CN117111103A - 一种欺骗干扰检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及信号处理技术领域，且公开了一种欺骗干扰检测方法，包括以下步骤：步骤一：在接收机当前工作环境已知安全时，利用安全的导航信号进行定位解算，求解出本地PNT信息，得到钟差序列，步骤二：时钟驯服模块利用该钟差序列，结合时钟模型，拟合求得本地高精度时钟模型参数。该欺骗干扰检测方法及装置，通过使用外部高精度时钟为基准检测欺骗干扰状态，具有较高的准确性和可靠性，只需在接收机射频模块中设计时钟切换电路，无需增加较多硬件电路，硬件成本小，通过在时钟域检测工作状态时，为接收机在基带信号处理架构之外，提供了另一种欺骗干扰检测途径，可极大提高欺骗干扰检测的准确性，提高卫星导航结果的完好性。

Description

一种欺骗干扰检测方法及装置
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体为一种欺骗干扰检测方法及装置。
背景技术
在传统的卫星导航接收应用中，压制干扰和欺骗干扰是常见的导航干扰技术，其中压制干扰类干扰常通过阵列天线进行对抗和消除，欺骗干扰由于其信号近真实而较难以识别并对抗。
常规的欺骗干扰对抗方法常在卫星导航信号捕获和跟踪阶段，通过设计专门的软件检测信号时域特征，利用欺骗信号同真实信号间的相位延迟识别欺骗信号。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种欺骗干扰检测方法及装置，具备欺骗干扰检测的优点，解决了常规的欺骗干扰对抗方法常在卫星导航信号捕获和跟踪阶段，通过设计专门的软件检测信号时域特征，利用欺骗信号同真实信号间的相位延迟识别欺骗信号的问题。
(二)技术方案
为实现上述欺骗干扰检测的目的，本发明提供如下技术方案：一种欺骗干扰检测方法，包括以下步骤：
步骤一：在接收机当前工作环境已知安全时，利用安全的导航信号进行定位解算，求解出本地PNT信息，得到钟差序列；
步骤二：时钟驯服模块利用该钟差序列，结合时钟模型，拟合求得本地高精度时钟模型参数；
步骤三：在本地时钟完成驯服后，时钟趋于长期稳定且参数收敛，若接收机进入不安全的工作环境，立即进入欺骗干扰检测状态；
步骤四：锁定本地时钟，使用已求得的时钟参数按时钟模型递推得到本地时间，不再使用解算的钟差调整本地时间；
步骤五：同时检测解算钟差同本地时钟递推钟差间差异，若差异大于检测门限，则判定为接收机受欺骗干扰影响，定位解算结果不可信，同时输出欺骗干扰告警信息。
优选的，步骤二所述时钟模型为：
Δti＝a0+a1(ti-t0)+a1(ti-t0)2+Δi(i＝1，2..n)
其中，Δti为ti时刻时钟钟差，t0为参考时刻，参数a0、a1、a2时钟模型参数，分别表示时钟钟差、钟速、钟漂，Δi为测量误差。
优选的，所述时钟模型中测量误差Δi趋于白噪声特性，无法预测且可忽略，参数a0、a1、a2可通过已求得的钟差序列Δti反向拟合求得。
优选的，步骤一所述接收机的硬件电路采用常规的电路，其包括：
射频通道模块、高精度时钟模块、模数采样电路和导航解算模块；
所述射频通道，用于将卫星导航信号下变频到中频；同时产生本地其他数字电路(模数采样电路ADC、基带处理电路等)的驱动时钟，射频通道模块的接收通道，可接收但不限于北斗系统B1(B1I、B1Q)、B2(B2I、B2Q)、B3(B3I、B3Q)，GPS系统L1C/A，GLONASS系统G1C、G2C等卫星信号，不同的卫星信号频率可通过基带信号处理对应的频率控制接口进行复用切换，也可以通过硬件电路的多通道设计并行实现；
所述高精度时钟作为本地时钟源，保证在较长的时间内，按时钟模型拟合的参数准确且可用；
所述模数采样电路，用于将下变频后的模拟中频信号数字化后，送基带处理电路进行后续处理；
所述导航解算模块，下达捕获、跟踪命令，控制基带处理识别并跟踪存在的卫星信号。
优选的，所述射频模块负责模拟信号处理，包括射频、中频和时钟信号；所述信号处理模块负责数字信号处理，包括基带信号处理、导航解算、欺骗检测和接口处理。
优选的，所述射频模块主要含两部分电路，分别为：下变频通道和时钟电路；
所述下变频通道常将频率范围划分为1.2GHz、1.6GHz两个大频段，下变频通道使用时钟电路产生的本地时钟为参考时钟；
所述时钟电路主要产生下变频通道和基带信号处理电路的参考时钟，具体实施时常采用10MHz频率为基准。
优选的，所述射频模块内设计有温补晶振作为本地时钟源，当无外部可用时钟时，使用本地钟，当外部10MHz输入有效时，需要切换为使用外部时钟。
优选的，所述信号处理电路含模数转换电路ADC和基带处理电路等硬件电路。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种欺骗干扰检测方法及装置，具备以下有益效果：
1、该欺骗干扰检测方法及装置，通过使用外部高精度时钟为基准检测欺骗干扰状态，具有较高的准确性和可靠性，只需在接收机射频模块中设计时钟切换电路，无需增加较多硬件电路，硬件成本小。
2、该欺骗干扰检测方法及装置，通过在时钟域检测工作状态时，为接收机在基带信号处理架构之外，提供了另一种欺骗干扰检测途径，可极大提高欺骗干扰检测的准确性，提高卫星导航结果的完好性。
附图说明
图1为本发明欺骗干扰检测算法流程图；
图2为高精度时钟和常规时钟引起的时钟偏差概率分布曲线；
图3为使用高精度时钟时欺骗干扰引起的时钟偏差曲线；
图4为本发明欺骗干扰检测装置原理框图；
图5为时钟电路原理框图；
图6为高精度时钟的钟漂概率分布曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，一种欺骗干扰检测方法，方法，包括以下步骤：
步骤一：在接收机当前工作环境已知安全时，利用安全的导航信号进行定位解算，求解出本地PNT信息，得到钟差序列；
步骤二：时钟驯服模块利用该钟差序列，结合时钟模型，拟合求得本地高精度时钟模型参数；
步骤三：在本地时钟完成驯服后，时钟趋于长期稳定且参数收敛，若接收机进入不安全的工作环境，立即进入欺骗干扰检测状态；
步骤四：锁定本地时钟，使用已求得的时钟参数按时钟模型递推得到本地时间，不再使用解算的钟差调整本地时间；
步骤五：同时检测解算钟差同本地时钟递推钟差间差异，若差异大于检测门限，则判定为接收机受欺骗干扰影响，定位解算结果不可信，同时输出欺骗干扰告警信息。
在案例实施中，步骤二时钟模型为：
Δti＝a0+a1(ti-t0)+a1(ti-t0)2+Δi(i＝1，2..n)
其中，Δti为ti时刻时钟钟差，t0为参考时刻，参数a0、a1、a2时钟模型参数，分别表示时钟钟差、钟速、钟漂，Δi为测量误差，时钟模型中测量误差Δi趋于白噪声特性，无法预测且可忽略，参数a0、a1、a2可通过已求得的钟差序列Δti反向拟合求得。
在案例实施中，步骤一接收机的硬件电路采用常规的电路，其包括：射频通道模块、高精度时钟模块、模数采样电路和导航解算模块；
射频通道用于将卫星导航信号下变频到中频；同时产生本地其他数字电路(模数采样电路ADC、基带处理电路等)的驱动时钟，射频通道模块的接收通道，可接收但不限于北斗系统B1(B1I、B1Q)、B2(B2I、B2Q)、B3(B3I、B3Q)，GPS系统L1C/A，GLONASS系统G1C、G2C等卫星信号，不同的卫星信号频率可通过基带信号处理对应的频率控制接口进行复用切换，也可以通过硬件电路的多通道设计并行实现，通道设计中，带通滤波器选型，带通滤波器和低噪声放大器先后顺序，带通滤波器和自动增益控制电路先后顺序，无显性规定，常按照性能需求折中考虑；
高精度时钟作为本地时钟源，保证在较长的时间内，按时钟模型拟合的参数准确且可用，在成本和空间足够时，可直接在接收机射频模拟通道中设计使用高精度时钟，在成本或布板面积有限时，可采用射频模块设计的时钟切换电路，将本地时钟源由本地普通时钟切换为外部输入的高精度时钟，亦可达到相同的技术效果；
模数采样电路，用于将下变频后的模拟中频信号数字化后，送基带处理电路进行后续处理；
导航解算模块，下达捕获、跟踪命令，控制基带处理识别并跟踪存在的卫星信号，在观测量中断控制的时间节拍下，接收基带信号处理产生的观测量数据、实时时间、用户接口信息等数据；解析导航电文传输的卫星位置等信息、系统状态、电离层信息等空间状态；可选择地使用最小二乘法/卡尔曼滤波算法，实现位置、速度、时间解算；产生本地时钟的钟差、钟漂，控制基带信号处理跟踪系统时间。
在案例实施中，射频模块主要含两部分电路，分别为：下变频通道和时钟电路；
下变频通道常将频率范围划分为1.2GHz、1.6GHz两个大频段，下变频通道具有相似的实施结构，信号输入后首先使用带通滤波器滤除带外噪声及干扰，带通滤波器按不同的功能需求，常又称为预选滤波器、抗混叠滤波器，按实现方式可采用LC滤波器、声表面滤波器、介质滤波器等，不同的称谓或实现方式不具有原理性区别，射频信号滤波后进行放大、下变频、中频放大等处理，得到模拟中频信号，下变频通道使用时钟电路产生的本地时钟为参考时钟；
时钟电路主要产生下变频通道和基带信号处理电路的参考时钟，具体实施时常采用10MHz频率为基准，接收装置正常工作时，信号处理电路内部逻辑电路(ADC、捕获引擎、跟踪通道等)需要同射频单元工作在同一时钟域内，即使用同一参考时钟(10MHz)。
在案例实施中，射频模块内设计有温补晶振作为本地时钟源，当无外部可用时钟时，使用本地钟，当外部10MHz输入有效时，需要切换为使用外部时钟，当外部10MHz输入有效时，需要切换为使用外部时钟，时钟电路使用检波器监控输入10MHz时钟端口上信号电平，若信号电平大于设置门限值(0.8V)，判定为输入时钟有效，选择器断开本地温补晶体振荡器时钟，连通外部输入时钟至频率综合器，完成外部、本地时钟切换，同时给出使用外部时钟标志。
在案例实施中，信号处理电路含模数转换电路ADC和基带处理电路等硬件电路，信号处理流程中，基带信号处理含捕获、跟踪、导航解算算法等方法同常规的卫星导航接收处理过程相同，导航解算完成且得到PNT结果后，按当前接收装置工作状态不同，对本地时间的处理方式不同，当接收装置工作在安全稳定的环境中时，信号处理流程通常规接收机相同，使用导航解算的钟差修正本地时间，并行的，若此时检测到外时钟标志有效，表明当前本地时钟为高精度时钟，可同时使用解算结果进行本地时钟模型拟合，此过程可一直持续进行，合理且较长的驯服时间可得到较为准确的时钟模型，本地时钟模型解算完成后，且接收装置进入危险工作环境，可受控进入欺骗干扰检测流程。
在案例实施中，了更清楚的体现本实施方案的优势，分析一个具体实例的一次测试数据进行说明，具体请参见图1-图3；
如图6所示，该次测试所用外部时钟为高精度恒温晶振，钟漂约为-1.1ns每秒，由该次测试结果图2和3可知，使用外部高精度时钟且参数锁定后，因模型误差存在递推时间同真实时间的误差逐渐累积，3小时内递推误差小于50ns，参考时钟稳定性越高，此累积误差越小，由1.5个码片的转发干扰引起的时钟偏差约150～120ns，选择判决门限为100ns，则3小时内检测概率为100％，虚警率、漏检率为0，由转发干扰引起的时间误差叠加递推误差影响，前述结果的时钟驯服时间约为120s，若加长时钟模拟的驯服时间，可得到更高精度的时钟参数，则长期递推误差将更小，检测将更加准确。
具体使用时，若欺骗干扰(转发干扰)引起的延时大于1.5码片，则递推时钟钟差同测量钟差分离更为显著，识别置信度更高。
具体使用时，若外部时钟(或内部高精度时钟)具有更高的时钟精度和稳定度，则时钟参数模型拟合更为准确，按模型进行长时间时钟钟差递推结果更为准确，钟差判决门限可选择较小值，可显著降低检测的虚警率。
综上所述，该欺骗干扰检测方法及装置，通过使用外部高精度时钟为基准检测欺骗干扰状态，具有较高的准确性和可靠性，只需在接收机射频模块中设计时钟切换电路，无需增加较多硬件电路，硬件成本小。
并且，在时钟域检测工作状态，为接收机在基带信号处理架构之外，提供了另一种欺骗干扰检测途径，可极大提高欺骗干扰检测的准确性，提高卫星导航结果的完好性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种欺骗干扰检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在接收机当前工作环境已知安全时，利用安全的导航信号进行定位解算，求解出本地PNT信息，得到钟差序列；
步骤二：时钟驯服模块利用该钟差序列，结合时钟模型，拟合求得本地高精度时钟模型参数；
步骤三：在本地时钟完成驯服后，时钟趋于长期稳定且参数收敛，若接收机进入不安全的工作环境，立即进入欺骗干扰检测状态；
步骤四：锁定本地时钟，使用已求得的时钟参数按时钟模型递推得到本地时间，不再使用解算的钟差调整本地时间；
步骤五：同时检测解算钟差同本地时钟递推钟差间差异，若差异大于检测门限，则判定为接收机受欺骗干扰影响，定位解算结果不可信，同时输出欺骗干扰告警信息。
2.根据权利要求1所述的一种欺骗干扰检测方法，其特征在于：步骤二所述时钟模型为：
Δti＝a0+a1(ti-t0)+a1(ti-t0)2+Δi(i＝1,2...n)
其中，Δti为ti时刻时钟钟差，t0为参考时刻，参数a0、a1、a2时钟模型参数，分别表示时钟钟差、钟速、钟漂，Δi为测量误差。
3.根据权利要求2所述的一种欺骗干扰检测方法，其特征在于：所述时钟模型中测量误差Δi趋于白噪声特性，无法预测且可忽略，参数a0、a1、a2可通过已求得的钟差序列Δti反向拟合求得。
4.根据权利要求1所述的一种欺骗干扰检测方法，其特征在于：步骤一所述接收机的硬件电路采用常规的电路，其包括：射频通道模块、高精度时钟模块、模数采样电路和导航解算模块；
所述射频通道，用于将卫星导航信号下变频到中频；同时产生本地其他数字电路(模数采样电路ADC、基带处理电路等)的驱动时钟，射频通道模块的接收通道，可接收但不限于北斗系统B1(B1I、B1Q)、B2(B2I、B2Q)、B3(B3I、B3Q)，GPS系统L1C/A，GLONASS系统G1C、G2C等卫星信号，不同的卫星信号频率可通过基带信号处理对应的频率控制接口进行复用切换，也可以通过硬件电路的多通道设计并行实现；
所述高精度时钟作为本地时钟源，保证在较长的时间内，按时钟模型拟合的参数准确且可用；
所述模数采样电路，用于将下变频后的模拟中频信号数字化后，送基带处理电路进行后续处理；
所述导航解算模块，下达捕获、跟踪命令，控制基带处理识别并跟踪存在的卫星信号。
5.一种欺骗干扰检测装置，包括射频模块和信号处理模块，其特征在于：所述射频模块负责模拟信号处理，包括射频、中频和时钟信号；所述信号处理模块负责数字信号处理，包括基带信号处理、导航解算、欺骗检测和接口处理。
6.根据权利要求5所述的一种欺骗干扰检测装置，其特征在于：所述射频模块主要含两部分电路，分别为：下变频通道和时钟电路；
所述下变频通道常将频率范围划分为1.2GHz、1.6GHz两个大频段，下变频通道使用时钟电路产生的本地时钟为参考时钟；
所述时钟电路主要产生下变频通道和基带信号处理电路的参考时钟，具体实施时常采用10MHz频率为基准。
7.根据权利要求5所述的一种欺骗干扰检测装置，其特征在于：所述射频模块内设计有温补晶振作为本地时钟源，当无外部可用时钟时，使用本地钟，当外部10MHz输入有效时，需要切换为使用外部时钟。
8.根据权利要求4所述的一种欺骗干扰检测装置，其特征在于：所述信号处理电路含模数转换电路ADC和基带处理电路等硬件电路。
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