一种基于天线阵的非压制gnss欺骗干扰检测抑制方法
阅读说明：本技术 一种基于天线阵的非压制gnss欺骗干扰检测抑制方法 (Non-suppression GNSS deception jamming detection suppression method based on antenna array ) 是由 唐凯 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于天线阵的非压制GNSS欺骗干扰检测抑制方法,包括：S1,欺骗信号检测,若无欺骗干扰,则进入步骤S4；S2,寻找一组真实信号；S3,以找的一组真实信号为基础,识别真实信号与欺骗信号；S4,利用真实信号的伪距或载波相位观测值进行定位解算。本发明的欺骗干扰检测抑制方法,抗欺骗防护能力强,不仅能够检测欺骗信号,还能够区分出真实信号和欺骗信号；只要真实信号未被干扰完全压制,接收机仍可正常工作,输出正确可用的位置时间结果。(The invention discloses a non-suppression GNSS deception jamming detection suppression method based on an antenna array, which comprises the following steps: s1, detecting a deception signal, and if no deception jamming exists, entering the step S4; s2, searching a group of real signals; s3, identifying real signals and deception signals based on the found group of real signals; and S4, positioning and resolving by using the pseudo range or the carrier phase observed value of the real signal. The deception jamming detection and suppression method has strong anti-deception protection capability, can detect deception signals and can distinguish real signals from deception signals; as long as the real signal is not completely suppressed by the interference, the receiver can still work normally and output the correct available position time result.)
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种基于天线阵的非压制GNSS(GlobalNavigation Satellite System)欺骗干扰检测抑制方法。
背景技术
当前卫星导航系统已广泛应用于国民生活的方方面面。然而，由于到达地面的GNSS信号很微弱，导致其很容易受到干扰。其中欺骗干扰可通过控制目标接收机输出虚假的位置、时间结果，进而控制目标系统，因此危害性最大。当前的抗欺骗方法主要关注的是欺骗干扰的检测，只能起到警示的作用。只有抑制欺骗干扰，才能保证接收机仍能正常工作。通过天线阵“调零”技术，将欺骗信号来向的增益调整为0，可消除欺骗干扰的影响，但同时也会削弱0增益附近真实信号的功率，进而导致接收机性能下降，因此天线阵调零技术通常使用于压制干扰的场景中；另外可以通过“同址消除”技术来消除欺骗信号，但是此类方法需要精确估计欺骗信号功率、相位等参数，否则无法消除欺骗信号，甚至会增强欺骗信号的功率。
当前，压制类欺骗干扰的信号功率远大于真实信号，很容易被检测到；而非压制类欺骗干扰播发的欺骗信号功率略大于真实信号，具有更强的隐蔽性，难以被检测到。
发明内容
本发明提出一种基于天线阵的非压制GNSS欺骗干扰检测抑制方法，用于解决非压制类欺骗干扰检测存在的问题。
本发明解其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于天线阵的非压制GNSS欺骗干扰检测抑制方法，包括：
S1，基于载波相位单差测量值与载波相位单差期望值的差值计算欺骗信号检测量；根据欺骗信号检测量的统计特性确定检测门限；当欺骗信号检测量高于检测门限时，判断出当前存在欺骗干扰；
S2，将所有接收信号分组，获得一组都是真实信号的信号分组；
S3，将真实性未知的信号分别与获得的真实信号组成信号分组，依次计算各组信号的欺骗信号检测量和检测门限，将欺骗信号检测量和检测门限进行比对区分出出真实性未知的信号为真实信号或为欺骗信息；
S4，利用真实信号的伪距或载波相位观测量进行定位解算。
优选的，所述的基于天线阵的非压制GNSS欺骗干扰检测抑制方法，还包括，S1中，当欺骗信号检测量小于等于检测门限时，判断出当前没有欺骗干扰，执行S4。
优选的，S1中，载波相位单差测量值的计算方法如下：
其中，De＝[γe,1,…γe,N]；表示相邻阵元之间的载波相位单差；λ为卫星信号的载波波长；为检测系统所在的体坐标系下阵元j到阵元j+1之间的单位方向矢量，上标‘b’表示体坐标系；·T表示矢量转置；γe,i为地心地固坐标系下信号i到检测系统的单位入射方向矢量，上标‘e’表示地心地固坐标系；R为检测系统体坐标系与地心地固坐标系之间的坐标转换矩阵；为测量噪声，服从零均值高斯分布；N表示当前接收信号数；M表示阵元数；
天线阵所在平面定义为体坐标系的xoy平面，则上式可简化为：
其中，矩阵和R2分别表示矩阵Ab和R前两行元素构成的矩阵。
优选的，S1中，载波相位单差期望值的计算方法如下：
其中，表示坐标旋转矩阵R2的估计值，表示真实信号期望入射方向，表示接收机可信位置，pe,i＝[xi,yi,zi]T表示第i颗卫星位置。
优选的，S1中，欺骗信号检测量的计算方法包括：
计算载波相位单差测量值与载波相位单差期望值的差值，如下：E＝Φ-Φs
获取欺骗信号检测量T，如下：
其中，en为差值矩阵E第列矢量，即信号n的所有载波相位单差测量值与载波相位单差期望值的差值，矩阵Qn为en的协方差矩阵。
优选的，S1中，检测门限的确定方法包括：
当接收信号都为真实信号时，信号入射方向差值矩阵E＝0，故矢量en的均值μn＝0，因此en服从0均值联合高斯分布，所以检测量T服从自由度为(M-1)N-6的中心卡方分布；当接收信号存在欺骗信号时，均值μn≠0，此时en服从非零均值联合高斯分布，所以检测量T服从自由度为(M-1)N-6的非中心参数为ρ的非中心卡方分布，其中
根据纽曼-皮尔逊准则，判决门限可由下式确定：
其中，α为虚警概率；f(x|H0)表示欺骗信号检测量T在H0条件下的概率密度函数；th为确定的检测门限。
优选的，所述S2，具体包括：
S21，将N个当前信号以4个为一组分为个组；为组合数，表示从N个中选择4个的组合数；
S22，计算只有4个信号时的检测门限th4；令组号i＝1；
S23，比较组号i是否大于阵元数M，若不大于M，则进入S24，否则进入S26；
S24，计算第i组信号的欺骗信号检测量Ti；
S25，比较欺骗信号检测量Ti和检测门限th4；若第i组信号的欺骗信号检测量Ti小于检测门限th4，判断该组4个信号都为真实信号，则停止查找；否则组号i加1，进入S23；
S26，若所有分组的欺骗信号检测量都高于检测门限th4，表明当前接收信号中真实信号的个数小于4，则将当前接收信号都标记为欺骗信号，针对当前跟踪信号的其他伪码载波区间进行捕获跟踪；然后进入S21，对于新捕获到的信号重新分组。
优选的，所述S3，具体包括：
S31，基于4个真实信号，将信号真实性未知的L个信号分别与已知的4个真实信号组成信号组，共组成L个信号数为5的分组；
S32，计算信号数为5时的检测门限th5；令组号j＝1；
S33，比较组号j是否大于L，若大于L，则判断结束；
S34，计算第j组信号的欺骗信号检测量Tj；
S35，判断欺骗信号检测量Tj是否高于检测门限th5，如果高于，则判断出第j个信号为欺骗信号；否则判断出第j个信号为真实信号；
S36，将组号j加1，返回S33。
本发明的有益效果如下：
本发明一种基于天线阵的非压制GNSS欺骗干扰检测抑制方法，抗欺骗防护能力强，不仅能够检测欺骗信号，还能够区分出真实信号和欺骗信号；只要真实信号未被干扰完全压制，接收机仍可正常工作，输出正确可用的位置时间结果。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于天线阵的非压制GNSS欺骗干扰检测抑制方法不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明的欺骗信号存在性检测流程图；
图3是本发明真实信号组寻找流程图；
图4是本发明真实信号与欺骗信号区分处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
参见图1所示，本实施例的基于天线阵的非压制GNSS欺骗干扰检测抑制方法，包括以下步骤：
S1，欺骗信号检测，若无欺骗干扰，则进入步骤S4；欺骗信号检测的处理流程如图2所示，包含以下步骤：
S11，计算载波相位单差测量值Φ；载波相位单差定义为同一信号在不同阵元处载波相位测量值之间的差值。记阵元数为M，天线阵的所有阵元在同一个平面上，则对于每个接收信号，线性无关的载波相位单差测量值的个数为M-1。则对于卫星信号i，相邻阵元之间的载波相位单差可表示为：
其中，为信号i在阵元j处的载波相位测量值；λ为卫星信号的载波波长；为检测系统所在的体坐标系下阵元j到阵元j+1之间的单位方向矢量，上标‘b’表示体坐标系；·T表示矢量转置；γe,i为地心地固坐标系下信号i到检测系统的单位入射方向矢量，上标‘e’表示地心地固坐标系；R为检测系统体坐标系与地心地固坐标系之间的坐标转换矩阵；是一个整数，表示载波整周模糊数；为测量噪声，服从零均值高斯分布。
为了消除载波相位单差测量值中的项，首先利用下式估算载波整周模糊数：
其中，sign(·)表示取符号；表示向下取整；|·|表示取绝对值。
因此，可得无整周模糊的载波相位单差测量值为：
假设当前接收信号数为N，则所有载波相位单差测量值可整理为矩阵形式为：
其中，De＝[γe,1,…γe,N]。
天线阵所在平面定义为体坐标系的xoy平面，则上式可简化为：
式中矩阵R2分别表示矩阵Ab、R前两行元素构成的矩阵。
S12，估算载波相位单差期望值Φs；为了估算载波相位单差期望值，首先需要得到真实信号期望入射方向和坐标旋转矩阵R2。
记接收机可信位置为第i颗卫星位置为pe,i＝[xi,yi,zi]T，则||·||表示计算欧拉距离；因此
利用最小二乘算法，可得坐标旋转矩阵R2的估计值为：
因此载波相位单差期望值为：
S13，计算欺骗信号检测量T；这里利用载波相位单差测量值与期望值的差值构造欺骗信号检测量，载波相位单差测量值与期望值的差值为：E＝Φ-Φs。则欺骗信号检测量为T：其中en为差值矩阵E第列矢量，即信号n的所有载波相位单差测量值与期望值的差值，矩阵Qn为en的协方差矩阵。
S14，确定欺骗信号检测门限th；欺骗信号检测门限根据欺骗信号检测量的统计特性确定。当接收信号都为真实信号时，信号入射方向差值矩阵E＝0，故矢量en的均值μn＝0，因此en服从0均值联合高斯分布，所以检测量T服从自由度为(M-1)N-6的中心卡方分布；当接收信号存在欺骗信号时，均值μn≠0，此时en服从非零均值联合高斯分布，所以检测量T服从自由度为(M-1)N-6的非中心参数为ρ的非中心卡方分布，其中因此基于检测量T的假设检验为：
根据纽曼-皮尔逊(Neyman-Pearson)准则，判决门限可由下式确定：
其中，α为虚警概率；f(x|H0)表示T在H0条件下的概率密度函数；th为确定的检测门限。
S15，检测判决，当检测量高于检测门限时，判决当前存在欺骗干扰；当检测量小于检测门限时，判决当前没有欺骗干扰。
S2，寻找一组真实信号，处理流程如图3所示，包含以下步骤：
S21：首先将所有接收信号分组，为了使矩阵De满秩，要求信号数大于等于4，因此这里将每组信号的个数定为4，将所有接收信号分为个组，每组4个接收信号，为组合数，表示从m个中选择n个的组合数；
S22，根据步骤S14中的方法计算得到只有4个信号时的检测门限th4；令组号i＝1；
S23，比较组号是否大于M，若不大于M，则进入S24，否则进入S26；
S24，根据步骤S13中的方法，计算得到第i组信号的欺骗信号检测量Ti；
S25，比较欺骗信号检测量Ti和检测门限th4；若第i组信号的检测量Ti小于检测门限th4，可判定该组4个信号都为真实信号，则停止查找；否则组号i加1，并进入S23；
S26，若所有分组的检测量T4都高于检测门限th4，表明当前接收信号中真实信号的个数小于4，则将当前接收信号都标记为欺骗信号，通过接收机的信号捕获调度模块，控制接收机对当前接收信号的其他伪码载波区间，进行捕获跟踪，在真实信号没有干扰完全压制的条件下，必然会捕获跟踪到信号；然后进入S21，对于新捕获到的信号重新分组。
S3，以找的一组真实信号为基础，识别真实信号与欺骗信号；处理流程如图4所示，具体包含以下步骤：
S31，以步骤S2中找到的4个真实信号为基础，将信号真实性未知的L个信号分别与已知的4个真实信号组成信号组，可组成L个信号数为5的分组；
S32，根据步骤S14中的方法计算信号数为5时的检测门限th5；令组号j＝1；
S33，比较组号是否大于L，若大于L，则判断结束；
S34，根据步骤S1中的方法，计算第j组信号的得到欺骗信号检测量Tj；
S35，第j个信号真实性判断；检测量Tj高于检测门限th5，则第j个信号为欺骗信号；否则第j个信号为真实信号。
S36，将组号j加1，并进入S33。
S4：利用真实信号的伪距或载波相位观测值进行定位解算。
以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。