一种紧组合导航转发式欺骗干扰检测方法
阅读说明：本技术 一种紧组合导航转发式欺骗干扰检测方法 (Tightly-combined navigation forwarding type deception jamming detection method ) 是由 丁继成 任尚垠 赵琳 程建华 黄卫权 贾春 敖义路 王云龙 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种紧组合导航转发式欺骗干扰检测方法,包括(1)采集GNSS接收机导航参数和SINS导航参数,对数据做预处理；(2)更新残差滑动窗口内数据,根据无欺骗干扰时存储的残差方差数据更新检测阈值；(3)根据前一历元各通道受欺骗情况进入相应检测程序；(4)按照动态时延欺骗信号分段检测的设计思想,依次进行动态时延过程检测和固定时延过程检测；(5)得到欺骗干扰检测结果并对检出欺骗通道所对应的卫星信号予以剔除；(6)更新历元信息,并重复执行(1)到(5),直至处理完所有历元。本发明实现了动态时延转发式欺骗干扰实时检测,能够检测码相位偏移速率不低于0.1chip/s的动态时延转发式欺骗干扰。(The invention discloses a close combination navigation forwarding type deception jamming detection method, which comprises the steps of (1) acquiring navigation parameters of a GNSS receiver and navigation parameters of an SINS (strapdown inertial navigation system), and preprocessing data; (2) updating data in a residual sliding window, and updating a detection threshold according to residual variance data stored when no deception interference exists; (3) entering a corresponding detection program according to the deception condition of each channel of the previous epoch; (4) according to the design idea of the dynamic time delay deception signal segmentation detection, the dynamic time delay process detection and the fixed time delay process detection are sequentially carried out; (5) obtaining a deception jamming detection result and eliminating satellite signals corresponding to the detected deception channels; (6) updating the epoch information, and repeatedly executing (1) to (5) until all epochs are processed. The invention realizes the real-time detection of the dynamic time delay forwarding type deception jamming, and can detect the dynamic time delay forwarding type deception jamming of which the code phase offset rate is not lower than 0.1 chip/s.)
技术领域
本发明涉及一种GNSS/SINS紧组合导航转发式欺骗干扰检测，特别是一种基于残差动态时延特征的紧组合导航转发式欺骗干扰检测方法，属于卫星导航欺骗检测技术领域。
背景技术
随着全球导航卫星系统的快速发展，卫星导航定位技术的应用愈加广泛。然而接收机易在转发式欺骗干扰的作用下被诱导到错误的位置，这对接收机的可靠性提出了严峻挑战。
目前，关于转发式欺骗干扰检测的研究主要集中在无惯导的独立接收机导航和有惯导的组合导航两个方面。无惯导时，主要采用卫星信号功率检测、相关峰检测和伪距差异检测等方法，但是这些方法在欺骗信号功率低于真实信号，以及时间延迟缓慢增大的动态时延转发式欺骗干扰场景下失去作用。有惯导时，主要采用紧组合残差χ2检测、紧组合伪距差异检测等方法，但是前者不能指出受欺骗干扰影响的具体卫星，无法针对性地进行欺骗抑制；后者利用接收机与惯导伪距差值或紧组合伪距残差进行欺骗检测，能够检测出固定时延转发式欺骗干扰，但对于动态时延转发式欺骗干扰同样无能为力。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现对动态时延转发式欺骗干扰的实时检测的紧组合导航转发式欺骗干扰检测方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种紧组合导航转发式欺骗干扰检测方法，包括以下步骤：
步骤1：采集GNSS接收机导航参数和SINS导航参数，对数据做预处理；
步骤2：更新残差滑动窗口内数据，根据无欺骗干扰时存储的残差方差数据更新检测阈值；
步骤3：对每一颗可见卫星进行判断：残差滑动窗口内的有效数据个数num少于滑动窗口容量m是否成立，若成立，则不具备检测条件，暂不进入检测程序，若全部可见卫星均不具备检测条件，则方法结束；若不成立，则根据该卫星通道前一历元欺骗标志Dec_flag、隔离退出计数器cntr状态进入相应的检测程序；
步骤4：采取动态时延欺骗信号分段检测，依次进行动态时延过程检测和固定时延过程检测；
步骤5：得到欺骗干扰检测结果并对检出欺骗通道所对应的卫星信号予以剔除，得到欺骗干扰检测和组合导航定位结果；
步骤6：更新历元信息，并重复执行步骤1到5，直至处理完所有历元。
本发明还包括：
1.步骤2中更新残差滑动窗口内数据，根据无欺骗干扰时存储的残差方差数据更新检测阈值具体为：
步骤2.1：获得当前历元的伪距和伪距率残差，具体为：
分段线性化处理后的GNSS/SINS紧组合导航系统表达式为：xk＝Φk/k-1xk-1+Γk- 1wk-1和zk＝Hkxk+vk，式中，xk为状态向量；Φk/k-1为一步状态转移矩阵；Γk-1为系统噪声矩阵；zk为量测值向量；Hk为量测矩阵；wk-1和vk为互不相关的零均值白噪声向量，紧组合系统卡尔曼滤波残差ek包括伪距残差ρek和伪距率残差表达式为：ek＝zk-Hkxk/k-1；
步骤2.2：根据无欺骗干扰时存储的残差方差数据更新检测阈值，具体为：根据残差方差离散程度和计算量选择窗口容量，使用未受欺骗干扰时存储的伪距和伪距率残差方差数据，按设定的虚警概率对检测阈值进行实时更新；
步骤2.3：更新残差滑动窗口内数据，具体为：构造容量为m的滑动窗口W＝[ek-m+1,ek-m+2,…,ek]，利用前m-1历元的残差得到滑动均值进而获得滑动方差，每个历元通过移位操作对滑动窗口内数据进行更新。
2.步骤3中若不成立，则根据该卫星通道前一历元欺骗标志Dec_flag、隔离退出计数器cntr状态进入相应的检测程序具体为：
步骤3.1：Dec_flag＝0或1，若Dec_flag为1，则进入隔离检测程序，否则继续判断隔离退出计数器cntr是否为0，若cntr不为0，执行步骤3.2；若cntr为0，执行步骤3.3；
步骤3.2：所述卫星处于隔离退出阶段，执行隔离退出检测程序；
步骤3.3：所述卫星在过去滤波过程内未受到欺骗干扰，执行常规检测程序。
3.步骤4中采取动态时延欺骗信号分段检测，依次进行动态时延过程检测和固定时延过程检测具体为：
步骤4.1：动态时延过程检测，具体为：计算伪距率残差方差，并与伪距率残差方差阈值进行比较，若检测量大于阈值说明存在动态时延过程、存在动态时延转发式欺骗干扰，并将欺骗标志Dec_flag置为1、赋给隔离退出计数器cntr设定的最大计数值，然后结束；若检测量小于阈值说明不存在动态时延过程，执行步骤4.2；
步骤4.2：固定时延过程检测，具体为：计算伪距残差方差，并与伪距残差方差阈值进行比较，若检测量大于阈值说明存在固定时延过程、存在固定时延转发式欺骗干扰，并将欺骗标志Dec_flag置为1、赋给隔离退出计数器cntr设定的最大计数值，然后结束；若检测量小于阈值说明不存在转发式欺骗干扰，执行步骤4.3；
步骤4.3：未检出欺骗干扰时，对隔离退出计数器进行相应操作，具体为：执行常规检测程序，对隔离退出计数器归零，欺骗标志Dec_flag置为0；执行隔离退出检测程序，对隔离退出计数器采取每次减1的操作，直到隔离退出计数器归零，欺骗标志Dec_flag置为0；执行隔离检测程序，赋给隔离退出计数器设定的最大值，欺骗标志Dec_flag置为0。
4.步骤1中采集GNSS接收机导航参数和SINS导航参数，对数据做预处理具体为：
步骤1.1：采集GNSS接收机导航参数，包括：时间标签、卫星PRN号、载波相位、伪距、多普勒频移、信号强度和星历数据；
步骤1.2：采集SINS导航参数，包括比力数据、角速度数据和每次SINS更新的时间标签；
步骤1.3：对采集到的数据做预处理，具体为：首先处理接收机观测数据得到观测信息，包括时间标签、可见卫星PRN号、伪距、伪距率；其次，通过提取星历参数进行卫星位置速度解算得到各颗可见卫星的三维位置、速度、钟差和频漂；最后将SINS导航参数与GNSS接收机导航参数按同一时间标签进行时间同步。
5.步骤5中得到欺骗干扰检测结果并对检出欺骗通道所对应的卫星信号予以剔除，得到欺骗干扰检测和组合导航定位结果具体为：隔离受欺骗干扰卫星通道，并重新构造相应的残差矩阵、量测矩阵、量测噪声协方差矩阵和增益矩阵，组合导航卡尔曼滤波结束、状态更新，并保存当前历元欺骗检测结果。
本发明的有益效果：针对动态时延转发式欺骗干扰检测问题，本发明引入不受外界干扰的捷联式惯性导航系统组成GNSS/SINS紧组合导航系统，并在此基础上通过分析紧组合伪距和伪距率残差的动态时延特征，将一次完整的动态时延转发式欺骗干扰过程分解为“动态时延过程”和“固定时延过程”，提出了基于残差动态时延特征的紧组合导航转发式欺骗干扰检测方法，实现了对动态时延转发式欺骗干扰的实时检测。
本发明利用紧组合伪距和伪距率残差的动态时延特征设计检测量及检测流程，利用残差方差的概率统计特征设计检测阈值，该方法能够有效检测码相位偏移速率不低于0.1chip/s的动态时延转发式欺骗干扰。
附图说明
图1为本发明所述欺骗干扰检测方法整体流程图。
图2为常规检测程序流程图。
图3为隔离检测程序流程图。
图4为隔离退出检测程序流程图。
图5为无转发式欺骗干扰时伪距残差方差变化情况(滑动窗口容量m＝10)。
图6为无转发式欺骗干扰时伪距残差方差变化情况(滑动窗口容量m＝50)。
图7为无转发式欺骗干扰时伪距残差方差变化情况(滑动窗口容量m＝100)。
图8为无转发式欺骗干扰时伪距率残差方差变化情况(滑动窗口容量m＝10)。
图9为无转发式欺骗干扰时伪距率残差方差变化情况(滑动窗口容量m＝50)。
图10为无转发式欺骗干扰时伪距率残差方差变化情况(滑动窗口容量m＝100)。
图11为伪距残差方差概率统计特征。
图12为伪距率残差方差概率统计特征。
图13为动态时延转发式欺骗干扰伪距和伪距率误差变化情况。
图14为PRN1持续动态时延欺骗信号检测结果。
图15为PRN9阶段动态时延欺骗信号检测结果。
图16为PRN2无动态时延欺骗信号检测结果。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
结合图1至图4，本发明具体实施方式包括以下步骤：
步骤一：采集GNSS接收机导航参数和SINS导航参数，对数据做预处理，具体包括：
1.1采集GNSS接收机导航参数。
1.2采集SINS导航参数。
1.3对采集到的数据做预处理。
步骤二：更新残差滑动窗口内数据，根据无欺骗干扰时存储的残差方差数据更新检测阈值，具体包括：
2.1获得当前历元的伪距和伪距率残差。
2.2根据无欺骗干扰时存储的残差方差数据更新检测阈值
2.3更新残差滑动窗口内数据
步骤三：若残差滑动窗口内的有效数据个数num少于窗口容量m，则不具备检测条件，暂不进入检测程序；否则根据该卫星通道前一历元欺骗标志Dec_flag、隔离退出计数器cntr状态进入相应的检测程序，具体包括：
3.1若残差滑动窗口内的有效数据个数num少于窗口容量m，则暂不进入检测程序；否则根据前一历元各通道欺骗标志Dec_flag、隔离退出计数器cntr状态进入相应的检测程序。
3.2若Dec_flag为1，进入“隔离检测程序”，否则继续判断隔离退出计数器cntr是否为0。
3.3若cntr不为0，说明该卫星处于隔离退出阶段，需执行“隔离退出检测程序”。
3.4若cntr为0，说明该卫星在过去50次滤波过程内未受到欺骗干扰，需执行“常规检测程序”。
步骤四：按照动态时延欺骗信号分段检测的设计思想，依次进行动态时延过程检测和固定时延过程检测，具体包括：
4.1动态时延过程检测。
4.2固定时延过程检测。
4.3未检出欺骗干扰时，三种检测程序需对隔离退出计数器进行相应操作。
步骤五：得到欺骗干扰检测结果并对检出欺骗通道所对应的卫星信号予以剔除，具体包括：
5.1剔除检测出欺骗的通道及相应卫星。
5.2得到欺骗干扰检测和组合导航定位结果。
步骤六：更新历元信息，并重复执行步骤一到五，直至处理完所有历元。
步骤1.1中，采集GNSS接收机导航参数的方法：按RINEX3.02格式读取观测数据(包括时间标签、卫星PRN号、载波相位、伪距、多普勒频移、信号强度等观测值信息)和星历数据。
步骤1.2中，采集SINS输出的比力数据和角速度数据的方法：采集SINS输出的比力数据、角速度数据和每次SINS更新的时间标签。
步骤1.3中，对采集到的数据做预处理的方法：首先对接收机观测数据做简单处理，可直接得到时间标签、可见卫星PRN号、伪距、伪距率等观测信息；其次，通过提取星历参数、进行卫星位置速度解算可以得到各颗可见卫星的三维位置、速度以及钟差、频漂等信息；最后将SINS导航参数与GNSS接收机导航参数按同一时间标签进行时间同步。
步骤2.1中，当前历元的伪距和伪距率残差的获得方法：分段线性化处理后的GNSS/SINS紧组合导航系统表达式为：xk＝Φk/k-1xk-1+Γk-1wk-1和zk＝Hkxk+vk。式中，xk为状态向量；Φk/k-1为一步状态转移矩阵；Γk-1为系统噪声矩阵；zk为量测值向量；Hk为量测矩阵；wk-1和vk为互不相关的零均值白噪声向量。紧组合系统卡尔曼滤波残差ek包括伪距残差ρek和伪距率残差表达式为：ek＝zk-Hkxk/k-1。
步骤2.2中，根据无欺骗干扰时存储的残差方差数据进行检测阈值更新方法：残差方差离散程度随窗口容量增大而减小，但是窗口容量过大会增加计算量。故窗口容量可以取50。在实际应用中需要使用未受欺骗干扰时存储的伪距和伪距率残差方差数据，按设定的虚警概率对检测阈值进行实时更新。
步骤2.3中，残差滑动窗口内数据的更新方法：构造容量为m的滑动窗口W＝[ek-m+1,ek-m+2,…,ek]，利用前m-1历元的残差可以得到滑动均值进而获得滑动方差，每个历元通过移位操作对滑动窗口内数据进行更新。
步骤3.1中，判断是否进入检测程序的方法：判断残差滑动窗口内可用数据数量是否少于窗口容量，若少于则暂不进入检测程序，否则进入检测程序。
步骤3.2中，判断是否进入隔离检测程序的方法：判断欺骗标志是否为1，若为1则进入隔离检测程序，否则需要进一步判断隔离退出计数器是否为0。
步骤3.3中，判断进入隔离退出检测程序的方法：在欺骗标志为0的前提下判断隔离退出计数器是否为0，若不为0则进入隔离退出检测程序。
步骤3.4中，判断进入常规检测程序的方法：在欺骗标志为0的前提下判断隔离退出计数器是否为0，若为0则进入常规检测程序。
步骤4.1中，动态时延过程检测的方法：通过比较伪距和伪距率的动态时延特征可知在动态时延欺骗信号作用下，伪距误差变化缓慢、伪距率误差变化迅速。因此，可对动态时延转发式欺骗干扰进行分段检测，将动态时延转发式欺骗干扰过程等效为“动态时延过程”和“固定时延过程”。在动态时延过程中利用伪距率突变的特征进行检测，在固定时延过程中利用动态时延过程所积累的伪距差异进行检测，从而在不同阶段中分别利用伪距和伪距率的动态时延特征设计欺骗检测算法。
在动态时延过程检测阶段，计算伪距率残差方差，并与伪距率残差方差阈值进行比较，若检测量大于阈值说明存在动态时延过程、存在动态时延转发式欺骗干扰，并将欺骗标志Dec_flag置为1、赋给隔离退出计数器cntr最大计数值50；若检测量小于阈值说明不存在动态时延过程，但还需要进一步做固定时延过程检测以判断是否存在欺骗干扰。
步骤4.2中，固定时延过程检测的方法：在固定时延过程检测阶段，计算伪距残差方差，并与伪距残差方差阈值进行比较。若检测量大于阈值说明存在固定时延过程，说明存在转发式欺骗干扰，并将欺骗标志Dec_flag置为1、赋给隔离退出计数器cntr最大计数值50；若检测量小于阈值说明不存在转发式欺骗干扰。
步骤4.3中，未检出欺骗干扰时，三种检测程序对隔离退出计数器进行相应操作的方法：常规检测程序由于不涉及隔离退出的问题，故对隔离退出计数器直接归零；隔离退出检测程序需要确保刚刚恢复正常的卫星信号在最近50次滤波过程中无欺骗干扰影响，故对其每次采取“减1”的操作，直到隔离退出计数器归零；隔离检测程序未检出欺骗干扰，即判定当前卫星信号已恢复正常，并赋给隔离退出计数器最大计数值50，以便后续执行隔离退出程序。
步骤5.1中，剔除检测出欺骗的通道及相应卫星的方法：隔离受欺骗干扰卫星通道，并重新构造相应的残差矩阵、量测矩阵、量测噪声协方差矩阵和增益矩阵。
步骤5.2中，得到欺骗干扰检测和组合导航定位结果的方法：组合导航卡尔曼滤波结束、状态更新，并保存当前历元欺骗检测结果。
下面结合具体参数给出实施例：
实施例步骤如下：
步骤1：采集GNSS接收机导航参数和SINS导航参数，对数据做预处理。
步骤2：更新残差滑动窗口内数据，根据无欺骗干扰时存储的残差方差数据更新检测阈值。
步骤3：若残差滑动窗口内的有效数据个数num少于窗口容量m，则不具备检测条件，暂不进入检测程序；否则根据该卫星通道前一历元欺骗标志Dec_flag、隔离退出计数器cntr状态进入相应的检测程序。
步骤4：按照动态时延欺骗信号分段检测的设计思想，依次进行动态时延过程检测和固定时延过程检测。
步骤5：得到欺骗干扰检测结果并对检出欺骗通道所对应的卫星信号予以剔除。
步骤6：更新历元信息，并重复执行步骤(1)到(5)，直至处理完所有历元。
本发明以GNSS接收机输出的观测数据和中等精度光纤惯导输出的比力和角速度数据为例，对具体处理过程进行详细说明。数据中的动态时延转发式欺骗干扰为人为添加，该数据具体信息如表1所示：
表1动态时延场景时延参数
步骤1中，SINS数据总时长为600s；GNSS接收机数据总时长为590.9s；组合导航起始处理历元为第91个历元。
步骤2中，以PRN1为例，残差滑动窗口分别设置为10、50和100时，无转发式欺骗干扰下的伪距和伪距率残差方差变化情况如图5至图10所示，经综合考虑，残差滑动窗口容量设置为m＝50；图11和图12分别给出了无欺骗干扰影响时，伪距和伪距率残差方差的概率密度和累积分布曲线。当检测概率高于99％时，伪距残差检测阈值可设置为4.65m2，在该阈值下，虚警概率为1.5×10-3；当检测概率高于99％时，伪距率残差检测阈值可设置为0.10m2/s2，在该阈值下，虚警概率为1.2×10-3。
步骤3中，滑动窗口容量预设为m，若卫星序号i大于可见卫星数量n，说明全部可见卫星通道均完成检测，退出检测程序；否则继续执行，并对第i颗卫星的伪距和伪距率残差滑动窗口进行更新。若残差滑动窗口内的有效数据个数num少于窗口容量m，则暂不进入检测程序，否则根据前一历元各通道欺骗标志Dec_flag、隔离退出计数器cntr状态进入相应的检测程序。常规检测程序、隔离检测程序、隔离退出检测程序流程图如图2、图3、图4所示。当检测到欺骗标志Dec_flag＝1时，说明该卫星在上一次卡尔曼滤波过程中已被检出存在欺骗干扰，于是进入“隔离检测程序”进行欺骗干扰检测，否则需要进一步判断其“隔离退出计数器”cntr是否为0。若cntr不为0，则说明该卫星目前正处于隔离退出阶段，需要执行“隔离退出检测程序”；若cntr为0，则说明该卫星至少在过去50次滤波过程内未受到过欺骗干扰，只需执行“常规检测程序”。
步骤4中，以PRN1为例，动态时延转发式欺骗干扰下，伪距和伪距率误差的动态时延特征如图13所示。伪距误差以约14.7m/s的速率缓慢增大至约439.9m后不再继续增加；伪距率误差在2个历元内突变至约14.7m/s，并在伪距误差达到约439.9m后恢复至正常水平。通过比较伪距和伪距率的动态时延特征，可知将动态时延转发式欺骗干扰过程等效为“动态时延过程”和“固定时延过程”可以有效开展欺骗检测算法的设计。检测程序以图2为例。若MV_raw_dot>T1，说明存在动态时延过程，需令Dec_flag＝1和cntr＝50；若小于阈值T1，则需进一步判断是否存在固定时延过程；若MV_raw>T0，则说明存在固定时延过程，需令Dec_flag＝1和cntr＝50；若MV_raw<T0，则表明检测算法未检出欺骗干扰。
步骤5中，在检出欺骗干扰的前提下隔离受欺骗干扰卫星通道，并重新构造相应的残差矩阵、量测矩阵、量测噪声协方差矩阵和增益矩阵；完成状态更新，并保存当前历元欺骗检测结果。
步骤6中，更新历元信息KF_cntr＝KF_cntr+1，循环处理完所有历元。PRN1持续动态时延欺骗信号检测结果如图14所示。PRN9阶段动态时延欺骗信号检测结果如图15所示。PRN2无动态时延欺骗信号检测结果如图16所示。
由动态时延转发式欺骗干扰检测结果可知，本发明可以有效实时检测码相位偏移速率不低于0.1chip/s的动态时延转发式欺骗干扰。
综上，本发明涉及一种GNSS/SINS紧组合导航转发式欺骗干扰检测方法，属于卫星导航欺骗检测技术领域。传统检测方法根据转发式欺骗干扰造成的伪距突变对欺骗信号进行识别，能够检测出固定时延转发式欺骗干扰，但对于动态时延转发式欺骗干扰无能为力。针对动态时延转发式欺骗干扰检测问题，本发明提出了基于残差动态时延特征的紧组合导航转发式欺骗干扰检测方法，根据紧组合残差的动态时延特征选取检测量并设计检测流程，根据残差方差的概率统计特征设计检测阈值，实现了对动态时延转发式欺骗干扰的检测。本发明包括以下步骤：(1)采集GNSS接收机导航参数和SINS导航参数，对数据做预处理；(2)更新残差滑动窗口内数据，根据无欺骗干扰时存储的残差方差数据更新检测阈值；(3)根据前一历元各通道受欺骗情况进入相应的检测程序(4)按照动态时延欺骗信号分段检测的设计思想，依次进行动态时延过程检测和固定时延过程检测(5)得到欺骗干扰检测结果并对检出欺骗通道所对应的卫星信号予以剔除(6)更新历元信息，并重复执行步骤(1)到(5)，直至处理完所有历元。经验证，本发明可以有效实时检测码相位偏移速率不低于0.1chip/s的动态时延转发式欺骗干扰。
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