一种基于多用户协作的转发式欺骗源的定位方法与流程

本发明涉及导航定位领域，更具体地，涉及基于多用户协作的转发式欺骗源的定位方法。

背景技术：

全球卫星导航系统(GNSS)，包括GPS、GLONASS、Galileo、北斗以及其它区域系统和增强系统，能够为全球用户提供准确的定位、导航、授时服务，由于良好的性能和低廉的成本，已经广泛应用于商业、运输、电力、航空航天、抗震救灾等领域，另外在军事上也有极其重要的地位。但导航卫星距离地球较远，到达地面的信号功率微弱，民用导航系统结构开放，信号体制公开，这些因素使人为欺骗卫星导航接收设备成为可能。欺骗攻击是一种恶意干扰，通过向接收机发送伪造或经过延迟的导航信号，欺骗攻击可以误导接收机产生错误的位置和时间信息。

为防御欺骗干扰，反欺骗技术已成为当前卫星导航领域研究热点。现有反欺骗技术，包括单天线、双天线、多天线、功率检测、信号质量监测、载波相位双差、环路状态监测、接收机自主完好性监测、转发式聚类、最大似然估计等技术，基本上都是一种“被动”防御技术，主要研究如何检测是否存在欺骗信号(称为欺骗检测)、哪个或哪些是欺骗信号(称为欺骗识别)以及如何抑制欺骗干扰对用户的影响(称为欺骗抑制)。这些技术仅能使采用了该技术的用户受益，并不能消除欺骗源的存在。另一方面，若我们能“主动”对欺骗干扰源进行定位，利用所得位置信息清除欺骗干扰源，则可以做到“一劳永逸”，使较大范围内用户受益。因此，如何实现欺骗干扰源定位是防御欺骗干扰的另一有效途径。

现有的干扰源定位技术，主要包括到达角(AOA)、接收信号强度(RSS)、到达时间差(TDOA)、到达频率差(FDOA)等。但这些技术都是将干扰源单纯地看作干扰信号来处理。而欺骗干扰，它不仅是一种干扰，而且是一种可以被接收使用的导航信号。因此，通过挖掘欺骗信号是一种可以被接收使用的导航信号这一特点，将能研究出更加高效的欺骗干扰源定位技术。

欺骗干扰，按实施方式不同，可分为自主产生式欺骗干扰和转发式两类。其中，自主产生式欺骗干扰，需要提前获得导航信号结构、伪码、电文等信息。这类干扰仅对公开民用信号存在，对加密的授权信号不存在。与之相对的，转发式欺骗干扰，仅需对信号进行延迟、播发，无需进行任何信息层面处理，因此对所有导航信号均存在。自主产生式欺骗和转发式欺骗干扰，欺骗用户的方式存在较大差异，其相应的干扰源定位方式也存在较大不同。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于多用户协作的转发式欺骗源的定位方法。

根据本发明的一个方面，提供一种基于多用户协作的转发式欺骗源的定位方法，其基于至少4个用户的位置、单卫星的位置以及对应每个用户的欺信时差，获得欺骗源的位置；

其中，所述欺信时差为卫星发射的真实信号和所述欺骗源转发的、对应所述真实信号的虚假信号分别到达对应用户的时间的差值。

本申请提出一种利用不同用户对同一欺骗信号进行欺信时差测量，实现欺骗源定位，可为寻找进而清除欺骗干扰源提供所必需的位置信息，在干扰监测网络、干扰源定位中具有重要应用价值。相比于现有TDoA干扰源定位技术要求多个用户必须严格时间同步，本发明无此要求，这将大大简化本发明的应用复杂度，更利用推广应用。

附图说明

图1为理想状态下欺骗源可能的位置示意图；

图2为现实中欺骗源可能的位置示意图；

图3为根据本发明实施例的所述定位方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了理想状态下欺骗源可能的位置示意图，假定欺骗源一旦接收到卫星信号就立刻转发出去，此时卫星A的直达信号(即真实信号)和转发信号(即欺骗源发送的欺骗信号)到达用户u的时间差τ(简称欺信时差)将由卫星位置P_A(t)、欺骗源位置P_s、用户位置P_u间相对位置几何关系决定，且满足：

||P_s-P_A(t)||+||P_s-P_u||-||P_u-P_A(t)||＝τc (1)

即：

||P_s-P_A(t)||+||P_s-P_u||＝||P_u-P_A(t)||+τc (2)

||P_s-P_u||表示欺骗源与用户间欧式距离，其它式含义与此相似，c表示无线电波传输速率即光速。式(2)表示，欺骗源将处于以卫星位置P_A(t)和用户位置P_u为焦点，且到这两个焦点的距离等于用户与卫星间几何距离||P_u(t)-P_A(t)||、与欺信时差所代表的距离τc之和，所共同确定的一个椭球面上。按照椭球交汇原理，只需三次测量就可以确定欺骗源的位置。

而现实中，欺骗源往往会对卫星信号进行一定延迟后再播发出去。在此，将卫星信号从进入欺骗源至被播发出去所经历的时延称为插入时延，假定该时延为τ_d。该时延将直接体现在所测量的欺信时差τ中。如图2所示，此时，卫星位置P_A(t)、欺骗源位置P_s、用户位置P_u间相对位置几何关系，及τ_d、τ将满足：

||P_s-P_A(t)||+||P_s-P_u||-||P_u-P_A(t)||+τ_dc＝τc (3)

即：

||P_s-P_A(t)||+||P_s-P_u||＝||P_u-P_A(t)||+(τ-τ_d)c (4)

由于插入时延τ_d受欺骗源控制，是未知的，因此此时欺骗源将处于以卫星位置P_A(t)和用户位置P_u为焦点的一个椭球环内。

图2示出了现实中欺骗源可能的位置示意图，其中图2中的阴影部分为欺骗源可能的位置。为了解决这个未知参数τ_d，需要一个额外的观测量，即至少需要4次测量。因此，对一个已知位置为P_u的用户，利用至少4个时刻{t₁,t₂,t₃,t₄}的卫星位置{P_A(t₁),P_A(t₂),P_A(t₃),P_A(t₄)}和欺信时差{τ₁,τ₂,τ₃,τ₄}，根据用户、卫星、欺骗源间相对位置几何关系就可以计算出欺骗源位置P_s，如式(5)所示。

需要说明的是，与目前已得到较为广泛应用的到达时间差(TDoA)定位技术相比，本发明虽然也是测量信号“时差”，但二者存在较大不同：TDoA测量的是同一信号(即干扰源)到达不同用户的时间差，采用的是“双曲线”定位原理；而本发明测量的是同一信号(卫星信号)通过不同路径(一是卫星与用户间直达路径，二是经过欺骗源的转发路径，如图1、图2所示)到达同一用户的时间差，采用的是“椭球”定位原理。定位原理不同，导致二者在使用时存在较大不同：TDoA技术要求有多个用户，且不同用户间需严格时间同步，而本发明技术则无此要求，这就大大简化了本发明的应用复杂度。

从图1、图2可以看到，卫星位置、用户位置和欺信时差是实现欺骗源定位的三个核心要素。

在一个实施例中，本发明提供了一种基于多用户协作的转发式欺骗源的定位方法，基于至少4个用户的位置、单卫星的位置以及对应同一个虚假信号的每个用户的欺信时差，获得欺骗源的位置；

其中，所有所述欺信时差为单卫星发射的真实信号和所述欺骗源转发的、对应所述真实信号的同一虚假信号到达对应用户的时间的差值。

图3示出了本发明实施例的所述定位方法的流程示意图，如图3可知，所述定位方法包括3个步骤：

S1、对至少4个用户接收的信号进行识别，获得真实信号和虚假信号，基于所述真实信号和虚假信号，分别获得每个用户的位置和对应所述虚假信号的单卫星的位置；

S2、基于真假信号发射时间对比法或者用户位置反向计算法分别获得对应同一个虚假信号的每个用户的欺信时差；以及

S3、基于每个所述用户的位置、单卫星的位置以及对应每个用户的欺信时差，获得欺骗源的位置。

本申请提出一种利用不同用户对同一欺骗信号进行欺信时差测量，实现欺骗源定位，可为寻找进而清除欺骗干扰源提供所必需的位置信息，在干扰监测网络、干扰源定位中具有重要应用价值。相比于现有TDoA干扰源定位技术要求多个用户必须严格时间同步，本发明无此要求，这将大大简化本发明的应用复杂度，更利用推广应用。

在一个实施例中，所述步骤S1中对至少4个用户接收的信号进行识别，包括：

对每个用户同时接收的同一卫星的各信号分别进行接收处理，提取信号发射时间，发射时间大者为真实信号，发射时间小者为虚假信号。

在一个具体实施例中，对所述单用户接收的信号进行识别还可以利用其它现有欺骗干扰检测、识别技术(例如，单天线、双天线、多天线、功率检测、信号质量监测、载波相位双差、环路状态监测、接收机自主完好性监测、转发式聚类、最大似然估计等技术)，辨别出哪些是真实信号、哪些是虚假信号。

在一个具体实施例中，所述步骤S1中获得所述每个用户的位置，包括：

对识别出的所述真实信号进行定位解算，获得每个用户的位置。所述定位解算的方法属于公知常识，不属于本发明的说明范畴。

在一个具体实施例中，当用户的位置已知时(例如，对于地面监测接收设备，其位置信息是已知的)，用户的位置不需要计算，直接利用即可。

在一个具体实施例中，所述步骤S1中获得对应所述虚假信号的单卫星的位置，包括：

从所述单用户接收的信号中提取导航电文，从所述导航电文中获得星历。转发式欺骗干扰不会篡改导航电文，因此无论是虚假信号还是真实信号中的导航电文都是可以利用的，而导航电文中的一些参数就是所述星历。

当然，也可以从网络等其它途径获取星历信息，世界上有很多网站会公布卫星星历，可直接下载得到。

进一步地，从所述虚假信号中选择一个虚假信号，假定该虚假信号是针对卫星A的，根据上述步骤获取的星历和当前时间t₁，计算该虚假信号对应的卫星位置，记为P_A(t₁)。

各用户分别测量针对卫星A的欺骗信号相对于真实信号的到达时间差(简称欺信时差)，将该欺信时差记为{τ₁(t),τ₂(t),...,τ_M(t)}，τ_M(t)表示t时刻，第M个用户的欺信时差。

在一个具体实施例中，所述真假信号发射时间对比法包括；

当所述用户同时接收到同一卫星的真实信号和虚假信号时，对二者同时进行接收处理，分别提取真实信号的发射时间信息和虚假信号的发射时间信息，并将两个发射时间信息的差值作为对应所述用户的所述欺信时差。

在一个具体实施例中，当用户无法接收到与欺骗信号对应的同一颗卫星的真实信号时，采用所述用户位置反向计算法：

基于真实信号进行定位解算，获得接收该真实信号的用户的位置；

基于所述用户的位置和单卫星位置，获得直达信号的传输时延，作为第一时延；

通过所述用户的本地时间与从欺骗信号中提取得到的信号发射时间做差，获得第二时延；以及

将所述第一时延与第二时延做差，获得对应所述用户的所述欺信时差。

在一个具体实施例中，所述步骤S3包括：

根据已获得的M个用户的位置{P_u1(t),P_u2(t),...,P_uM(t)}、卫星位置P_A(t)，以及S6在各用户分别测量得到的欺信时差{τ₁(t),τ₂(t),...,τ_M(t)}，联列方程式(6)并对其进行求解，可得欺骗源位置P_s(t)及该欺骗源对卫星信号引入的插入时延τ_d(t)。

式(6)中，c为光速；由于位置是三维坐标，因此欺骗源位置、用户位置、卫星位置可进一步分别表示为P_s(t)＝{x_s(t),y_s(t),z_s(t)},P_ui(t)＝{x_ui(t),y_ui(t),z_ui(t)}(i＝1,2,...,M),P_A(t)＝{x_A(t),y_A(t),z_A(t)}。式(6)中，它们之间的距离可进一步表示为

对于式(6)，一种可行的求解方法是，先对式(6)进行线性化处理，然后再利用最小二乘算法求解。当然也可以采用其它数学方法求解。

在一个具体实施例中，以GPS C/A码信号为例讲述该方法的实施步骤。但方法的实施并不局限于特定信号及具体参数，可灵活选择。假定当前真实卫星信号是卫星号为2、6、7、8、10、24的信号。存在一个转发式欺骗干扰源，该干扰源对卫星号为24的卫星信号进行转发干扰。假定有四个用户，他们均能接收到上述卫星信号及欺骗信号。

实施步骤如下：

步骤1：对接收到的GPS C/A码信号进行正常捕获、跟踪处理；

步骤2：由于转发信号的存在，各用户均能接收到2个卫星号为24的卫星信号；

步骤3：对第一个用户，对接收到的2个24号卫星信号同时进行接收处理，提取这两个信号各自的发射时间信息，以及星历信息，由于转发欺骗不会篡改星历，因此2个信号提取得到的星历是一样的；

步骤4：对步骤3所得发射时间信息进行比较，发射时间大者为真实信号，发射时间小者为欺骗信号；对二者做差，可得24号卫星的欺骗信号相对于真实信号的时延量即欺信时差；

步骤5：将步骤4中发射时间大者对应的24号卫星信号与其它卫星信号(即卫星号为2、6、7、8、10的卫星信号)，按正常导航信号接收方法进行处理，并进行定位解算，得到用户位置和当前时间；

步骤6：在第一个用户进行步骤3～步骤5的同时，第2～4个用户也按照步骤3～步骤5，分别计算各自的用户位置和针对24号卫星的欺骗信号的欺信时差；

步骤7：利用步骤3得到的星历和步骤5得到的当前时间，计算24号卫星的位置；

步骤8：将步骤7所得24号卫星的卫星位置，步骤5和6所得第1～4个用户的用户位置，步骤4和步骤6所得在第1～4个用户中分别测量得到的欺信时差，按式(6)联列方程并求解，就可以得到欺骗源位置即实现欺骗源定位。

相比于现有干扰源定位技术，包括到达角(AOA)、接收信号强度(RSS)、到达时间差(TDOA)、到达频率差(FDOA)等，本发明利用转发式欺骗干扰不仅是一种干扰，而且是一种可以被接收使用的导航信号这一特点，通过对欺骗信号进行测量反向实现对欺骗干扰源定位。

目前已有一些转发式欺骗干扰源定位技术，但要求欺骗源同时转发4颗以上卫星信号，且对各卫星信号的插入时延相同(即所有卫星信号从进入欺骗源至出欺骗源的时延量相同)。而本发明并无此要求。例如，即使欺骗源仅仅转发了一颗卫星的信号，本发明也适用。

与以往TDoA干扰源定位技术所需多个用户须严格时间同步(一般要同步至纳秒量级)相比，本发明所涉及的多个用户间无需严格时间同步，彼此间同步至毫秒甚至秒量级即可，这将大大简化该方法的应用。卫星导航系统授时精度，或采用普通时钟就可以满足本发明要求。

从式(6)可以看到，本发明对欺骗源未做任何约束——欺骗源可以是静止的也可以是运动的，插入时延可以是固定的也可以是时变的，因此该方法适用范围更广。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。