一种基于卡尔曼滤波跟踪环路的导航欺骗检测方法和装置制造方法及图纸

本申请涉及一种卫星导航欺骗检测的方法及装置。所述方法包括：获取导航接收机射频前端输出的I/Q两路原始采样数据；对原始采样数据进行码域、频域二维搜索捕获可见星，获得用于跟踪环路的伪随机序列；提取用于滤波器的码相位差异、载波相位偏差和载波变化率；构建基于卡尔曼滤波的码跟踪和载波跟踪环路；建立无导航欺骗信号的零假设和存在导航欺骗信号的备择假设，通过对实时归一化新息平方的区间检测，判决当前接收卫星信号是否包含导航欺骗信号。本方法给出了一个较为完整可靠的导航欺骗信号检测方法，更适合现有单天线接收机硬件场景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于卡尔曼滤波跟踪环路的导航欺骗检测方法和装置


[0001]本申请涉及通信
，特别是涉及一种基于卡尔曼滤波跟踪环路的导航欺骗检测方法和装置。

技术介绍

[0002]全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)在获得广泛应用的同时，也存在一定的安全隐患。由于地面卫星信号功率微弱，民码结构完全公开，极大降低了GNSS的可靠性。早在2012年就有研究人员通过软件定义无线电(SDR)设备完成了多项对民用导航的欺骗干扰实验。随着电子战技术的发展，导航攻击方式将继续增加和多样化，研究利用GNSS信号特征进行导航环境监测的方法和系统具有重要的意义。
[0003]无论转发欺骗还是生成欺骗，都存在一定的信号特征差异，虽然已有通过信号功率、信号到达特性、相关峰检测、天线阵列、外部辅助等方法的检测方法，实现了信号能量、多峰、相关峰畸变、信号到达方向、信号到达时间和信号间相关性等检测方法。
[0004]但目前的方法存在一些不足：1、依靠欺骗信号时域和频域的对齐过程，对于精度较好的直接对齐检测可行性差。2、需要更改现有接收机的硬件方案，需要支持多天线接收，额外的原始数据传输链路。3、智能算法的应用，需要额外的计算单元完成对数据的计算。4、INS、气压计等通过外部辅助的方式，较大地增大了接收机成本。在此情况下，结合现有接收机硬件方案和数据处理流程，增加对某些特征的检测，同时不引入太高计算复杂度以实现对欺骗检测的方法更具适用性。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种满足低成本、较低计算复杂度、无需额外硬件支持，解决实际应用场景导航欺骗检测问题的特征值检测方法和装置。
[0006]一种基于卡尔曼滤波跟踪环路的导航欺骗检测方法，所述方法包括：
[0007]所述欺骗检测方法是建立无导航欺骗信号的零假设和存在导航欺骗信号的备择假设，将卡尔曼滤波跟踪环路器的归一化新息平方作为特征量，根据显著水平和其分布函数确定归一化新息平方的置信区间，通过对实时归一化新息平方的域值检测，获得导航信号中是否存在欺骗信号的判断。
[0008]所述卡尔曼滤波跟踪环路方法包括以下步骤：
[0009]S1，获取接收机I/Q两路中频采样数据S
IF
；
[0010]S2,对采样数据S
IF
进行码域、频域二维搜索，获得可见星C/A码序列、可见星码相位时延和多普勒频移，作为跟踪参数向量初始值；
[0011]S3，构建基于载波相位变化量和码相位差异的卡尔曼滤波跟踪环路，得到系统状态方程和观测方程。
[0012]S4,通过跟踪参数向量生成本地C/A码序列，将所述1ms采样数据S
IF
与超前、即时、滞后C/A码序列做互相关运算得到相关器输出积分值，计算得到载波相位变化量以及码相
位差异。
[0013]S5，根据所述相关器输出积分值更新可见星载噪比，并更新测量噪声协方差矩阵；
[0014]S6，将步骤S4所得载波相位变化量和码相位差异作为观测矩阵参数，代入卡尔曼滤波器进行融合计算，获得所述归一化新息平方值，并更新跟踪参数向量，得到最优估计载波相位变化量以及码相位变化量；
[0015]S7，通过域值检测判断是否接受原假设，如果是则重复步骤S4至S6，如果否则结束跟踪环路。
[0016]在步骤S2中，对采样数据S
IF
进行码域、频域二维搜索，获得可见星C/A码序列、可见星码相位时延和多普勒频移，作为跟踪参数向量初始值，包括：
[0017]根据以下公式进行二维搜索：
[0018][0019]其中C为卫星对应C/A码序列，根据搜索结果获得间隔大于一个码宽的第一峰值与第二峰值，判断判断第一峰值与第二峰值的比值是否大于预设阈值，常用阈值为2dB，若是则得到可见星序号，其峰值所在对应可见星码相位时延及多普勒频移。若否则搜索其它卫星。
[0020]在步骤S3中，构建基于载波相位变化量和码相位差异的卡尔曼滤波跟踪环路，得到系统状态方程和观测方程，包括：
[0021]根据载波相位变化量和码相位变化量之间的线性系统关系，可以得到系统状态方程：
[0022][0023][0024][0025][0026]得到系统状态方程公式：
[0027]X
t
＝FX
t
‑1+w
t
[0028]其中状态向量X为由码相位差异Δ
τ
、载波相位变化量Δ
θ
、载波频率变化量Δ
f
、载波频率变化率Δ
α
组成的列向量，X
t
‑1为上一时刻状态，ω
t
为过程噪声，F为状态转移矩阵：
[0029][0030]其中β为S
IF
采样速率与C/A码频率的比值，t为积分时间。
[0031]根据观测量与状态向量X的线性关系，可以得到观测方程：
[0032][0033][0034]得到观测方程公式：
[0035]Z
t
＝HX
t
+v
t
[0036]其中测量向量Z
t
为由观测码相位差异δ
τ
、观测载波相位变化量δ
θ
组成的列向量，v
t
为t时刻对应的测量误差，H为将状态向量映射到测量域的转换矩阵：
[0037][0038]在步骤S4中，通过跟踪参数向量生成本地C/A码序列，将所述1ms采样数据S
IF
与超前、即时、滞后C/A码序列做互相关运算得到相关器输出积分值，计算得到载波相位变化量以及码相位差异，包括：
[0039]通过以下公式计算得到载波相位：
[0040][0041]其中I
P
和Q
p
为即时码相关器输出积分值。
[0042]通过以下公式计算得到载波相位误差Δ
θ
：
[0043]△
θ
＝φ
e
(t)
‑
φ
e
(t
‑
1)
[0044]通过以下公式计算得到码相位差异：
[0045][0046]其中d为超前、即时、滞后码的距离，I
E
和Q
E
、I
L
和Q
L
分别为超前码和滞后码相关器输出的积分值。
[0047]在步骤S5中，根据所述相关器输出积分值更新可见星载噪比，并更新测量噪声协方差矩阵，包括：
[0048]根据以下公式计算得到载噪比：
[0049][0050][0051][0052]其中I
P
和Q
p
为即时码相关器输出积分值，T为积分时间。
[0053]根据以下公式计算得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于卡尔曼滤波跟踪环路的导航欺骗检测方法，其特征在于：所述欺骗检测方法是建立无导航欺骗信号的零假设和存在导航欺骗信号的备择假设，将卡尔曼滤波跟踪环路器的归一化新息平方作为特征量，根据显著水平和其分布函数确定归一化新息平方的置信区间，通过对实时归一化新息平方的区间检测，获得导航信号中是否存在欺骗信号的判断。2.根据权利要求1所述卡尔曼滤波跟踪环路的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，获取接收机I/Q两路中频采样数据S
IF
；S2,对采样数据S
IF
进行码域、频域二维搜索，获得可见星C/A码序列、可见星码相位时延和多普勒频移，作为跟踪参数向量初始值；S3，构建基于载波相位变化量和码相位差异的卡尔曼滤波跟踪环路，得到系统状态方程和观测方程。S4,通过跟踪参数向量生成本地C/A码序列，将所述1ms采样数据S
IF
与超前、即时、滞后C/A码序列做互相关运算得到相关器输出积分值，计算得到载波相位变化量以及码相位差异。S5，根据所述相关器输出积分值更新可见星载噪比，并更新测量噪声协方差矩阵；S6，将步骤S4所得载波相位变化量和码相位差异作为观测矩阵参数，代入卡尔曼滤波器进行融合计算，获得所述归一化新息平方值，并更新跟踪参数向量，得到最优估计载波相位变化量以及码相位变化量；S7，通过所述置信区间判断是否接受原假设，如果是则重复步骤S4至S6，如果否则结束跟踪环路。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对采样数据S
IF
进行码域、频域二维搜索，获得可见星C/A码序列、可见星码相位时延和多普勒频移，作为跟踪参数向量初始值，包括：根据以下公式进行二维搜索：其中C为卫星对应C/A码序列，根据搜索结果获得间隔大于一个码宽的第一峰值与第二峰值，判断第一峰值与第二峰值的比值是否大于预设阈值，常用阈值为2dB，若是则得到可见星序号，其峰值所在对应可见星码相位时延及多普勒频移。若否则搜索其它卫星。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建基于载波相位变化量和码相位差异的卡尔曼滤波跟踪环路，得到系统状态方程和观测方程，包括：系统状态方程公式：X
t
＝FX
t
‑1+w
t
其中状态向量X为由码相位差异Δ
τ
、载波相位变化量Δ
θ
、载波频率变化量Δ
f
、载波频率变化率Δ
α
组成的列向量，X
t
‑1为上一时刻状态，ω
t
为过程噪声，F为状态转移矩阵：
其中β为S
IF
采样速率与C/A码频率的比值，t为积分时间。观测方程公式：Z
t
＝HX
t
+v
t
其中测量向量Z
t
为由观测数据提供，为观测码相位差异δ
τ
、观测载波相位变化量δ
θ
组成的列向量，H为将状态向量映射到测量域的转换矩阵：5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过跟踪参数向量生成本地C/A码序列，将所述1ms采样数据S
IF
与超前、即时、滞后C/A码序列做互相关运算得到相关器输出积分值，计算得到载波相位变化量以及码相位差异，包括：通过以下公式计算得到载波相位：其中I
P
和Q
p
为即时码相关器输出积分值。通...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚志强，邹齐敏，邓敏，乔纯捷，盛孟刚，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：