针对GNSS授时应用的多接收机欺骗检测方法与流程

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种针对gnss授时应用的多接收机欺骗检测方法。

背景技术：

gnss授时服务具有全天候、高精度等优点，因此广泛应用于电力传输、数字通信网络等需要精确时间同步的重要基础设施，以及银行、股票交易场所等。然而，由于到达地面的gnss(globalnavigationsatellitesystem)信号很微弱，导致其很容易受到干扰。不同于阻塞干扰等其他类型干扰，gnss欺骗干扰的目的不是使目标接收机不能正常工作，而是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。因此欺骗干扰的危害性更大。例如欺骗干扰可以通过拉偏gnss授时接收机的时间，进而导致电力传输故障或阻塞通信。

因此，学者们提出了许多抗欺骗方法。这些方法主要可以分为三类：(1)加密技术；(2)单接收机自主抗欺骗技术；(3)多天线或多接收机抗欺骗技术。其中第三类方法一般基于欺骗干扰源只有一个发射天线的假设，利用真实信号是空间分布的，而欺骗信号的入射方向一致这一特征，通过监测信号入射方向、监测多接收天线间载波相位的一致性等方法来检测抑制欺骗干扰。与单接收机自主抗欺骗技术相比，这类方法具有更强的抗欺骗性能，但是需要增加额外的硬件，成本较高；而且一些天线阵抗欺骗算法需要校准，算法实现复杂度较高。另外，当欺骗信号由多个天线分别发射时，此类算法将不能有效检测欺骗干扰。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述已有技术的不足，针对gnss(globalnavigationsatellitesystem)授时应用，提出一种多接收机欺骗检测方法，具体是指一种针对gnss授时应用的多接收机欺骗检测方法。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：建立多接收机欺骗干扰检测系统；设置m个(m≥2)静止位置已知的gnss接收机，且接收机间的基线长度小于100m。

步骤2：计算伪距单差测量值各个接收机通过处理接收到的卫星导航信号，获得各颗卫星信号到达各个接收机的伪距其中表示接收机m测得的第i颗卫星到达其接收天线的伪距值；选择接收机1为参考接收机，计算得到伪距单差

s3：步骤3：计算伪距单差期望值

s31)计算第i颗卫星信号的期望入射方向利用参考接收机1的位置r1＝[x1,y1,z1]^t和卫星位置sⁱ＝[xⁱ,yⁱ,zⁱ]^t，其中上标t表示向量转置，信号期望入射方向可由下式计算得到：

式中||r1-sⁱ||表示计算欧拉距离；

s32)计算期望距单差根据计算得到期望入手方向期望伪距单差可由下式计算得到：

其中dm1表示接收机m到参考接收机1之间的基线长度；γm1表示接收机m到参考接收机1之间的单位矢量；式中表示计算两个向量的内积。

步骤4：确定欺骗干扰检测量t(e)；

其中e＝[e2,...,em]^t，表示伪距单差测量值与期望值之间的差值；qe是e的协方差矩阵。

步骤5：确定检测门限th；检测门限th根据纽曼-皮尔逊准则确定。

步骤6：检测判决，当欺骗干扰检测量t(e)大于检测门限th时，则判定存在欺骗干扰；当欺骗干扰检测量t(e)小于检测门限th时，则判定不存在欺骗干扰。

作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述多接收机欺骗检测系统包括至少两个gnss接收机，且接收机静止位置已知，检测系统中接收机间的基线长度小于100m，因此每颗真实卫星信号到达所有接收机的电离层时延和对流层时延相同。另外，由于所有接收机共用一个采样时钟，故所有接收机的钟差相同。

作为本发明的进一步改进，在步骤s4中，所述的欺骗干扰检测量t(e)由下式确定：

其中e＝[e2,...,em]^t，qe是e的协方差矩阵。

作为本发明的进一步改进，在步骤s4中，当入射信号为真实信号时，em服从0均值高斯分布，因此检测量t(e)服从自由度为m-1的中心卡方分布；其概率密度函数为：

其中，h0表示没有欺骗干扰的条件；x＝t(e)；γ(·)为伽马函数。

作为本发明的进一步改进，在步骤s5中，根据纽曼-皮尔逊(neyman-pearson)准则，检测量的判决门限由下式确定：

其中α为虚警概率；f(x|h0)表示t(e)在h0条件下的概率密度函数；th为确定的检测门限。

现有技术相比，本发明具有以下几个优点：(1)检测系统易于实现；两个以上的普通商用级接收机组成的检测系统，即可有效的实施反欺骗防护；(2)计算量小，直接使用接收机伪距测量值完成检测，可以对gnss授时服务进行实时保护；(3)抗欺骗防护能力强，不仅能有效检测单天线干扰源辐射的欺骗信号，也能有效检测多天线干扰源生成的欺骗信号。

附图说明

图1是本发明方法的方法流程图。

图2是检测系统与入射信号空间分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述，但不构成对本发明的限制。

如图1和图2所示，本实施例的针对gnss授时应用的多接收机欺骗检测方法，其流程图如图1所示，包括以下步骤；

步骤1：如图2所示，设置至少两个gnss接收机，接收机静止位置已知，接收机间的基线长度小于100m，因此每颗真实卫星信号到达所有接收机的电离层时延和对流层时延相同。另外，由于所有接收机共用一个采样时钟，故所有接收机的钟差相同；这些接收机共同构成多接收机欺骗干扰检测系统。

步骤2：计算伪距单差测量值根据各个接收机通过处理接收到的卫星导航信号获得各颗卫星信号到达各个接收机的伪距其中表示接收机m测得的第i颗卫星到达其接收天线的伪距值；选择接收机1为参考接收机，可计算得到伪距单差

步骤3：计算伪距单差期望值其中dm1表示接收机m到参考接收机1之间的基线长度；γm1表示接收机m到参考接收机1之间的单位矢量；式中表示计算两个向量的内积；

第i颗卫星信号的期望入射方向，根据参考接收机1的位置r1＝[x1,y1,z1]^t和卫星位置sⁱ＝[xⁱ,yⁱ,zⁱ]^t，信号期望入射方向可由下式计算得到：

||·||表示计算欧拉距离。

步骤4：确定欺骗干扰检测量t(e)；

欺骗干扰检测量由误差的平方和来构造，确定的欺骗干扰检测量由下式计算得到：

其中e＝[e2,...,em]^t，qe是e的协方差矩阵。

当入射信号为真实信号时，{em}服从0均值高斯分布，因此检测量t(e)服从自由度为m-1的中心卡方分布，其概率密度函数为：

其中，h0表示没有欺骗干扰的条件；x＝t(e)；γ(·)为伽马函数。

步骤5：确定检测门限th，检测门限th根据纽曼-皮尔逊(neyman-pearson)准则确定，其满足的公式为：

其中α为没有欺骗干扰的h0条件下的虚警概率。

步骤6：检测判决，当检测量t(e)大于检测门限th时，则判定存在欺骗干扰；当检测量t(e)小于检测门限th时，则判定不存在欺骗干扰。

尽管上面是对本发明具体实施方案的完整描述，但是可以采取各种修改、变体和替换方案。这些等同方案和替换方案被包括在本发明的范围内。因此，本发明的范围不应该被限于所描述的实施方案，而是应该由所附权利要求书限定。