技术领域
[0001] 本发明涉及卫星导航定位技术领域，具体涉及一种船载定位终端的欺骗信号识别与滤除方法。
相关背景技术
[0002] GNSS提供全球的定位、导航与授时服务，可以为船舶在海上的航行提供极大的便利，但同时GNSS也存在一定的安全隐患，如GNSS信号具有很高的脆弱性，容易受到不法分子的恶意攻击干扰使接收机产生错误的定位。而对于海上航行的船舶，若导航系统被不法分子成功欺骗，将会对船上人员安全和财产造成巨大的威胁。因此，研究如何提高船舶导航系统的欺骗干扰检测能力是一个亟待解决的问题。常用的欺骗干扰检测方法有单天线接收机信号特征欺骗干扰检测、信号空间相关性欺骗干扰检测、机器学习欺骗干扰检测以及加密认证的欺骗干扰检测。
[0003] 基于单天线接收机信号特征欺骗干扰检测通过检测信号功率、噪声功率、载噪比、伪距、定位结果等特征识别欺骗，缺点是针对隐蔽性较高的同步式欺骗有时难以识别到干扰；基于信号空间相关性的欺骗干扰检测方法对接收机天线要求较高，天线体积大，成本高；基于机器学习欺骗干扰检测方法运算量大，且只能检测已经训练好的场景下的欺骗干扰，而实际场景复杂多变，导致干扰识别效果并不是那么理想；基于加密认证的欺骗干扰检测方法需要对现有的卫星信号体制进行修改，这种方案行不通。
[0004] 公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
具体实施方式
[0073] 下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0074] 图1示出了本发明实施例的船载定位终端的欺骗信号识别与滤除方法的流程示意图。针对GNSS欺骗干扰，本专利发明提供一种GNSS/INS紧组合导航系统下的欺骗干扰滤除方法。对于异步式欺骗干扰，本发明通过信号功率特征识别欺骗干扰；而对于隐蔽性较高的同步式欺骗干扰，本发明基于惯导提供的辅助信息包括位置、速度、伪距和伪距率信息，提供一种基于归一化的相关累加的欺骗干扰滤除方法，能快速准确地识别与滤除欺骗干扰。
[0075] 一种船载定位终端的欺骗干扰滤除方法，所述方法包括以下步骤：
[0076] 步骤1，原始观测信息获取。
[0077] GNSS射频前端模块接收卫星信号并将信号下变频为基带信号，基带信号处理模块对信号进行捕获、跟踪以及定位解算。从接收机中提取位置、速度、伪距、伪距率、信号功率等原始观测信息。
[0078] INS基于IMU提供的测量数据进行解算。从惯导系统中提取位置、速度、伪距、伪距率等原始观测信息。
[0079] 步骤2，欺骗干扰识别
[0080] 欺骗干扰主要分为同步式欺骗和异步式欺骗干扰，其中同步式欺骗干扰信号功率小，隐蔽性较高；而异步式欺骗干扰凭借大功率实现强相关干扰俘获目标接收机环路。因此，对于异步式欺骗干扰可以根据信号功率特征进行识别；而对于同步式欺骗干扰，本发明提供一种基于归一化的位置、速度、伪距、伪距率偏差进行滑动相关累加的多信息量联合的方法识别同步式欺骗干扰，具有较高的抗噪声性能以及欺骗干扰识别成功率，同时可以快速识别欺骗干扰。
[0081] 1.异步式欺骗干扰识别：
[0082] 异步式欺骗干扰凭借发射大功率欺骗信号实现强干扰。天上的卫星发射的GNSS信号经过长距离传输到达到地面后功率很小，比如地面GPS信号功率在‑160dBW左右，因此可以通过检测GNSS信号功率识别异步式欺骗干扰。
[0083] 2.同步式欺骗干扰识别：
[0084] 一般情况下，同步式欺骗干扰的信号功率在入侵GNSS接收机环路时比真实信号功率略高，且不会造成GNSS接收机跟踪环路失锁，隐蔽性高，难以通过功率特征识别同步式欺骗干扰。但欺骗干扰会导致GNSS接收机定位结果与当前真实位置、速度等信息不一致，而INS系统靠力学积分解算位置、速度信息，不受欺骗干扰影响。因此，考虑采用GNSS和INS提供的观测信息的不一致性识别欺骗干扰。选取识别欺骗干扰的观测信息主要包括位置、速度、伪距以及伪距率，通过对观测信息偏差进行滑动相关累加，可以快速识别欺骗干扰。同时由于选取一定长度数据进行滑动相关累加以及选取多相关检测量进行欺骗识别估计，具有较高的抗噪声性能和准确的欺骗干扰识别成功率。
[0085] (1)归一化位置相关检测量
[0086] 归一化位置相关检测量计算公式为：
[0087]
[0088] 式中，L表示滑动观测数据点数；σp表示组合导航系统在无干扰正常工作情况下的GNSS接收机定位解算的位置与INS解算的位置之间的最大偏差；pGNSS为GNSS接收机提供的位置信息；pINS为INS提供的位置信息；k表示当前系统时刻。
[0089] (2)归一化速度相关检测量
[0090]
[0091] 式中，σv表示组合导航系统在无干扰正常工作情况下的GNSS接收机定位解算的速度与INS解算的速度之间的最大偏差；vGNSS为GNSS接收机提供的速度信息；vINS为INS提供的速度信息。
[0092] (3)归一化伪距相关检测量
[0093]
[0094] 式中，N表示GNSS接收机的信号处理通道总数；σρ表示组合导航系统在无干扰正常工作情况下的GNSS接收机解算的伪距与INS解算的伪距之间的最大偏差；ρGNSS为GNSS接收机提供的伪距信息；ρINS为INS提供的伪距信息。
[0095] (4)归一化伪距率相关检测量
[0096] 归一化伪距率相关检测量计算公式为：
[0097]
[0098] 式中， 表示组合导航系统在无干扰正常工作情况下的GNSS接收机定位解算的伪距率与INS解算的伪距率之间的最大偏差； 为GNSS接收机提供的伪距率信息；为INS提供的伪距率信息。
[0099] 基于欺骗干扰特征识别量对欺骗干扰进行判定，有以下三种判定结果。
[0100] 1)当归一化相关检测量同时满足0≤Rp,k≤1，0≤Rv,k≤1，0≤Rρ,k,j≤1(j＝1,2,...,N)， 时，则判定系统未受到欺骗干扰攻击；
[0101] 2)当归一化相关检测量部分满足0≤Rp,k≤1，0≤Rv,k≤1，0≤Rρ,k≤1(j＝1,2,...,N)， 时，则判定系统受到欺骗干扰攻击风险，记录存在欺骗干扰攻击风险的卫星PRN号；
[0102] 3)当归一化相关检测量同时满足Rp,k>1，Rv,k>1，Rρ,k>1(j＝1,2,...,N)，时，则判定系统受到欺骗干扰攻击，记录欺骗干扰攻击的卫星PRN号。
[0103] 步骤3，欺骗干扰信息滤除与组合导航卡尔曼滤波
[0104] 选取系统状态量Xk为：
[0105] Xk＝[Δλ ΔL Δh ΔVe ΔVn ΔVu φe φn φu δtu δtru][0106] 式中，Δλ、ΔL、Δh分别为经度、纬度和高度误差；ΔVe、ΔVn、ΔVu分别为东向、北向和天向误差；φe、φn、φu分别为东向、北向和天向平台角误差；δtu、δtru分别为GNSS接收机时钟的钟差和钟偏。
[0107] 则建立系统状态方程为：
[0108] Xk＝Φk,k‑1X(k‑1)+W(k‑1)
[0109] 式中，Φk,k‑1为系统状态转移矩阵；W(k‑1)为系统噪声矩阵。
[0110] 选取系统观测量Zk为：
[0111]
[0112] 式中，Δρ为GNSS接收机和惯导测量伪距差； 为GNSS接收机和惯导测量伪距率差。
[0113] 本发明方法通过在组合导航系统的环路上滤除受到欺骗干扰或存在欺骗干扰风险的伪距、伪距率信息实现抗欺骗干扰。根据步骤2，若识别结果为未受到欺骗干扰攻击，则所有接收机通道均参与滤波运算；若识别结果为受到欺骗干扰攻击或存在欺骗干扰风险，则系统隔离这些异常通道，选取正常通道参与滤波运算，保证卡尔曼滤波输出正确的位置、速度等误差修正信息。
[0114] 进一步地建立系统观测方程为：
[0115] Zk＝HXk+Vk
[0116] 式中，Vk为观测噪声，H为观测矩阵。
[0117] 一般假设过程噪声Wk和观测噪声Vk为高斯白噪声且互不相关，噪声协方差矩阵Qk和观测噪声协方差矩阵为Rk分别为：
[0118]
[0119] 则一步状态预测矩阵 为：
[0120]
[0121] 协方差预测矩阵Pk|k‑1为：
[0122] Pk|k‑1＝ΦPk‑1|k‑1ΦT+Qk
[0123] 滤波增益矩阵Kk为：
[0124]
[0125] 状态估计量 为：
[0126]
[0127] 预测均方差矩阵Pk为：
[0128] Pk＝(I‑KkH)Pk|k‑1。
[0129] 步骤4，系统输出误差校正后的位置、速度等信息
[0130] 系统根据卡尔曼滤波计算得到的误差校正信息对INS计算的位置、速度、姿态等信息进行修正，输出误差校正后的位置、速度、姿态等信息。
[0131] 本发明相比现有技术主要在以下部分做了创新：
[0132] 1)在信号域，基于信号功率识别异步式欺骗干扰。
[0133] 2)在信息域，基于归一化的位置偏差相关累加量、速度偏差相关累加量、伪距偏差相关累加量、伪距率偏差相关累加量检测同步式欺骗干扰。同时能够识别到具体是哪一颗卫星受到欺骗干扰攻击。
[0134] 3)本发明提供的归一化的相关累加公式根据实际欺骗干扰场景创造。基于相关累加识别欺骗干扰方法具有抗噪声能力强、运算量小、干扰识别率高以及识别速度快的优点。
[0135] 在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0136] 应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。上述实施例中的步骤，除有特殊说明外，不应理解为对执行顺序的限定。
