CN117793637A - 一种基于ul-aoa辅助的多星rtt定位验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于UL‑AOA辅助的多星RTT定位验证方法，属于非地面网络通信技术领域。包括1)通过三个及三个以上的卫星来对一个目标用户进行RTT定位，在每一个RTT测量过程中，除了要收集卫星端Tx‑Rx的和用户端的Rx‑Tx时间信息外，卫星端还要上报每次接收到信号的AOA信息；2)在RTT测量结束后，根据上报的时间信息，可以计算出用户的位置，并与现有的用户位置信息进行比对，若位置信息基本吻合，则RTT定位验证成功；3)根据得到的用户位置信息和每一次测量时卫星的位置信息来计算对应的角度值，并与卫星利用UL‑AOA方法测得的角度值进行比对；4)引入一个判断机制，如果有一半或一半以上的角度差值超出指定阈值，那就可以判断用户为恶意用户或是用户误报。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于UL-AOA(Up-link Arrival of Angle，UL-AOA，上行到达角)辅助的多星RTT(Round-Trip Time,RTT，增强型往返时延)定位验证方法，属于非地面网络(Non-terrestrial Network，NTN)通信技术领域。
背景技术
随着第五代通信技术的成熟以及第六代通信技术的提出，以卫星为代表的非地面通信系统逐渐成为3GPP讨论的热点，针对卫星用于定位验证方面的可行性也在诸多提案中得到了论证。
在NTN场景中，低轨卫星相对于地面网络具有更大的覆盖范围，在卫星覆盖区域中可能包含不同的国家、不同的核心网络，若用户发送恶意的信息或是错误信息对定位进行干扰，可能导致用户定位错误，接入未经允许的网络，或者造成用户定位失败。在现有的定位方案中，如果用户端上报了虚假的定位信息，很难在卫星或者网络部分判断其信息的真伪。
3GPP对现有的定位方案包括两类，一种为卫星来对用户位置进行定位，另一种为用户自己通过GNSS来进行定位并上报自己的位置信息。第一类方案有TDOA，RTT，E-CID等，通过用户上报的时间、角度等信息进行定位，然而此类方法对于用户定位估计的准确性较低，且难以有效处理用户端伪造信息处理时间进行定位干扰的问题。
在第二类方案中，用户通过无线资源控制器(Radio Resource Control，RRC)发送GNSS测量值进行定位，这种方法在用户上报信息可靠时更为有效且准确。具体方法为通过用户同时接收多颗卫星的信号，并测量它们的传播距离，因此用户可以获得多个距离数值。这些距离数值构成了用户与卫星之间的距离差分，被称为伪距。利用这些伪距信息，用户可以进行三角测量，通过交叉定位的方法计算出自身的精确位置。但这种方案至少有以下两个缺点：
1.用户报告的位置信息(例如由其GNSS接收器确定)可能由于故意(如用户或第三方恶意篡改)或无意(如干扰)原因而错误，因此不能被网络运营商认为是信任。
2.在接入层(Access Stratum，AS)安全建立之前，通过RRC发送GNSS度量会引发安全和隐私问题。
基于上述问题，需要一种辅助手段对用户上报信息进行二次确认因此可以结合RTT方案和UL-AOA方案来综合设计一种定位验证方案，保证用户位置信息的准确性，有效避免非地面网络中恶意用户的欺骗行为或者误报位置信息的行为。
发明内容
本发明的目的是在进行RTT定位验证后，对用户是否为恶意用户进行二次验证，避免恶意用户接入网络或者用户接入错误的网络。
本发明的核心思想为：通过三个及三个以上的卫星来对一个目标用户进行RTT定位，在每一个RTT测量过程中，除了要收集卫星端Tx-Rx的和用户端的Rx-Tx时间信息外，卫星端还要上报每次接收到来自用户的UL-SRS信号的到达角来进行AOA测量。首先使用信号时延估计的方法对阵列接收到的信号时延进行确定，结合信号的传播速度及阵列的几何分布即可获取到达角信息。然后，在RTT测量结束后，根据上报的时间信息，可以计算出用户的位置，并与现有的用户位置信息进行比对，若位置信息基本吻合，则RTT定位验证成功。然后，根据得到的用户位置信息和每一次测量时卫星的位置信息来计算对应的角度值，并与卫星利用UL-AOA方法测得的角度值进行比对，但是，由于UL-AOA方法用于NTN网络时会产生一定的误差，所以，引入一个判断机制，如果基于UL-SRS信号测量得到的UL-AOA角度值与基于RTT信息计算出的UL-AOA角度中有两次或两次以上的角度差值超出指定阈值，那就可以判断用户为恶意用户或是用户误报；若多次测量的角度均小于阈值，则定位验证成功。
本发明采用的技术方案具体为：
一种基于UL-AOA辅助的多星RTT定位验证方法，具体包括以下步骤：
步骤一：对多星RTT系统中至少三个卫星进行排序，并按照排序序号依次选取一颗卫星，向目标用户发送DL-PRS信号；
步骤二：目标用户接收到来自选定卫星的DL-PRS信号后进行处理，并向选定卫星发送DL-PRS信号，以及向网络端上报接收卫星DL-PRS信号到向卫星发送DL-PRS信号的时间差Rx-Tx信息，即目标用户处理收到DL-PRS信号的时间；
步骤三：选定卫星收到来自目标用户的UL-SRS信号后，记录向目标用户发送DL-PRS信号到接收目标用户DL-PRS信号的时间差Tx-Rx信息，即实施一个RTT测量周期所用的时间，同时记录下对应的入射角度信息，即UL-AOA信息，然后将卫星在接收到来自目标用户的UL-SRS信息时对应的Tx-Rx信息、UL-AOA信息以及卫星位置信息上报到网络端；
步骤四：网络端根据至少三个卫星各自的星历信息以及对应的Rx-Tx信息和Tx-Rx信息计算目标用户的位置，并与现有的目标用户位置信息进行比对，如果计算出的目标用户位置与现有的目标用户位置信息不符，则用户位置验证失败，基站释放与目标用户的连接，否则执行步骤五；
步骤五：如果目标用户位置验证成功，则进行目标用户是否为恶意用户或者上报了错误信息的二次验证，具体为：分别根据至少三个卫星上报的在接收到目标用户UL-SRS信息时对应的位置信息和基于RTT得到的用户位置信息，计算出对应的UL-AOA信息，通过比对每个卫星上报的UL-AOA信息和计算出的UL-AOA信息，确认目标用户是否为恶意用户或者上报了错误的信息；
步骤六：如果多次UL-AOA信息对比存在一半或一半以上角度差距超过设置的角度阈值的情况，则判定目标用户上报了虚假的位置信息，判定目标用户为恶意用户或者上报了错误的信息，并拒绝目标用户的访问，否则目标用户为合法用户。
进一步的，步骤四中用户的位置信息计算过程如下：
设用户位置为(x,y,z)，已知三个卫星位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)，得到如下方程组：
其中，Tc1_2、Tc2_2和Tc3_2分别对应为第一个卫星、第二个卫星和第三个卫星实施一个RTT周期所用的时间，Tc1_1、Tc2_1和Tc3_1分别对应为目标用户处理第一个卫星、第二个卫星和第三个卫星发送的DL-PRS信号所用的时间，c＝3×108为信号的传播速度；
通过求解方程组，得到目标用户位置的数值信息。
本发明与其他定位方案相比相比，具有如下有益效果：
1.本发明通过使用多个卫星对同一个用户进行RTT测量，相比于单个卫星进行多测量的方法具有更高的精度且测量周期的设置可以更加灵活；
2.本发明通过结合UL-AOA方案进行二次确认，能够有效应对来自用户的恶意或是错误上报时间处理信息，通过多次角度信息的比对，可以判断出用户上报信息的真伪；
3.本发明方案与UL-AOA结合能在一定程度上缓解相位模糊问题，排除测量中产生的用户镜像位置点。
附图说明
图1为本发明单次RTT测量的流程图；
图2为本发明实施例的多星RTT测量时接收的是恶意用户信息的定位示意图；
图3为本发明实施例的多星RTT测量时接收的是正确的用户信息的定位示意图；
图4为本发明实施例的多星RTT进行UL-AOA角度验证的示意图，每个卫星都需要进行一次UL-AOA的角度验证，该图是取了其中一次的结果。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
在NTN网络中，5G NR所涵盖的定位技术，例如：TDOA、TOA、RTT等等在NTN中不能对用户上报虚假信息这一情况做出判断，所以，如何在保持定位准确性的情况下判断用户是否为恶意用户或者上报错误的信息是研究的重点问题。
目前的主流定位方法有两种：
一种是TDOA技术，通过测量无线电信号到同一个卫星不同位置的时间差来对发射无线电信号的的发射源进行定位。但这项技术的定位精度很难达到R18协议中规定的10km的范围内；
一种是单卫星RTT技术，通过计算同一个卫星不同位置的往返时延来计算用户的位置，但是这项技术不能对恶意用户做出判断。
本发明通过利用UL-AOA技术来辅助RTT测量来判断来自用户的UL-SRS信号的入射角度是否与RTT测量所得到的结果相匹配，同时，通过使用多个卫星进行RTT和UL-AOA的测量来进行多次的角度验证，避免UL-AOA方案所存在的测量误差对用户信息真伪判断的影响。
实施例如下：
下面结合具体定位过程中说明如何应用本发明一种基于UL-AOA辅助的多星RTT定位验证方法来验证用户是否为恶意用户或者误报时间处理信息。
上海的经纬度坐标为大约为东经121度，北纬31度。北京的经纬度坐标为大约为东经116度，北纬40度。将以上两个位置投影到笛卡尔坐标系中，设置北京的相对位置为(500,0,0)，上海的相对位置(1588,0,0)。在假设中，用户的真实位置在上海，而其伪造位置在北京。为了提高其RTT的定位精度，在实施例中增加了三个卫星之间的间隔，最后，三个卫星的坐标设置为(500,-600,600)、(900,0,600)、(0,100,600)。
对于用户端，卫星的位置对于其来说是已知的，所以用户可以计算出伪造位置对应的上报Rx-Tx信息并进行上报。最终误导的定位结果如图2所示。为了应对这一情况，参照图1，基于UL-AOA辅助的多星RTT定位验证方案的实施例流程如下：
步骤一：对多星RTT系统中三个卫星进行排序(即序号1的卫星、序号2的卫星、序号3的卫星)，依照序号大小顺序，向目标用户发送下行位置参考信号(Down-linkPositioning Reference Signal，DL-PRS)。首先，选取其中序号1的卫星，在时间点T1_1向目标用户发送DL-PRS信号；
步骤二：目标用户在经过一定时间后，在T1_2时刻接收到来自选定卫星的DL-PRS信号，在经过一段时间的处理时延后，在T1_3时刻向卫星发送上行探测参考信号(Up-linkSounding Reference Signal，UL-SRS)，并向网络端上报Rx-Tx(接收到发送)的时间信息Tc1_1(Tc1_1＝T1_3-T1_2)，即目标用户处理收到的DL-PRS信号的时间；
步骤三：序号1的卫星在T1_4时刻收到来自用户的UL-SRS信号，记录其Tx-Rx(发送到接收)时间信息Tc1_2(Tc1_2＝T1_4-T1_1)，也就是实施一个RTT测量周期所用的时间。并在记录接收UL-SRS时间信息的同时记录下对应的入射角度信息，即UL-AOA信息。最后，将卫星在接收到来自用户的UL-SRS信息时对应的Tx-Rx信息、UL-AOA信息以及卫星位置信息全部上报到网络端；
步骤四：在第一次用户与卫星交互结束后，序号2的卫星和序号3的卫星重复上述步骤，并将对应的用户的Rx-Tx信息、卫星的Tx-Rx信息、UL-AOA以及位置信息发送给网络端；
步骤五：网络端根据三个卫星各自的星历信息和对应的Rx-Tx和Tx-Rx信息计算出用户的位置，并与现有的用户位置信息进行比对，如果计算出的用户位置与现有的用户位置信息不符，则用户位置验证失败，基站将释放与用户的连接，否则执行步骤六。位置信息计算过程如下：
设用户位置为(x,y,z)已知卫星位置分别为(500,-600,600)、(900,0,600)、(0,100,600)(忽略卫星的移动间隔)，可以得到如下方程组：
其中，Tc2_2和Tc3_2分别为第二个卫星和第三个卫星实施一个RTT周期所用的时间，Tc2_1和Tc3_1分别为第二个卫星和第三个卫星处理接收到的DL-PRS信号所用的时间。c＝3×108为信号的传播速度。通过求解该方程组，可以得到用户位置的数值信息。
步骤六：如果用户位置验证成功，就进行用户是否为恶意用户或者上报了错误的信息的二次验证操作。根据三个卫星上报的接收到用户UL-SRS信号的位置信息和基于RTT得到的用户位置信息，可以计算出对应的UL-AOA信息。通过比对每个卫星上报的UL-AOA信息和计算出的UL-AOA信息，可以进一步确认用户是否为恶意用户或者上报了错误的信息。从图4中，可以明显看出实际位置跟伪造位置的角度信息有较大的差距。
步骤七：由于UL-AOA信息会存在误差，所以，在此引入一个判决机制，即如果三次UL-AOA信息对比存在两次或两次以上角度差距过大并超过设置的角度阈值(角度误差阈值通常设置为0.96度)的情况，那么就判定用户上报了虚假的位置信息，判定其为恶意用户或者上报了错误的信息，并拒绝用户的访问，反之，用户即为合法用户。最终误导的定位结果如图2所示，接收的是正确的用户信息的定位示意图如图3所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于UL-AOA辅助的多星RTT定位验证方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一：对多星RTT系统中至少三个卫星进行排序，并按照排序序号依次选取一颗卫星，向目标用户发送DL-PRS信号；
步骤二：目标用户接收到来自选定卫星的DL-PRS信号后进行处理，并向选定卫星发送DL-PRS信号，以及向网络端上报接收卫星DL-PRS信号到向卫星发送DL-PRS信号的时间差Rx-Tx信息，即目标用户处理收到DL-PRS信号的时间；
步骤三：选定卫星收到来自目标用户的UL-SRS信号后，记录向目标用户发送DL-PRS信号到接收目标用户DL-PRS信号的时间差Tx-Rx信息，即实施一个RTT测量周期所用的时间，同时记录下对应的入射角度信息，即UL-AOA信息，然后将卫星在接收到来自目标用户的UL-SRS信息时对应的Tx-Rx信息、UL-AOA信息以及卫星位置信息上报到网络端；
步骤四：网络端根据至少三个卫星各自的星历信息以及对应的Rx-Tx信息和Tx-Rx信息计算目标用户的位置，并与现有的目标用户位置信息进行比对，如果计算出的目标用户位置与现有的目标用户位置信息不符，则用户位置验证失败，基站释放与目标用户的连接，否则执行步骤五；
步骤五：如果目标用户位置验证成功，则进行目标用户是否为恶意用户或者上报了错误信息的二次验证，具体为：分别根据至少三个卫星上报的在接收到目标用户UL-SRS信息时对应的位置信息和基于RTT得到的用户位置信息，计算出对应的UL-AOA信息，通过比对每个卫星上报的UL-AOA信息和计算出的UL-AOA信息，确认目标用户是否为恶意用户或者上报了错误的信息；
步骤六：如果多次UL-AOA信息对比存在一半或一半以上角度差距超过设置的角度阈值的情况，则判定目标用户上报了虚假的位置信息，判定目标用户为恶意用户或者上报了错误的信息，并拒绝目标用户的访问，否则目标用户为合法用户。
2.根据权利要求1所述的基于UL-AOA辅助的多星RTT定位验证方法，其特征在于，步骤四中用户的位置信息计算过程如下：
设用户位置为(x,y,z)，已知三个卫星位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)，得到如下方程组：
其中，Tc1_2、Tc2_2和Tc3_2分别对应为第一个卫星、第二个卫星和第三个卫星实施一个RTT周期所用的时间，Tc1_1、Tc2_1和Tc3_1分别对应为目标用户处理第一个卫星、第二个卫星和第三个卫星发送的DL-PRS信号所用的时间，c＝3×108为信号的传播速度；
通过求解方程组，得到目标用户位置的数值信息。
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