CN116917768A

CN116917768A - 卫星信号接收机欺骗操作期间的导航

Info

Publication number: CN116917768A
Application number: CN202280015859.2A
Authority: CN
Inventors: L·达文; J·恩古耶
Original assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2022-02-03
Publication date: 2023-10-20
Also published as: EP4295177A1; FR3120132B1; US20240053486A1; FR3120132A1; WO2022175105A1

Abstract

公开了一种基于卫星和惯性定位数据的导航方法，包括计算以下的步骤：第一参考导航，其基于惯性定位数据与在卫星定位数据的基础上确定的位置校正来被混合；基于惯性定位数据来被混合的第二参考导航；基于第二参考导航的紧急导航，其在操作导航上重置，然后借助于由第一参考导航提供的位置校正来进行校正。还公开了一种用于实现该方法的导航系统。

Description

卫星信号接收机欺骗操作期间的导航

本发明涉及导航领域，且更具体地，涉及借助于尤其是接收由属于地球周围的卫星星座的卫星所发射的卫星信号来定位和导航的领域。

背景技术

通过卫星进行定位(或GNSS，“全球导航卫星系统”)主要由GPS、伽利略、GLONASS和北斗系统实现。本发明更具体地涉及通过接收卫星信号来辅助的惯性导航。

卫星定位包括接收由卫星(卫星的位置是已知的)发射的信号，以及从每一信号的发射和接收之间的持续时间(或飞行时间)推断出将卫星信号接收器(通常，有时不正确地，称为GPS接收器)和已接收到其信号的每一卫星分开的所谓伪距离测量(每一信号包括卫星ID和该信号的发射时间)。因此，有来自四颗卫星的信号就足够来估计接收器的纬度、经度和海拔以及时差，但该定位甚至更精确，因为卫星的数量很高(接收器已经考虑了这些卫星的信号来计算其位置)。

结果表明，这种相对精确的定位系统已经得到广泛应用，并且如今许多交通工具都安装了卫星信号接收器。由于卫星信号接收器和消费电子产品的成本下降，大多数人还拥有智能手机类型的移动电话，这些移动电话本身就配备了卫星信号接收器。

在卫星信号接收器发展的同时，为了“欺骗”(或“哄骗”)这些卫星信号接收器，出现了欺骗(哄骗)设备。这种设备包括连接到射频信号发射器的电子处理单元，所述射频信号发射器用于发射具有卫星信号的特征的欺诈信号。更具体而言，电子处理单元被布置成从卫星信号接收器的实际初始位置来产生欺诈信号，当欺诈信号被卫星信号接收器捕获时，该欺诈信号导致卫星信号接收器计算出错误的位置。卫星信号接收器的实际初始位置可以例如借助于激光测距仪来检测，或者如某些导航规则，特别是空中和海上规则所强制实行的，(由交通工具发射的ADS-B或AIS信号，以将其位置传达给附近交通工具)，由嵌入有卫星信号接收器的交通工具来传达。

为了使卫星信号接收器考虑欺诈信号，以大于原始卫星信号功率的功率来发射欺诈信号是不够的。欺诈信号还必须具有与卫星信号接收器先前接收的卫星信号相同的码相位和位于与其相同的范围内的多普勒效应。如果第一个接收到的欺诈信号与卫星信号接收器计算得到的最新位置和先前接收到的卫星信号一致，并且如果随后接收到的欺诈信号彼此一致，则欺诈信号将被卫星信号接收器使用，就好像它们是真卫星信号一样，并且与卫星信号接收器的实际位置有关的错误不能被检测到。

混合惯性导航系统是已知的，其合并来自导航惯性单元的惯性定位数据和来自卫星信号接收器的卫星定位数据。这些导航系统集成了所布置的一个或多个卡尔曼滤波器，使得混合导航被重置在卫星定位数据上。卡尔曼滤波器由创新测试来保护，以检测异常值并拒绝它们。然而，如果欺诈信号具有足够的一致性，则它们可以满足这种创新测试，并且因此使混合导航遵循欺骗位置是可能的。此外，如果希望避免虚假警报，则有必要实现相对高的检测阈值，这增加了欺骗风险。然而，在这些系统中，这些是卫星定位数据，其使得长期补偿惯性定位数据的误差成为可能，使得尽管卫星定位数据与惯性定位数据相混合，但欺诈信号也将导致导航错误。

因此可理解，此类欺骗装置的实现可能对被欺骗交通工具的安全性是有害的，也可能对与被欺骗交通工具在同一区域内行驶的其他交通工具的安全性有害。

发明目标

本发明的具体目的是限制欺骗操作对混合导航的影响。

发明内容

为此，提供了一种根据本发明的借助于嵌入在交通工具中的卫星信号接收器的导航方法，所述交通工具包括连接到所述卫星信号接收器和惯性定位单元的电子导航单元，所述电子导航单元用于计算操作导航，所述操作导航是基于惯性定位数据和卫星定位数据通过应用创新测试来被混合的，所述方法包括以下步骤：

计算第一参考导航，所述第一参考导航基于惯性定位数据与在卫星定位数据的基础上确定的位置校正来被混合；

基于非卫星定位数据来计算第二参考导航；

执行由所述第一参考导航提供的位置校正的累积；

检测所述卫星信号接收器的欺骗操作，并且在已经将在检测到所述欺骗操作期间由所述第二参考导航提供的位置重置成由所述操作导航提供的位置并且随后已经根据所述位置校正的累积来校正了这一位置以获得紧急导航的起始位置之后，使用所述第二参考导航来作为所述紧急导航。

如果欺骗操作正在进行，则由第一参考导航提供的位置校正是欺诈性的。因此，在检测到欺骗操作时知道欺诈位置校正的累积，通过减去由操作导航提供的位置的这一累积来校正操作导航是可能的。然而，如果操作导航被使用，则欺骗操作所导致的速度误差未被校正。通过使用基于起始位置的第二参考导航，该起始位置在根据位置校正的累积进行校正之后被重置为由操作导航提供的起始位置，获得持续的紧急导航而没有由于欺骗而导致的速度误差是可能的，其相对接近所遵循的实际轨迹。

本发明还旨在提供一种被编程成实现上述方法的电子导航单元。

在阅读了以下对本发明的特定且非限制性实施例的描述之后，本发明的其他特征及优点将变得显而易见。

附图说明

参考附图，在附图中：

图1是在欺骗操作期间用于实现本发明方法的装置的示意图；

图2是由不同导航提供的路径在水平面上的示意图。

具体实施方式

参考该附图，在这一情形中，本发明被描述为应用于装配有概括引用为10的混合导航系统的飞行器1，该混合导航系统包括连接到电子导航单元40的卫星信号接收器20和惯性定位单元30。

卫星信号接收器20以本身已知的方式被布置成接收由至少一个卫星定位系统(GNSS)(诸如GPS、Galileo、GLONASS和北斗)的卫星星座S的卫星所发射的卫星定位信号，并且基于这些卫星信号来计算卫星定位数据，诸如伪距离、相位测量、纬度、经度、海拔和时差。这样的接收器本身是已知的。

惯性单元30包括惯性测量单元，该惯性测量单元包括惯性传感器，在这一情形中，惯性传感器常规地是沿着测量系统的轴线设置的三个加速度计以及设置成测量该测量系统相对于参考系统的旋转的三个陀螺仪。惯性定位单元30还以本身已知的方式包括电子处理单元(能够进行计算的处理器或其他电子电路)，该电子处理单元被布置成基于惯性传感器产生的测量信号来确定惯性定位数据，诸如位置数据、海拔和速度。这样的单元本身是已知的。

电子导航单元40包括一个或多个处理器和包含至少一个程序的存储器，该程序包含实现本发明的方法的指令。具体而言，电子导航单元40被编程成在预定时刻通过使用在这些时刻中的每一时刻由卫星信号接收器20和惯性测量单元30提供的定位数据来计算交通工具的通过点的坐标(纬度和经度)。所有这些点都形成了路线或路径，通常称为“导航”，它必须与交通工具遵循的实际路径尽可能接近。

在该程序的执行期间，电子导航单元40计算基于惯性定位数据和卫星定位数据来混合的主操作导航。混合导航可以基于位置(和/或速度)上的松散耦合或伪距离(和/或者距离差值)上的紧密耦合。为了实现混合，该程序实现卡尔曼滤波器，该滤波器包括滤波器组并受到旨在验证卫星定位数据彼此一致性的创新测试的保护。创新测试本身是已知的，并且使得检测和拒绝异常值成为可能。

主操作导航被用在标称模式中来控制交通工具，以使交通工具遵循预定路线。

本发明的方法旨在检测欺骗操作，在该欺骗操作期间，知道飞行器1的实际位置的欺骗装置D(在这一情形中是在地面上)发射欺诈卫星信号，该欺诈卫星信号旨在由卫星信号接收器20接收并在混合导航的计算中被考虑来代替真实的卫星信号，以引导飞行器1经过与导航系统所指示的路径不同(即与主操作导航不同)的实际路径。欺骗装置D的结构和操作本身是已知的，并且在这种情况下将不再进一步描述。

为了检测这种欺骗操作，电子导航单元40还被布置成执行欺骗检测过程，在这种情况下，这些过程被有利地组合。

为了实现本发明的欺骗检测方法，并且无论实现什么过程，电子导航单元40都计算另一导航，即基于惯性定位数据与在卫星定位数据的基础上确定的位置校正相混合的第一参考导航。因此，第一参考导航被重置在卫星定位数据上。

第一参考导航不是操作导航：它只是用来检测欺骗。为了迫使第一参考导航对欺骗敏感(或受到欺骗)，创新测试被停用。

所实现的前两个检测过程需要：

恢复由第一参考导航提供的在纬度和经度上的位置校正；

对第一参考导航所提供的位置校正进行统计分析，并从中推断出卫星信号接收器的欺骗操作的存在或不存在。

在混合的第一参考导航的发展过程中，电子导航单元40周期性地确定基于惯性定位数据计算得到的纯惯性位置与基于卫星定位数据计算得到的纯卫星位置之间的位置校正。这些是为了检测欺骗而恢复的连贯位置校正。在开环滤波器的情况下，这些校正可以如它们被估计的那样被保持，或者在闭环滤波器的情况中，在每个时刻将校正应用于计算得到的惯性导航。

根据第一检测过程，统计分析包括由第一参考导航提供的位置校正的累积和所累积的位置校正的平均值的计算。在这种情况下，位置校正的累积是在滑动时间窗口上执行的，例如三分钟历时的时间窗口。将注意，校正的累积有利地提供了当欺骗存在时由欺骗引起的定位误差的相关图像。

然后进行位置校正的累积与第一预定阈值的比较。第一阈值被固定为对应于可接受的上限，使得计算得到的累积与考虑到可接受的虚假警报概率和可接受的漏检(non-detection)概率的随机位置误差的累积相对应。还考虑了所考虑的值的正态统计特征(均值和标准差)，即在没有欺骗的情况下。

当平均值大于第一阈值时，确认欺骗操作的存在。

根据第二检测过程，统计分析包括计算由第一参考导航提供的纬度上的位置校正和经度上的位置误差之间的相关性系数。

然后将相关性系数与第二预定阈值进行比较。第二阈值被固定为对应于可接受的上限，使得计算得到的相关性系数与考虑到可接受的虚假警报概率和可接受的漏检概率的随机位置校正的累积相对应。

当相关性系数大于第二阈值时，确认欺骗操作的存在。

或者，根据第二过程，统计分析包括基于由第一参考导航提供的纬度上的位置校正和经度上的位置校正来确定连贯的校正方向。

然后计算校正方向的变异系数，并将其与第三预定阈值进行比较。在这种情况下，变异系数是方差。第三阈值被固定为对应于可接受的下限，使得计算得到的变异系数与考虑到可接受的虚假警报概率和可接受的漏检概率的随机位置误差的变异系数相对应。

当变异系数小于第三阈值时，确认欺骗操作的存在。

将注意，如果存在与水平速度校正(传统上称为Vx和Vy)的相关性，则也可以对其进行监测，该相关性可以使得能够检测欺骗操作，像纬度上的位置校正和经度上的位置校正之间的相关性一样。

根据第三检测过程，电子导航单元40仅基于惯性定位数据来计算第二参考导航。

第二参考导航可以由非重置卡尔曼滤波器的实现来得到。

电子导航单元40然后比较第一参考导航的输出和第二参考导航的输出，并从中推断出卫星信号接收器的欺骗操作的存在或不存在。

在第一参考导航中，卡尔曼滤波器被配置成将导航重置在卫星数据上，使得在欺骗的情况下，卡尔曼滤波器将产生惯性传感器误差的异常建模。因此，第一参考导航被迫遵循卫星数据，即使它们会是错误的。具有第一参考导航和第二参考导航使得将惯性导航的动力学与被迫遵循卫星数据的混合导航的动力学进行比较成为可能。

电子导航单元40被布置成确定来自第一参考导航的速度和来自第二参考导航的速度之间的差，并将该差与预定阈值进行比较。预定阈值等于根据速度差分布律计算得到标准偏差的倍数，该倍数优选地是4。

根据第四欺骗检测过程，电子导航单元40被布置成基于第一参考导航来估计非卫星定位单元的至少一个惯性传感器的至少一个误差估计，并且将该估计与预定阈值进行比较。在这种情况下，电子导航单元40被布置成针对第一参考导航估计至少一个陀螺仪漂移，并将所估计的陀螺仪漂移与预定阈值进行比较。在这种情况下，这里估计了三个陀螺仪漂移：

--两个水平漂移；--一个航向漂移。

对于这三个漂移中的每一者，预定阈值等于基于漂移分布律计算得到的标准偏差的倍数，该倍数优选地等于4。

将注意，使用不是固定的但基于由混合滤波器计算得到的标准偏差的阈值使得通过考虑所计算的导航的当前质量，并从而通过考虑非重置导航的自然特征(舒勒周期，24小时振荡)来提高欺骗检测的灵敏度是可能的。

根据第五检测过程，监测主操作导航(其实现创新测试)，以确保创新测试不会恢复大于表示异常的预定阈值的拒绝率。

当其中一个检测过程揭示了欺骗操作时，它返回警报。将注意，诸检测过程由同一计算机程序同时执行，使得所有检测过程同时且独立地活跃。

然而，第一和第二过程使得能够比其他过程更快地检测欺骗操作，使得后者将更经常地用于对检测进行确认。为了提高检测速度并确保位置校正的累积不超过水平保护极限(通常称为HPL)，如果有水平保护极限，就像民航中常见的情况一样，优选地将选择相对低的检测阈值，即使这意味着增加虚假警报的概率。

还将注意，第二过程通常比第一过程更快。

在该特定实施例中，本发明的方法将诸检测过程的结果相组合来评估威胁的可信度。

因此，电子导航单元40可以被编程成一旦检测过程之一已经标识出异常行为就发出可信的威胁警报。警报也可以有不同的级别，根据这些级别：

-第四检测过程已经针对所监测的惯性传感器中的至少一者发出警报；

-第四检测过程已经针对所监测的惯性传感器中的若干者同时发出警报；

-第四检测过程已经针对所监测的所有惯性传感器同时发出警报；

-主操作导航(其实现创新测试)恢复异常拒绝率。

电子导航单元40被布置成确立威胁的得分，每当上述准则之一被满足时该得分就加1。因此，该得分可以在1和7之间，并且；

可以认为：

-等于1或2的得分表示几乎不可信的威胁；

-等于3或4的得分表示潜在威胁；

-至少等于5的得分表示可信的威胁存在。

将注意，保持这两个参考导航的不同操作导航是重要的，因为卫星信号接收器可能会受到数十分钟的欺骗操作：因此，仅依靠来自其的惯性定位数据来确保导航是不可能的。

在这种情况下，本发明进一步提供了在欺骗操作的时间内校正操作导航以获得操作紧急导航。

事实上，如果检测到欺骗操作，并且认为它对于欺骗主操作导航已经足够有效，则不再可能依赖主操作导航，并且第二惯性导航在几分钟内是不可使用的。因此，具有操作紧急导航是很有兴趣的。

操作应急导航的计算可以限于通过使用位置校正的累积来重置主操作导航。然而，欺骗操作引起的速度误差不会得到校正。

根据本发明的特定特征，操作紧急导航是基于第二参考导航，并且操作紧急导航的计算包括以下步骤：

在检测到欺骗操作的时刻，在主操作导航上重置第二参考导航以获得经校正位置，并且根据基于第一参考导航计算得到的位置校正的累积来重置正确位置以获得操作紧急导航的起始位置；

基于由第二参考导航提供的速度信息来确定后续位置。

在图2中，示出了以下内容：

交通工具的实际路径Tv；

来自主操作导航的路径N_op；

来自操作紧急导航的路径N_op’；

来自第一参考导航的路径N_ref1；

来自第二参考导航的路径N_ref2。

来自主操作导航的路径N_op保持接近真实路径，直到欺骗操作开始tl：从这一刻起，路径N_op逐渐远离实际路径T_v，就像来自第一参考导航的路径N_ref1从欺骗操作开始从实际路径T_v延伸一样。

在检测到欺骗操作的时刻tld，操作紧急导航开始：基于检测到欺骗操作的时刻的惯性定位数据来计算的位置P_in被重置在与主操作导航在同一时刻提供的位置相对应的位置P'上。然后根据基于第一参考导航计算的位置校正的累积∑Dx来校正位置P’，以获得操作紧急导航的起始位置P_d。基于起始位置P_d和由第二参考导航提供的速度信息来计算来自操作紧急导航的路径N_op’的后续位置。

可以理解，第二参考导航一方面用于检测欺骗操作，然后在重置之后形成操作紧急导航。这种重置使得操作紧急导航能够提供接近交通工具的实际位置的起始位置P_d，并且随后定义的位置本身相对接近交通工具的实际位置，正如它们已经从经重置位置通过使用未被欺骗的速度信息(由于由不受欺骗操作影响的惯性定位数据构成)计算得到的那样。在这种情况下，操作紧急导航仅在在期间检测到欺骗操作的持续时间Dld内使用。

因此，重要的是能够检测到欺骗操作的结束tld’，以便再次且自信地使用主操作导航来引导交通工具。通常，在卫星信号接收器20逃脱欺骗操作的时候(通常，因为卫星信号接收机20到达欺骗装置D的可达范围之外，或者所述装置D已经停止)，第一参考导航提供的位置相对于第一参考导航所提供的先前位置很大地偏移(考虑到交通工具的速度和操纵能力，这应该被称为异常偏移)。因此，这种突然的位置偏移(这可在图2中在E处看到：路径N_ref1中也引用了一个层级(level))可以用作停止使用操作紧急导航的信号并使用主操作导航重新启动。

根据本发明的一附加特征，当第一参考导航提供的路径突然返回到来自操作紧急导航的路径N_op’时，操作紧急导航的使用被中断。换句话说，通过在由第一参考导航提供的路径中创建层级，由第一参考导航提供的位置突然接近由操作紧急导航所提供的位置。

当检测到这样的层级时，欺骗操作被视为结束：操作紧急导航被放弃，以利于再次使用主操作导航来引导交通工具。

自然地，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖了落入如由权利要求书限定的本发明范围内的任何变型。

具体而言，交通工具的导航系统可以不同于所描述的导航系统。

交通工具可以装配有多个惯性单元，每个惯性单元都提供惯性导航。可以使用这些惯性导航中的每一者作为参考导航来检测欺骗：因此，将有很多不同检测过程，这些过程将被组合起来以确保统一的检测。在一变型中，惯性导航中的仅一些可被用作参考导航。在又一变型中，使用这些惯性导航中的全部或一些的均值来形成用于检测欺骗的参考导航。

电子导航单元可以被集成在惯性定位单元中：因此可以使用一台计算机。

此外，为了计算不同的指标(累积和校正方向)，第一参考导航可以实现创新测试。因此，操作导航(具有创新测试)可以被用作第一参考导航，从而简化了该解决方案的体系结构并且不利于检测性能的退化。操作导航和第一参考导航实际上只有一个，操作导航具有双重功能：使得引导交通工具并作为计算不同指标(累积和校正方向)的基础成为可能。然而，优选地，第一参考导航不同于操作导航，并且不实现对欺骗更敏感的创新测试。

对于被布置成从若干卫星定位系统(GNSS)的卫星接收卫星信号的卫星接收器的应用，将有利地提供用于检测这些系统中的每一者的欺骗。

预定速度阈值可以不同于上述速度阈值，并且例如等于：

-基于速度差分布律计算得到的标准偏差的倍数，该倍数优选地是3；

-预定速度差值，优选地是大约3米每秒。

电子导航单元40被布置成针对第一参考导航估计至少一个加速度计偏差，并将所估计的加速度计偏差与预定阈值进行比较。

独立于其他过程，该方法可以包括以下步骤：

-确定来自第一参考导航的速度和来自第二参考导航的速度之间的差，并将该差与预定阈值进行比较；

-基于第一参考导航来估计至少一个加速度计偏差并将其与预定阈值进行比较；

-基于第一参考导航来估计至少一个陀螺仪漂移并将其与预定阈值进行比较；

-在超过诸预定阈值之一的情况下发出警报。

可以(但不是强制性的)将最低得分归因于第一次阈值超越，并在每次超过另一阈值时提高最低得分，欺骗操作存在的概率与超越的次数成比例。

该方法可以包括以下步骤：

-基于第一参考导航来估计惯性定位单元的传感器误差；

-将每个传感器的误差估计与预定阈值进行比较；

-根据阈值超越的次数来发出警报，欺骗操作存在的概率与超越的次数成比例。

尽管检测过程的组合是非常有效的，但是本发明适用于使用这些导航过程中的仅一者，或者相关联的两个或更多个导航过程。

该程序可以实现一个或多个卡尔曼滤波器。

打分系统可与所描述的不同。在实现N个检测过程的情况下，可以规定得分从1到N的变化，其中：

--小于N/3的得分表示几乎不可信的威胁；

-N/3和2N/3之间的得分表示潜在威胁；

-大于2N/3的得分表示威胁的可信存在。

其他打分选择也是可能的，以限制虚假警报或漏检的风险。

位置校正可以被累积达不同于上述的持续时间。例如，位置校正的累积可以从电子导航单元的开启开始执行，而不再在滑动时间窗口上执行。

方差的相反数可以被用作变异系数，并与第三阈值相比较：如果所述系数大于该阈值(并且在直接使用该方差时不再小于该阈值)，则检测到欺骗操作的存在。此注释对与阈值相比较的所有值都有效。

Claims

1.一种借助于嵌入在交通工具中的卫星信号接收器(20)的导航方法，所述交通工具包括连接到所述卫星信号接收器和惯性定位单元(30)的电子导航单元(40)，所述电子导航单元用于计算操作导航，所述操作导航是基于惯性定位数据和卫星定位数据通过应用创新测试来被混合的，所述方法包括以下步骤：

基于非卫星定位数据来计算第二参考导航；

执行由所述第一参考导航提供的位置校正的累积；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一参考导航不实现创新测试。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括检测所述欺骗操作的结束的步骤和返回到操作导航的后续步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述第一参考导航提供具有层级的轨迹时，认为检测到所述欺骗操作的结束。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述第一参考导航提供如下轨迹时认为检测到所述欺骗操作的结束：所述轨迹具有将所述轨迹带回到由所述紧急操作导航提供的位置的层级。

6.一种包括电子导航单元的导航系统，所述电子导航单元被编程成实现根据前述权利要求中的任一项所述的方法。