CN116774252B - 一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，首先通过星历信息、定位信息计算伪距变化量的预测值，再通过伪距观测值计算伪距变化量的观测值，最后通过对比伪距变化量观测值和预测值的一致性实现欺骗干扰检测，使得本发明可有效实现对来向与真实信号来向不同的欺骗信号的检测，并且不限制欺骗信号来自同一方向，具有更加优异的检测性能，大大提高了欺骗检测的准确率。
Description
技术领域
本发明属于导航欺骗式干扰检测技术领域，尤其涉及一种基于单接收机伪距变化量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。其中基于空间信息的欺骗干扰检测方法性能最好，可有效检测来自同一方向的欺骗干扰，但是该方法需要多个接收机/天线或旋转单天线，对于天线的要求较高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，仅需利用单个接收机/天线的伪距信息即可对来向与真实来向不一致的欺骗信号实现检测。
一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，包括以下步骤：
S1：分别获取接收机相对于各卫星的伪距变化量的观测值与预测值如下：
接收机对来自同一卫星的两个相邻时刻的伪距观测值进行差分，得到接收机相对于该卫星的伪距变化量的观测值；
根据接收机定位解信息和星历信息获取接收机相对于各卫星的伪距变化量的预测值；
S2：根据所有卫星对应的观测值与预测值之间的差值构建检测变量，再基于检测变量/>在无欺骗假设和欺骗假设两种情况下符合的分布函数确定接收机被欺骗的虚警概率/>和检测概率/>。
进一步地，检测变量为：
其中，为预测值与观测值的差值均值，/>为接收机在第k时刻相对于第i个卫星的伪距变化量的观测值/>，/>为接收机在第k时刻相对于第i个卫星的伪距变化量的预测值，/>为卫星数量；
其中，若接收机未被欺骗时，检测变量T为满足自由度为1的卡方分布，若接收机被欺骗时，检测变量T为满足自由度为1、偏心量为/>的非中心卡方分布/>；
接收机被欺骗的虚警概率和检测概率/>的计算方法如下：
其中，H0为表示接收机未被欺骗的无欺骗假设，H1为表示接收机被欺骗的欺骗假设，为检测变量T在无欺骗假设下的概率密度函数，/>为检测变量T在欺骗假设下的概率密度函数，/>为根据奈曼皮尔逊准则设置的门限值。
进一步地，根据接收机定位解信息和星历信息获取接收机在第k时刻相对于第i个卫星的伪距变化量的预测值具体为：
其中，为卫星运动引起的伪距变化量，/>为接收机运动引起的伪距变化量，/>为噪声，且有：
其中，为第i个卫星在第k时刻的位置与第k-1时刻时的接收机在第k时刻时的第i个卫星的方向向量上的投影点之间的几何距离，/>为第k-1时刻第i个卫星与接收机的几何距离，且有：
其中，/>为第/>颗卫星第k-1时刻的位置坐标，/>为第/>颗卫星第k时刻的位置坐标，且卫星的位置坐标通过星历计算得到，为接收机第k-1时刻的位置坐标，/>为接收机第k时刻的位置坐标，且接收机的位置坐标通过定位解计算得到，/>为接收机从k-1时刻到k时刻的移动距离，/>为第k时刻时第i个卫星与接收机的几何距离，/>为/>在/>方向上的投影的模值，/>为/>与/>之前的夹角。
进一步地，接收机在第k时刻相对于第i个卫星的伪距变化量的观测值的计算方法如下：
其中，为接收机在第k时刻得到的伪距观测值，/>为接收机在第k-1时刻得到的伪距观测值。
进一步地，所述伪距观测值、定位解信息、星历信息根据卫星的导航信号获取，且伪距观测值经过卡尔曼滤波后再用于计算接收机相对于各卫星的伪距变化量的观测值，定位解信息经过交互多模型的卡尔曼滤波后再用于计算接收机相对于各卫星的伪距变化量的预测值。
有益效果：
1、本发明提供一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，首先通过星历信息、定位信息计算伪距变化量的预测值，再通过伪距观测值计算伪距变化量的观测值，最后通过对比伪距变化量观测值和预测值的一致性实现欺骗干扰检测，使得本发明可有效实现对来向与真实信号来向不同的欺骗信号的检测，并且不限制欺骗信号来自同一方向，具有更加优异的检测性能，大大提高了欺骗检测的准确率。
2、本发明提供一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，使用平均值法对伪距观测值和预测值之间的差值进行优化，并将优化后的平均值构建用于一致性检验的检测变量，因此，本发明采用平均值法降低了测量误差的负面影响，相当于联合所有卫星对应的基本假设检验构建检测变量，以此充分利用每一个卫星的导航信号进行欺骗干扰检测，进一步提高欺骗检测精度。
3、本发明提供一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，仅需要单个接收机接收不同卫星的导航信号，即可实现来向不同的欺骗信号的检测，且对于接收机的天线没有要求，降低了欺骗干扰检测成本；同时，伪距变化量的观测值和预测值的计算仅需要星历信息、定位信息和伪距观测值，计算量小，占用资源少。
4、本发明提供一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，伪距观测值经过卡尔曼滤波后再用于计算接收机相对于各卫星的伪距变化量的观测值，定位解信息经过交互多模型的卡尔曼滤波后再用于计算接收机相对于各卫星的伪距变化量的预测值，能够降低伪距观测值误差和定位解信息误差对欺骗检测造成的影响。
附图说明
图1为本发明提供的基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法的流程图；
图2为本发明提供的导航欺骗式干扰检测架构图。
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。
如图1所示，一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，包括以下步骤：
S1：分别获取接收机相对于各卫星的伪距变化量的观测值与预测值如下：
S11：接收机对来自同一卫星的两个相邻时刻的伪距观测值进行差分，得到接收机相对于该卫星的伪距变化量的观测值，具体如下：
接收机在第k时刻相对于第i个卫星的伪距变化量的观测值的计算公式为：
其中，为接收机在第k时刻得到的伪距观测值，/>为接收机在第k-1时刻得到的伪距观测值。
S12：根据接收机定位解信息和星历信息获取接收机相对于各卫星的伪距变化量的预测值；
具体的，如附图2所示，在相邻的两个历元之间，卫星从A移动到E，接收机从B移动到C。为/>时卫星与接收机的几何距离，/>为/>时卫星与接收机的几何距离。因此可以得到：
其中，为/>在/>方向上的投影的模值，/>
由于卫星与接收机几何距离较大，且相邻时刻接收机的移动距离较小，伪距变化量可以表示为：
其中，
其中，为第/>颗卫星第k-1时刻的位置坐标，为第/>颗卫星第k时刻的位置坐标，且卫星的位置坐标通过星历计算得到，/>为接收机第k-1时刻的位置坐标，/>为接收机第k时刻的位置坐标，且接收机的位置坐标通过定位解计算得到，/>为接收机从k-1时刻到k时刻的移动距离，/>为第k时刻时第i个卫星与接收机的几何距离，/>为/>在/>方向上的投影的模值，/>为/>与/>之前的夹角。
令，/>是导航卫星运动引起的伪距变化量，令，/>是接收机运动引起的伪距变化量。基于此，得到接收机在第k时刻相对于第i个卫星的伪距变化量的预测值/>如下：
其中，为噪声。
需要说明的是，所述伪距观测值、定位解信息、星历信息根据卫星的导航信号获取，且为降低误差造成的影响，伪距观测值经过KF卡尔曼滤波后再用于计算接收机相对于各卫星的伪距变化量的观测值，定位解信息经过IMM-KF交互多模型的卡尔曼滤波后再用于计算接收机相对于各卫星的伪距变化量的预测值。
S2：根据所有卫星对应的观测值与预测值之间的差值构建检测变量，再基于检测变量/>在无欺骗假设和欺骗假设两种情况下符合的分布函数确定接收机被欺骗的虚警概率/>和检测概率/>。
需要说明的是，当欺骗信号的存在会破坏伪距变化量观测值和预测值的一致性，建立假设检验如下：
H0表示接收机未被欺骗的情况，其中观测值和预测值在统计学上是相等的，H1表示接收机被欺骗，将每一组观测值和预测值之间的差异的和作为指标，可以实现欺骗干扰的检测。
为了获得更好的性能，使用平均值法对伪距观测值进行优化，提高欺骗检测性能。
定义平均值法的检测变量如下：
其中，为预测值与观测值的差值均值，/>为卫星数量；/>符合正态分布，假设/>的均值为/>，标准差为/>，则变量/>的均值为/>，标准差为。因此，采用平均值法降低了测量误差的负面影响，可以提高欺骗检测方法的性能。
基于构建检测变量/>如下：
进一步地，根据检测变量建立假设检测如下：
若接收机未被欺骗时，检测变量T为满足自由度为1的卡方分布，若接收机被欺骗时，检测变量T为满足自由度为1、偏心量为/>的非中心卡方分布/>；
检测变量在零假设和欺骗假设下的概率密度函数为：
其中，为伽马函数，/>为第一类一阶变换的贝塞尔函数。
建立广义似然比检验（GLRT）：
其中，为检测阈值。
根据奈曼皮尔逊准则设置门限值来确定特定检测阈值/>下的特定虚警概率/>（接收机实际未被欺骗，但检测结果表明接收机被欺骗）和特定检测概率/>（接收机实际被欺骗，检测结果也表明接收机被欺骗）如下：
其中，H0为表示接收机未被欺骗的无欺骗假设，H1为表示接收机被欺骗的欺骗假设，为检测变量T在无欺骗假设下的概率密度函数，/>为检测变量T在欺骗假设下的概率密度函数。
由此可见，在当前很多基于信号来向的欺骗干扰检测方法仅能检测来自同一方向的欺骗干扰的基础上，本发明提供了一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，仅需要单个接收机，并且对于接收机的天线没有要求，首先通过星历信息、定位信息计算伪距变化量的预测值，再通过伪距观测值计算伪距变化量的观测值，最后通过对比伪距变化量观测值和预测值的一致性实现欺骗干扰检测，使得本发明可有效实现对来向与真实信号来向不同的欺骗信号的检测，并且不限制欺骗信号来自同一方向。
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)
1.一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：分别获取接收机相对于各卫星的伪距变化量的观测值与预测值如下：
接收机对来自同一卫星的两个相邻时刻的伪距观测值进行差分，得到接收机相对于该卫星的伪距变化量的观测值；
根据接收机定位解信息和星历信息获取接收机相对于各卫星的伪距变化量的预测值；
S2：根据所有卫星对应的观测值与预测值之间的差值构建检测变量，再基于检测变量在无欺骗假设和欺骗假设两种情况下符合的分布函数确定接收机被欺骗的虚警概率/>和检测概率/>。
2.如权利要求1所述的一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，其特征在于，检测变量为：
其中，为预测值与观测值的差值均值，/>为接收机在第k时刻相对于第i个卫星的伪距变化量的观测值/>，/>为接收机在第k时刻相对于第i个卫星的伪距变化量的预测值，/>为卫星数量；
其中，若接收机未被欺骗时，检测变量T为满足自由度为1的卡方分布，若接收机被欺骗时，检测变量T为满足自由度为1、偏心量为/>的非中心卡方分布/>；
接收机被欺骗的虚警概率和检测概率/>的计算方法如下：
其中，H0为表示接收机未被欺骗的无欺骗假设，H1为表示接收机被欺骗的欺骗假设，为检测变量T在无欺骗假设下的概率密度函数，/>为检测变量T在欺骗假设下的概率密度函数，/>为根据奈曼皮尔逊准则设置的门限值。
3.如权利要求1所述的一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，其特征在于，根据接收机定位解信息和星历信息获取接收机在第k时刻相对于第i个卫星的伪距变化量的预测值具体为：
其中，为卫星运动引起的伪距变化量，/>为接收机运动引起的伪距变化量，/>为噪声，且有：
其中，为第i个卫星在第k时刻的位置与第k-1时刻时的接收机在第k时刻时的第i个卫星的方向向量上的投影点之间的几何距离，/>为第k-1时刻第i个卫星与接收机的几何距离，且有：
其中，/>为第/>颗卫星第k-1时刻的位置坐标，/>为第颗卫星第k时刻的位置坐标，且卫星的位置坐标通过星历计算得到，为接收机第k-1时刻的位置坐标，/>为接收机第k时刻的位置坐标，且接收机的位置坐标通过定位解计算得到，/>为接收机从k-1时刻到k时刻的移动距离，/>为第k时刻时第i个卫星与接收机的几何距离，/>为/>在/>方向上的投影的模值，/>为/>与/>之前的夹角。
4.如权利要求1所述的一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，其特征在于，接收机在第k时刻相对于第i个卫星的伪距变化量的观测值的计算方法如下：
其中，为接收机在第k时刻得到的伪距观测值，/>为接收机在第k-1时刻得到的伪距观测值。
5.如权利要求1~4任一权利要求所述的一种基于单接收机伪距变化量的导航欺骗式干扰检测方法，其特征在于，所述伪距观测值、定位解信息、星历信息根据卫星的导航信号获取，且伪距观测值经过卡尔曼滤波后再用于计算接收机相对于各卫星的伪距变化量的观测值，定位解信息经过交互多模型的卡尔曼滤波后再用于计算接收机相对于各卫星的伪距变化量的预测值。
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