基于TDOA和功率测量值的GNSS欺骗干扰定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TDOA和功率测量值的GNSS欺骗干扰定位方法，包括以下步骤：首先利用多个位置已知且静止的普通商用GNSS接收机组成一个欺骗干扰源定位系统，然后采用加权最小二乘法估计欺骗干扰源信号到达GNSS接收机的时间TOA；最后利用TOA估计值，采用最小二乘算法完成欺骗干扰源位置定位。该方法计算简单，且能避免伪距测量精度低以及接收信号功率弱导致的结果发散异常等问题，其定位精度逼近克拉美罗下限CRLB。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星导航
，特别涉及一种基于差分到达时间(TimeDifferenceofArrival，TDOA)和信号功率测量值的全球导航卫星系统(GlobalPositioningSatelliteSystem,GNSS)欺骗干扰源定位方法。
技术介绍
随着GNSS的发展，它在人们的生活中起着越来越重要的作用。然而由于到达接收机的GNSS信号很微弱，导致GNSS信号对带内干扰很脆弱，其中欺骗干扰是危害最大的一种。欺骗干扰的信号结构和功率等参数与真实信号相似，其目的是使接收机输出虚假的位置、时间结果，而不引起使用者注意。这将导致严重的后果，特别是对重要的基础设施，比如输电网络或数字通信网络使用的GNSS授时接收机被欺骗，时间被拉偏，将导致输电故障或通信中断。因此，抗欺骗技术成为近来GNSS研究领域的一个研究热点。学者们提出了许多抗欺骗技术。带内功率监测、信号质量监测、天线阵技术、加密技术以及多接收机抗欺骗方法等是当前研究中较为流行的抗欺骗技术。这些方法主要集中于欺骗干扰的检测和抑制，对有欺骗干扰源定位的研究却很少。距离测量值和功率测量值是GNSS接收机的两个基本测量值。因此，一些基于TDOA或能量的无源定位算法可以扩展到欺骗干扰源定位应用中。其中最大似然(MaximumLikelihood，ML)算法是一种较为吸引人的技术，因为它得出解的精度可以达到克拉美罗下限(Cramer-Raolowerbound，CRLB)。然而该算法需要迭代计算，并且需要一个好的初始解，否则计算结果会出现发散或者收敛到局部最优解。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述已有技术的不足，提出一种基于差分到达时间TDOA和信号功率测量值的基于TDOA和功率测量值的GNSS欺骗干扰定位方法。本专利技术的技术方案是：一种基于TDOA和功率测量值的GNSS欺骗干扰定位方法，包括以下步骤：S1：利用多个位置已知且静止的GNSS接收机组成一个欺骗干扰源定位系统；将伪距单差TDOA和与伪距单差TDOA对应的功率比的开方作为GNSS欺骗干扰源定位求解过程中的变量；此欺骗干扰源定位系统由N个GNSS接收机组成，在柯西参考坐标系下，N个GNSS接收机分别位于已知的位置ri＝[xi,yi,zi]T，此位置可以根据需求自由设定，欺骗干扰源位于so＝[xo,yo,zo]T；第i个GNSS接收机接收到欺骗干扰信号xi(t)的模型为：xi(t)=pTgidioF(t-τi)+ξi---(1)]]>其中，t表示GNSS时间；pT为欺骗信号的发射功率；gi为第i个GNSS接收机的增益，包含天线增益和接收机前端处理损耗；为欺骗干扰源到第i个GNSS接收机之间的欧拉距离；F(t)为接收到的信号波形，由伪随机码和导航电文调制到载波上生成；τi为信号传播到第i个GNSS接收机的时延；ξi为高斯白噪声，均值为0，方差为N0B，N0为噪声功率谱密度，B为信号带宽；欺骗干扰信号直视入射且符合空间自由传播模型，第i个GNSS接收机伪距测量值li的模型为：li=dio+cτf+c(dtr-dts)+ϵd,i=dio+cτa+ϵd,i---(2)]]>式中c为信号传播速度；τf为干扰源模拟的虚假时延，dtr和dts分别表示GNSS接收机和欺骗干扰源的钟差，τa＝τf+dtr-dts融合不同伪距测量值中相同的分量，εd,i为伪距测量噪声，其服从0均值高斯分布，方差为且各接收机伪距测量值li之间的噪声不相关；对欺骗干扰信号进行解扩、相干积累可得：Ii=1T∫0Txi(t)F*(t)dt=pTgidio+ξi'---(3)]]>式中Ii为相干累积的结果，T为相干累积间隔，F*(t)为接收到的信号波形F(t)的共轭；ξi′为式(1)噪声分量ξi积分后的结果，易知它是0均值高斯随机变量，方差为N0/T；对欺骗干扰信号进行解扩和相干积累后结果Ii平方可得信号的功率测量值pi，其模型为：pi=gidio2pT+ϵp,i---(4)]]>其中，为信号功率测量噪声，忽略二次项后，它是一个0均值高斯噪声，方差为测量模型(2)、(4)中，作为中间变量，将测量值pi和li与待求解的干扰源位置so联系起来；gi能够通过对接收机校准获得，这里作为已知量；由于伪距测量值和功率测量值中分别含有未知量τf,pT，因此本方法没有直接使用这些测量值进行定位求解，而采用了伪距单差TDOA和功率比的开方作为变量；伪距单差TDOA模型，以第1个GNSS接收机为参考接收机可以表示为：ki1=li-l1=dio-d1o+ϵd,i-ϵd,1---(5)]]>其中，ki1表示第i个GNSS接收机与第1个GNSS接收机的伪距单差TDOA，li为第i个GNSS接收机伪距测量值，l1为第1个GNSS接收机伪距测量值，为欺骗干扰源到第i个GNSS接收机之间的欧拉距离，为欺骗干扰源到第1个GNSS接收机之间的欧拉距离，εd,i为第i个GNSS接收机伪距测量噪声，εd,1为第1个GNSS接收机伪距测量噪声；记k＝[k21,...,kN1]T，其中k21,...,kN1由(5)式定义，则k的协方差Qk[i-1,j-1]为：Qk[i-1,j-1]=σd,12,i≠jσd,12+σd,i2,i=j---(6)]]>其中i,j＝2,3,...,N，为第i个GNSS接收机伪距测量噪声方差，为第1个GNSS接收机伪距测量噪声方差；与伪距单差TDOA对应的功率比的开方为：qi1=p1/g1pi/gi=diod1o(1+d1o2ϵp,1pTg1)(1+dio2ϵp,ipTgi)-1---(7)]]>式中，εp,i为第i个GNSS接收机信号功率测量噪声，εp,1为第1个GNSS接收机信号功率测量噪声，当信号的SNR足够大时，满足则对式(7)进行泰勒展开，并忽略2次及以上的项，可得：qi1≈diod1o1+d1o2ϵp,1pTg1-dio2ϵp,ipTgi≈diod1o(1-12(d1o2ϵp,1pTg1-dio2ϵp,ipTgi))=diod1o-12(d1odioϵp,1pTg1-dio3ϵp,ipTgid1o)---(8)]]>记q＝[q21,...,qN1]T，其中q21,...,qN1由(8)式定义，则q的协方差为：Qq[i-1,j-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于TDOA和功率测量值的GNSS欺骗干扰定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：利用多个位置已知且静止的GNSS接收机组成一个欺骗干扰源定位系统，将伪距单差TDOA和与伪距单差TDOA对应的功率比的开方作为GNSS欺骗干扰源定位求解过程中的变量；此欺骗干扰源定位系统由N个GNSS接收机组成，在柯西参考坐标系下，N个GNSS接收机分别位于已知的位置ri＝[xi,yi,zi]T，欺骗干扰源位于so＝[xo,yo,zo]T；伪距单差TDOA模型，以第1个GNSS接收机为参考接收机可以表示为：ki1=li-l1=dio-d1o+ϵd,i-ϵd,1---(5)]]>其中，ki1表示第i个GNSS接收机与第1个GNSS接收机的伪距单差TDOA，li为第i个GNSS接收机伪距测量值，l1为第1个GNSS接收机伪距测量值，为欺骗干扰源到第i个GNSS接收机之间的欧拉距离，为欺骗干扰源到第1个GNSS接收机之间的欧拉距离，εd,i为第i个GNSS接收机伪距测量噪声，εd,1为第1个GNSS接收机伪距测量噪声；记k＝[k21,...,kN1]T，其中k21,...,kN1由(5)式定义，则k的协方差Qk[i‑1,j‑1]为：Qk[i-1,j-1]=σd,12,i≠jσd,12+σd,i2,i=j---(6)]]>其中i,j＝2,3,...,N，为第i个GNSS接收机伪距测量噪声方差，为第1个GNSS接收机伪距测量噪声方差；与伪距单差TDOA对应的功率比的开方为：qi1=p1/g1pi/gi=diod1o(1+d1o2ϵp,1pTg1)(1+dio2ϵp,ipTgi)-1---(7)]]>式中，εp,i为第i个GNSS接收机信号功率测量噪声，εp,1为第1个GNSS接收机信号功率测量噪声，当信号的SNR足够大时，满足则对式(7)进行泰勒展开，并忽略2次及以上的项，可得：qi1≈diod1o1+d1o2ϵp,1pTg1-dio2ϵp,ipTgi≈diod1o(1-12(d1o2ϵp,1pTg1-dio2ϵp,ipTgi))=diod1o-12(d1odioϵp,1pTg1-dio3ϵp,ipTgid1o)---(8)]]>记q＝[q21,...,qN1]T，其中q21,...,qN1由(8)式定义，则q的协方差为：Qq[i-1,j-1]=d1o2diodjoσp,124pT2g12,i≠jd1o2dio2σp,124pT2g12+dio6σp,i24pT2gi2d1o2,i=j---(9)]]>S2：采用加权最小二乘法估计欺骗干扰源信号到达GNSS接收机的时间TOA；S2.1：将式(5)、(8)分别移项可得相应的测量误差方程分别为：Δki1=ki1-(dio-d1o)---(10)]]>Δqi1=qi1-diod1o---(11)]]>式中Δki1,Δqi1分别表示TDOA测量误差和距离比测量误差；S2.2：将式(11)等号两边同时乘以得：d1oΔqi1=d1oqi1-dio---(12)]]>式(10)和(12)均为未知量的线性函数，它们的矩阵形式表示为：e1＝h1‑G1do       (13)其中：e1=[Δk21,...,ΔkN1,d1oΔq21,...,d1oΔqN1]T---(14)]]>h1＝[kT,01×N‑1]T           (15)G1=-1N-1×1IN-1-qIN-1---(16)]]>式中，01×N‑1表示N‑1维全0列向量，1N‑1×1表示N‑1维全1行向量，IN‑1表示N维单位矩阵；S2.3：加权矩阵W1定义为：W1=E[e1e1T]-1=diag{Qγ-1,1d1o2Qq-1}---(17)]]>其中，E[·]‑1表示将均值矩阵取逆，diag{}表示取矩阵主对角线上的元素，表示伪距单差向量k的协方差矩阵取逆，表示将功率比的开方q的协方差矩阵取逆，则可得使最小的加权最小二乘解为：d=(G1TW1G1)-1G1TW1h1---(18)]]>式中d表示TOA估计值；S3：利用S2得到的TOA估计值，采用最小二乘算法完成欺骗干扰源位置定位；设欺骗干扰源初始位置为sg，迭代求解过程为式(19)：m=0,s(0)=sgwhile||Δs(m)||>ηΔs(m...

【技术特征摘要】
1.一种基于TDOA和功率测量值的GNSS欺骗干扰定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用多个位置已知且静止的GNSS接收机组成一个欺骗干扰源定位系统，将伪距单
差TDOA和与伪距单差TDOA对应的功率比的开方作为GNSS欺骗干扰源定位求解过程中的变
量；
此欺骗干扰源定位系统由N个GNSS接收机组成，在柯西参考坐标系下，N个GNSS接收机
分别位于已知的位置ri＝[xi,yi,zi]T，欺骗干扰源位于so＝[xo,yo,zo]T；
伪距单差TDOA模型，以第1个GNSS接收机为参考接收机可以表示为：
ki1=li-l1=dio-d1o+ϵd,i-ϵd,1---(5)]]>其中，ki1表示第i个GNSS接收机与第1个GNSS接收机的伪距单差TDOA，li为第i个GNSS接
收机伪距测量值，l1为第1个GNSS接收机伪距测量值，为欺骗干扰源到第i个
GNSS接收机之间的欧拉距离，为欺骗干扰源到第1个GNSS接收机之间的欧拉距
离，εd,i为第i个GNSS接收机伪距测量噪声，εd,1为第1个GNSS接收机伪距测量噪声；
记k＝[k21,...,kN1]T，其中k21,...,kN1由(5)式定义，则k的协方差Qk[i-1,j-1]为：
Qk[i-1,j-1]=σd,12,i≠jσd,12+σd,i2,i=j---(6)]]>其中i,j＝2,3,...,N，为第i个GNSS接收机伪距测量噪声方差，为第1个GNSS接
收机伪距测量噪声方差；
与伪距单差TDOA对应的功率比的开方为：
qi1=p1/g1pi/gi=diod1o(1+d1o2ϵp,1pTg1)(1+dio2ϵp,ipTgi)-1---(7)]]>式中，εp,i为第i个GNSS接收机信号功率测量噪声，εp,1为第1个GNSS接收机信号功率测
量噪声，当信号的SNR足够大时，满足则对式(7)进行泰勒展开，并忽略
2次及以上的项，...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐小妹，马鹏程，肖岭，黄龙，楼生强，彭竞，刘哲，肖志斌，伍微，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43