基于单接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法

技术领域

本发明涉及卫星导航抗干扰技术领域，具体涉及基于单接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法。

背景技术

随着信息技术的发展，全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem, GNSS)已广泛应用于金融、民航、城市交通、武器精确制导等重要领城。然而，GNSS信号到达地面时极其微弱，地面接收设备易受干扰，其中欺骗性干扰因其隐蔽性强、危害性大而备受关注。在欺骗干扰条件下，如何保障目标接收机仍然能够拥有可靠、正确的定位信息至关重要，有效的欺骗干扰探测技术是实现GNSS抗欺骗干扰的前提，也是保障GNSS信息安全的有效措施。

目前通过单接收机天线实现GNSS欺骗干扰检测的方式，仅能适用于欺骗干扰信号来自同一方向的情况，当欺骗干扰信号来自不同方向时，则无法进行有效检测，即检测具有局限性，且接收机体积较大、检测成本较高。

发明内容

本发明目的在于提供基于单接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，能够解决现有单接收机只能接收来自同一方向的欺骗干扰信号的问题，造成了检测的局限性。

本发明通过下述技术方案实现：基于单接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，包括以下步骤：

S1：基于假设检验思想，假设历元k时接收机捕获的信号为真实信号；并基于历元k和k-1时刻接收机的位置信息，建立载波相位观测方程；根据所述载波相位观测方程，获得接收机对第i颗卫星信号在k与k-1时刻的载波时间差分方程；通过载波相位单差定位方法，确定k时接收机的定位坐标；

S2：通过对接收机历元k和k-1时刻获取的第j颗卫星信号所对应的载波相位观测方程进行差分，获得载波时间差分方程；再对第i颗卫星信号和第j颗卫星信号的载波时间差分值进行差分，即星间差分，得到载波相位双差观测方程；再求解线性化后的载波相位双差观测方程，确定k时接收机的定位坐标；

S3：比较S1中获取的定位坐标和S2中获取的定位坐标；当两个定位坐标相等时，则接收机在历元k和k-1时捕获的信号为真；当两个定位坐标不相等时，则在接收机在历元k和k-1时捕获的信号为假。

首先本领域技术人员应当知晓：欺骗干扰的目的是故意制造虚假的信号，这些信号经过伪装，很像敌方设备期望的信号，从而诱使对方错误地理解或使用获得的信息；一种欺骗干扰可以把雷达的信号经过变形，再转发给雷达，使雷达跟踪到假造的不存在的目标上，而真实的目标就得到了保护；此外，还可以形成大批的假目标，使对方的系统难以从中取得有价值的信息，甚至由于假目标数量太多，造成雷达的数据处理系统工作饱和，无法正常工作下去。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)应用于各大关键领域，然而，GNSS信号到达地面时极其微弱，地面接收设备易受干扰，其中欺骗性干扰因其隐蔽性强、危害性大而备受关注，因此需要一种有效的GNSS欺骗干扰检测方法；目前实现GNSS欺骗信号检测是通过测量信号是否来自同一个方向来判断是否为欺骗干扰信号；也就是说现有技术通常通过判断信号来向的方式来判断是否为欺骗信号；而在实际中，可能出现来自不同方向的欺骗干扰信号无法检测（因为通常欺骗干扰信号来自于同一方向），也就是采用单接收机时，可能无法检测到来自不同方向的欺骗干扰信号；现有的针对多方向欺骗干扰信号检测的方法是直接采用多个接收机或者多个接收机天线，或者在接收机上增加额外的惯导测角装置，增加接收机硬件，体积，并且普通接收机的价格为一万至几十万不等，因此增加一个接收机，则会导致成本翻倍的情况。因此，申请人针对上述问题，提出了基于单接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，改变了现有的通过判断信号来向的方式来判断欺骗信号的存在的方法，仅通过位置差异来判断是否为欺骗信号，能够解决现有单接收机只能接收来自同一方向的欺骗干扰信号的问题，造成了检测的局限性，具体的实现方式如下：

本方案通过对比载波时间单差定位方法（步骤S1）与载波双差模型定位求解方法（步骤S2）获得的位置结果的差异来判断信号的真假，无需知晓信号来向，也无需增加额外测量信号角度的装置；仅通过位置差异来判断；申请人在研究中发现：欺骗信号的存在必然导致错位定位，接收机在接收信号时，欺骗信号相比真实信号存在时间延迟，双差模型相比较单差定位方法，消除了接收机钟差的影响，这样如果接收机接收欺骗信号后，通过两种方法求得的结果必然不同；也就是说：若采用两种方法求得的结果相等，则能判断接收机接收的信号非欺骗信号；而由于欺骗信号在被接收时必然存在时间延迟，而采用载波双差模型的方法能够消除接收机钟差影响，也就是消除此时间延迟；由此若两种方法求得的接收机的定位坐标不相等时，则能够判定接收的信号为欺骗信号。因此，本方案改变了传统的通过判断接收机检测信号来向的方式来判断信号真假的方法，改为仅通过判断在同一时刻接收机的位置差异来判断信号的方式，利用了欺骗信号存在时必然导致错位定位，接收欺骗信号必然产生时间延迟的特性；相比起现有技术而言无需考虑信号来向，也就是说本方案仅需一台接收机即能够完成欺骗干扰信号的检测，而现有的检测方法需要采用多台接收机，或者需要在接收机上增加额外的惯导测角装置；在节省成本的同时，提出了一种全新的欺骗干扰信号的检测方式，也就是说，本方案是具有实质性特点，且有较大的进步。

进一步地，步骤S1具体为：

S1.1：根据第i颗卫星在观测历元k-1和观测历元k时的载波相位观测方程，获得接收机对第i颗卫星信号在观测历元k-1和观测历元k时的载波时间差分方程；

S1.2：将S1.1中的载波时间差分方程在历元k-1时的位置处进行泰勒展开，将载波时间差分方程线性化；运用最小二乘法求解线性化后的方程组，获得历元k时接收机的定位坐标。

本技术方案是基于假设检验思想，假设历元k时接收机捕获的信号为真实信号，首先，采用前一历元的位置信息，运用传统最小二乘法计算当前历元接收机的位置，采用此方式的接收机在当前历元捕捉的信号为真实信号时，此时接收机的位置是没有偏差的，而当前历元捕捉的信号为欺骗信号时，接收机的位置是存在偏差的，因此本方案所获得的结果为后续判断信号真假的对比值，采用本方案测得的接收机的位置较为准确，能够保证检验结果的可靠性。

设第i颗卫星在观测历元k-1和观测历元k时，载波相位观测值分别为

其中，

当第i颗卫星在观测历元m时，m可等于k或k-1，且有：

其中，

运用电离层延迟校正、对流层延迟校正、卫星钟差校正来校正载波相位测量值；根据式1和式2，可获得接收机对第i颗卫星信号在观测历元k与k-1时的载波时间差分方程为：

其中，

本方案中提供了求得第i颗卫星信号在观测历元k与k-1时的载波时间差分方程的具体方法，其中式1、式2、式3、式4中的参数均可根据实际情况选取，并且上述公式的计算过程采用现有的方法。

进一步地，步骤S1.2 具体为：

假设观测历元k时，接收机捕获的信号为真实信号，则观测历元k-1时，接收机捕获的信号也为真实信号，且接收机位置

将

其中，

设观测历元k时接收机可观测的卫星数为n，令

其中：

本方案中提供了获取历元k时接收机的定位坐标的具体方法，通过假设检验的思想，得到接收机位置

进一步地，步骤S2具体为：

S2.1根据接收机对第i颗卫星信号与第j颗卫星信号在观测历元k-1和观测历元k时的载波时间差分方程，进行星间差分，获得载波相位双差观测方程；

S2.2将S2.1中的载波相位双差观测方程在历元k-1时的位置处泰勒展开，迭代求解线性化后的载波相位双差观测方程组，获得历元k时的定位坐标。

本方案通过对接收机对第i颗卫星信号与第j颗卫星信号在观测历元k-1和观测历元k时的载波时间差分方程，并进行星间差分的方式消除了卫星钟差，也就是说当接收机接收的信号为欺骗信号时，采用此方式也可消除在接收欺骗信号时产生的时间延迟。

进一步地，步骤S2.1具体为：

步骤S2.1具体为：

同理式4，可获得接收机对第j颗卫星信号在观测历元k-1和观测历元k时的载波时间差分方程为：

其中，

通过式4和式7，对第i颗卫星的载波时间差分方程和第j颗卫星的载波时间差分方程再进行星间差分，得到载波相位双差观测方程：

其中，

本方案提供了一种获取载波相位双差观测方程的具体实现方式，通过对第i颗卫星的载波时间差分方程和第j颗卫星的载波时间差分方程再进行星间差分的方式，消除接收机钟差的误差影响。

进一步地，步骤S2.2具体为：

设求得的接收机在观测历元k时的定位坐标为

其中，

则方程组式9的解为：

本方案提供了一种求解线性化观测方程组的具体实现方式，以便于采用S1中获取的接收机的定位坐标与S2中方法获取的定位坐标进行对比，并且两种方法的计算方法相似，更具有对比性，更加可信。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过彻底改变了传统的欺骗干扰检测方式，改变现有的通过判断信号来向的方式来判断欺骗信号的存在的方法，仅通过位置差异来判断是否为欺骗信号，能够解决现有单接收机只能接收来自同一方向的欺骗干扰信号的问题，造成了检测的局限性的问题；本方案仅需采用单接收机，仅通过判断在同一时刻接收机的位置差异来判断信号真伪，利用了欺骗信号存在时必然导致错位定位，接收欺骗信号必然产生时间延迟的特性，分别采用载波时间单差定位方法和载波双差模型定位求解方法来获得接收机的定位坐标，并且通过对比接收机定位坐标是否存在偏差，即能判断出接收机捕获得信号是否为欺骗信号。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例给出的基于单接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1:

参见图1，基于单接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，包括如下步骤：

S1：基于假设检验思想，假设历元k时接收机捕获的信号为真实信号；并基于历元k和k-1时刻接收机的位置信息，建立载波相位观测方程；根据所述载波相位观测方程，获得接收机对第i颗卫星信号在k与k-1时刻的载波时间差分方程；通过载波相位单差定位方法，确定k时接收机的定位坐标；

S2：通过对接收机历元k和k-1时刻获取的第j颗卫星信号所对应的载波相位观测方程进行差分，获得载波时间差分方程；再对第i颗卫星信号和第j颗卫星信号的载波时间差分值进行差分，即星间差分，，得到载波相位双差观测方程；再求解线性化后的载波相位双差观测方程，确定k时接收机的定位坐标；

S3：比较S1中获取的定位坐标和S2中获取的定位坐标；当两个定位坐标相等时，则接收机在历元k和k-1时捕获的信号为真；当两个定位坐标不相等时，则在接收机在历元k和k-1时捕获的信号为假。

优选的，S1包括如下步骤：

S1.1：根据第i颗卫星在观测历元k-1和观测历元k时的载波相位观测方程，获得接收机对第i颗卫星信号在观测历元k-1和观测历元k时的载波时间差分方程；

S1.2：将S1.1中的载波时间差分方程在历元k-1时的位置处进行泰勒展开，将载波时间差分方程线性化；运用最小二乘法求解线性化后的方程组，获得历元k时接收机的定位坐标。

优选的，步骤S1.1 具体为：

设第i颗卫星在观测历元k-1和观测历元k时，载波相位观测值分别为

其中，

当第i颗卫星在观测历元m时，m可等于k或k-1，且有：

其中，

运用电离层延迟校正、对流层延迟校正、卫星钟差校正来校正载波相位测量值；根据式1和式2，可获得接收机对第i颗卫星信号在观测历元k与k-1时的载波时间差分方程为：

其中，

优选的，假设观测历元k时，接收机捕获的信号为真实信号，则观测历元k-1时，接收机捕获的信号也为真实信号，且接收机位置

将

其中，

设观测历元k时接收机可观测的卫星数为n，令

其中：

优选的，步骤S2具体为：

S2.1根据接收机对第i颗卫星信号与第j颗卫星信号在观测历元k-1和观测历元k时的载波时间差分方程，进行星间差分，获得载波相位双差观测方程；

S2.2将S2.1中的载波相位双差观测方程在历元k-1时的位置处泰勒展开，迭代求解线性化后的载波相位双差观测方程组，获得历元k时的定位坐标。

优选的，步骤S2.1具体为：

同理式4，可获得接收机对第j颗卫星信号在观测历元k-1和观测历元k时的载波时间差分方程为：

其中，

通过式4和式7，对第i颗卫星的载波时间差分方程和第j颗卫星的载波时间差分方程再进行星间差分，得到载波相位双差观测方程：

其中，

优选的，步骤S2.2具体为：

设求得的接收机在观测历元k时的定位坐标为

其中，

则方程组式9的解为：

S3具体为：通过对比式6和式10相等（存在极小偏差），判断接收机在历元k时捕获的信号为真；当式6和式10存在较大偏差时，判断接收机在历元k时捕获信号为欺骗信号。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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方式而已，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。