微、轻型无人机GNSS反欺骗系统及欺骗信号检测与导航方法技术方案

本发明专利技术公开了微、轻型无人机GNSS反欺骗系统及欺骗信号检测与导航方法，其中系统具体为：GNSS信号分集接收阵列包括3个GNSS接收单元；GNSS接收单元由1个GNSS接收模块以及与其对应的1个GNSS天线组成，其中3个GNSS天线在无人机上按品字形非共线固定安装，用于采集GNSS卫星信号；GNSS接收模块对GNSS卫星信号进行捕获、跟踪，生成伪距观测原始数据或者载波相位观测原始数据、以及星历数据；计算单元接收伪距观测原始数据或者载波相位观测原始数据、以及星历数据，进行欺骗信号检测和导航，包括：区分欺骗信号和非欺骗信号对应的数据，向无人机发出警报信号。并在非欺骗信号数量达到设定个数的情况下，根据非欺骗信号，计算无人机真实定位结果以及姿态结果。

GNSS Anti-Deception System and Deception Signal Detection and Navigation Method for Micro and Light UAV

【技术实现步骤摘要】
微、轻型无人机GNSS反欺骗系统及欺骗信号检测与导航方法
本专利技术涉及信息安全及GNSS导航
，具体涉及微、轻型小无人机的GNSS反欺骗系统及欺骗信号检测与导航方法。
技术介绍
GNSS全称为GlobalNavigationSatelliteSystem(全球导航卫星系统)，泛指迄今世界上所有的卫星导航系统，如美国的GPS系统、中国的北斗系统、欧洲的GALILEO系统、俄罗斯的GLONASS系统等。其基本的工作原理，是通过部署导航卫星星座，向地表附近用户播发导航测距信号，用户通过接收至少4颗卫星的信号，基于球面交回原理解算其自身的位置和时间。在GNSS应用日趋普及的同时，也悄然出现了GNSS干扰技术和相应的装备。最传统的GNSS干扰手段是在GNSS信号频段上发播大功率的压制信号，迫使用户接收机不能正常工作。压制式干扰虽然能够有效拒止正常的GNSS信号，但用户能够直接感受到干扰信号的作用，转而可以采取其他的导航手段进行导航。在传统的压制性电磁干扰的基础上，近年来发展出了基于单站或多站伪卫星信号源的欺骗式干扰技术。单伪卫星站配置下的技术途径是，首先实现伪卫星站与GNSS系统之间的高精度(ns级)时间同步，然后参考真实卫星的信号格式，仿造一组(多颗卫星)完整导航卫星的信号，再向用户进行发送，诱骗用户卫星导航接收机锁定到虚假的卫星信号上，进而达到欺骗的目的。多伪卫星站配置下的技术途径是，实现伪卫星与GNSS系统、以及多个伪卫星之间的高精度(ns级)时间同步，然后参考真实卫星的信号格式，每个伪卫星站仿造一颗导航卫星的信号，再向用户进行发送，诱骗用户卫星导航接收机锁定到虚假的卫星信号上，达到欺骗的目的。2013年，由美国德克萨斯大学分校托德·汉弗莱斯(ToddHumphreys)教授带领的无线导航实验室，通过使用GPS信号干扰设备，利用GPS固有缺陷，向白玫瑰号超级游艇的导航系统发射错误GPS数据。致使这艘承载着百余人性命的游艇，在没有任何警报，没有任何提示的情况下，完全被操控者玩弄于鼓掌之间。无独有偶，2016年，两艘载有10名海军的美国巡逻艇因驶入伊朗水域，被伊朗军方扣押。针对此次事件，美方似乎没有官员能对那些训练有素的士兵偏离航向的原因做出合理解释。但总不免令人猜测，是伊朗利用GPS缺陷向美方巡逻艇发出GPS欺骗攻击，诱使船只偏离航向的可能性非常高。GNSS干扰技术的发展，反过来又促进了抗干扰技术的不断进步。针对压制性干扰，陆续出现了时域抗干扰技术、频域抗干扰技术、空域抗干扰技术、空时联合抗干扰技术等。针对欺骗性干扰，出现了基于信号强度(信噪比)检测、到达角检测、时间检测、星历数据核实、多频点信号互相关检测、惯性导航辅助检测、速度检核等多种干扰监测方法。但这些方法都需要设计和建造特殊的用户终端加以实现，且只关注了如何发现欺骗式干扰，对在可靠地检测干扰的同时，尽最大可能向用户提供正确导航服务方面的针对性设计较少。近年来，民用无人机的生产和应用在国内外蓬勃发展，特别是以低空、慢速飞行为特征的轻小型(微型、轻型)无人机数量快速增加，占到民用无人机的绝大多数。《民用航空器系统驾驶员管理暂行规定》规定，对于民用无人机按照空机质量划分为以下4类：(1)微型无人机：0千克＜微型无人机≤7千克(2)轻型无人机：7千克＜轻型无人机≤116千克(3)小型无人机：116千克＜小型无人机≤5700千克(4)大型无人机：5700千克＜大型无人机。其中微型和轻型无人机的作业飞行在很大程度上依赖GNSS系统所提供的导航服务，涉及到无人机飞行过程中起飞、巡航、返回、高度控制、降落等各个环节。与其他GNSS用户一样，无人机同样面临GNSS干扰的威胁。尤其是无人机飞行在空中，一旦因为受到欺骗，获得错误的定位和测速结果，而无人机自身却浑然不知，就可能导致一些严重的后果。因此，发展针对无人机用户的反欺骗干扰技术，具有重要的意义。对于轻小无人机来说，其所能承载的电源功率能力较低、载荷重量和尺寸容纳能力都十分有限，并且造价也比较低。现有的专用反欺骗设备造价一般都很高昂，重量、功耗、尺寸也都比较大，难以直接用于满足微型和轻型无人机的应用需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了微、轻型无人机GNSS反欺骗系统及欺骗信号检测与导航方法，能够基于通用低成本的GNSS接收模块，实现无人机GNSS导航，并可以有效区分GNSS欺骗信号与正常的GNSS信号，本专利技术适用于微型和轻型无人机。为达到上述目的，本专利技术的技术方案为；轻型无人机GNSS反欺骗系统，包括GNSS信号分集接收阵列以及计算单元。GNSS信号分集接收阵列包括3个GNSS接收单元。GNSS接收单元由1个GNSS接收模块以及与其对应的1个GNSS天线组成，其中3个GNSS天线在无人机上按品字形非共线固定安装，3个GNSS天线两两之间的间距在设定的数值范围内，GNSS天线采集GNSS卫星信号，并通过射频电缆向其对应的GNSS接收模块发送GNSS卫星信号；GNSS接收模块对GNSS卫星信号进行捕获、跟踪，生成伪距观测原始数据和载波相位观测原始数据、以及星历数据。伪距和载波相位观测原始数据和星历数据发送至计算单元。计算单元接收伪距观测原始数据或者载波相位观测原始数据、以及星历数据，进行欺骗信号检测和导航，包括：区分欺骗信号和非欺骗信号对应的数据，向无人机发出警报信号，并在非欺骗信号数量达到设定个数的情况下，计算无人机定位结果以及姿态结果。本专利技术还提供了微、轻型无人机GNSS反欺骗系统的欺骗信号检测与导航方法，采用上述微、轻型无人机GNSS反欺骗系统，计算单元获取伪距观测数据或者载波相位观测数据、以及星历数据，其中的3个GNSS天线分别记为1号天线、2号天线和3号天线，采用如下步骤进行欺骗信号检测和导航：第一步，根据星历数据，计算卫星位置；并获取所有可视卫星的载波相位观测值。从N颗可视卫星中，4颗一组进行分组组合，任意两个分组间的可视卫星不重复，获得M个分组，取第k分组，执行第二步和第三步，k初始值为1,取值范围为[1,M]。对于总卫星数N不是4的整数倍的情况，用星历计算卫星在用户粗位置对应的站心坐标系下的仰角，排除仰角最低的1～3颗卫星，不参与分组。欺骗组合数目Mcheat和非欺骗组合数目Mnon-cheat初值都取为0，进入第二步。第二步，针对第k分组构建双差载波相位观测方程组，求解基线长度估计量。第三步，将基线长度估计量与实际安装时的基线长度之间的差距作为检验量，检验量不超过检验门限时，第k分组为非欺骗组合，Mnon-cheat加1；否则第k分组为欺骗组合，Mcheat加1。当k＝M时执行第四步，否则k自增1，返回第二步。第四步，获得欺骗组合的个数为Mcheat，非欺骗组合的个数为Mnon-cheat。当Mnon-cheat≠0时，对于Mcheat个欺骗组合中的每一个分组中的4颗卫星，总共4·Mcheat个卫星，记为可能的欺骗卫星。从Mnon-cheat个非欺骗组合中选取一组最优的非欺骗卫星组合，选取的规则是，解算基线长度与真实基线长度之间的差异Δdnon-cheat＝Δd12+Δd13+Δd23最小。从当前Mcheat个欺骗卫星组合中，逐个选择可能的欺骗卫星，替代最优非欺骗卫星组合中的一颗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.微、轻型无人机GNSS反欺骗系统，其特征在于，包括GNSS信号分集接收阵列以及计算单元；GNSS信号分集接收阵列包括3个GNSS接收单元；所述GNSS接收单元由1个GNSS接收模块以及与其对应的1个GNSS天线组成，其中3个GNSS天线在无人机上按品字形非共线固定安装，3个GNSS天线两两之间的间距在设定的数值范围内，所述GNSS天线采集GNSS卫星信号，并通过射频电缆向其对应的所述GNSS接收模块发送所述GNSS卫星信号；所述GNSS接收模块对所述GNSS卫星信号进行捕获、跟踪，生成伪距观测原始数据或者载波相位观测原始数据、以及星历数据；所述伪距和载波相位观测原始数据和星历数据发送至所述计算单元；所述计算单元接收所述伪距观测原始数据或者载波相位观测原始数据、以及星历数据，进行欺骗信号检测和导航，包括：区分欺骗信号和非欺骗信号对应的数据，向无人机发出警报信号，并在非欺骗信号数量达到设定个数的情况下，计算无人机定位结果以及姿态结果。

【技术特征摘要】
1.微、轻型无人机GNSS反欺骗系统，其特征在于，包括GNSS信号分集接收阵列以及计算单元；GNSS信号分集接收阵列包括3个GNSS接收单元；所述GNSS接收单元由1个GNSS接收模块以及与其对应的1个GNSS天线组成，其中3个GNSS天线在无人机上按品字形非共线固定安装，3个GNSS天线两两之间的间距在设定的数值范围内，所述GNSS天线采集GNSS卫星信号，并通过射频电缆向其对应的所述GNSS接收模块发送所述GNSS卫星信号；所述GNSS接收模块对所述GNSS卫星信号进行捕获、跟踪，生成伪距观测原始数据或者载波相位观测原始数据、以及星历数据；所述伪距和载波相位观测原始数据和星历数据发送至所述计算单元；所述计算单元接收所述伪距观测原始数据或者载波相位观测原始数据、以及星历数据，进行欺骗信号检测和导航，包括：区分欺骗信号和非欺骗信号对应的数据，向无人机发出警报信号，并在非欺骗信号数量达到设定个数的情况下，计算无人机定位结果以及姿态结果。2.微、轻型无人机GNSS反欺骗系统的欺骗信号检测与导航方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的微、轻型无人机GNSS反欺骗系统，所述计算单元获取伪距观测数据或者载波相位观测数据、以及星历数据，其中的3个GNSS天线分别记为1号天线、2号天线和3号天线，采用如下步骤进行欺骗信号检测和导航：第一步，根据所述星历数据，计算卫星位置；并获取所有可视卫星的载波相位观测值；从所述N颗可视卫星中，4颗一组进行分组组合，任意两个分组间的可视卫星不重复，获得M个分组，取第k分组，执行第二步和第三步，k初始值为1,取值范围为[1,M]；对于总卫星数N不是4的整数倍的情况，用星历计算卫星在用户粗位置对应的站心坐标系下的仰角，排除仰角最低的1～3颗卫星，不参与分组。欺骗组合数目Mcheat和非欺骗组合数目Mnon-cheat初值都取为0，进入第二步。第二步，针对第k分组构建双差载波相位观测方程组，求解基线长度估计量；第三步，将所述基线长度估计量与实际安装时的基线长度之间的差距作为检验量，检验量不超过检验门限时，第k分组为非欺骗组合，否则第k分组为欺骗组合；当k＝M时执行第四步，否则k自增1，返回第二步；第四步、获得欺骗组合的个数为Mcheat，非欺骗组合的个数为Mnon-cheat；当Mnon-cheat≠0时，对于Mcheat个欺骗组合中的每一个分组中的4颗卫星，总共4·Mcheat个卫星，记为可能的欺骗卫星；从Mnon-cheat个非欺骗组合中选取一组最优的非欺骗卫星组合，选取的规则是，解算基线长度与真实基线长度之间的差异Δdnon-cheat＝Δd12+Δd13+Δd23最小；从当前Mcheat个欺骗卫星组合中，逐个选择可能的欺骗卫星，替代最优非欺骗卫星组合中的一颗卫星，形成新的卫星组合，将该新的卫星组合重新构建观测方程组，求解基线长度估计量，并进一步判断该新的卫星组合是否为欺骗组合，若是，则当前可能的欺骗卫星为欺骗卫星；否则，当前可能的欺骗卫星为非欺骗卫星，继续选取下一个可能的欺骗卫星继续进行判断；直至遍历所有的可能的欺骗卫星，最终区分出所有的欺骗卫星与非欺骗卫星；在分别鉴别所有的可能欺骗卫星的基础上，进一步鉴别第一步中未分组的1～3颗卫星，完成对所有卫星的鉴别；第五步，利用非欺骗卫星对应的伪距观测量或载波相位观测量，以及相应的星历数据，进行定位和定姿，并将定位结果传送给无人机进行导航；同时，将欺骗卫星的信息，一并传送给无人机，对无人机进行欺骗信号报警。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一步，具体为：预先已知无人机粗位置(x0,y0,z0)；(x0,y0,z0)为所述无人机的空间坐标；通过所述星历数据计算出全部N颗可视卫星的位置(xa，ya，za)，a＝1～N；(xa,ya,za)为第a颗可视卫星的空间坐标；获取所述N颗可视卫星对应的载波相位观测值为：为第a颗可视卫星对应的载波相位观测值。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二步，具体为：针对第k分组构建观测方程组，其中第k分组中的4颗可视卫星编号分别为(k1,k2,k3,k4)，计算双差观测量：其中，{·}表示在四舍五入取整操作；{·}＝·-[·+1/2]；为j号天线相对于i号天线在第a颗可视卫星和第r颗可视卫星之间的载波相位双差观测量，Ambiguityij,a,r为的整周模糊度...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁一歌，袁超，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11