQM检测度量值Mvalue的概率密度函数，erfc(·)为互补误差函数；得到计算门限值Thresoldcal的表达式为
Figure FDA0003945752780000033
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115951374A (zh) * 2023-03-13 2023-04-11 钛玛科（北京）工业科技有限公司 一种信号干扰抑制方法
CN117233805A (zh) * 2023-11-13 2023-12-15 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种基于多相关器的gnss诱导欺骗检测方法

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