检测虚假卫星导航信号的电路及卫星导航接收设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种检测虚假卫星导航信号的电路及卫星导航接收设备。该电路包括串联的解扩单元和解调单元，解调单元的载波跟踪环路中的鉴相器连接检测器，该检测器包括串联的频域转换电路、特征量计算电路和检测判决电路。该检测器对鉴相器的输出信号进行频域分析，计算特征量，再与预设门限比较来识别是否存在虚假卫星导航信号。利用该电路可以有效检测经过解扩之后的虚假信号，并具有成本低、扩展性强、适用性广等优势。
【专利说明】检测虚假卫星导航信号的电路及卫星导航接收设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及卫星导航、定位及授时领域，特别是涉及一种检测虚假导航信号的电路，以及包括该电路的卫星导航接收设备。
【背景技术】
[0002]随着GPS和“北斗”卫星导航定位以及授时业务在我国的普遍应用，对国民经济有重要影响的行业部门，如通信、电力、交通等，不仅对卫星导航定位及授时业务的精准性有较高要求，对其依赖性也大大增强，主要或完全通过卫星导航定位及授时来提供基础服务和技术支持，因此对卫星导航定位及授时业务的安全性提出了更高要求。
[0003]目前，针对卫星导航信号的干扰主要包括压制性干扰和欺骗性干扰，压制性干扰主要是通过产生高功率的同频干扰信号压制正常信号的接收，这种干扰易于检测发现。而欺骗性干扰则主要是指和正常信号特征相同或相似的虚假信号，具有较强的隐蔽性，当接收机接收到这些虚假信号后很可能会以正常信号来对待，完成对虚假信号的一系列接收处理，如对虚假信号进行捕获和跟踪、解调等，获得虚假信号中包含的各种虚假信息，进而产生各种错误操作指令，影响重要行业部门的安全。
[0004]由于卫星导航信号通常是直接序列扩频信号，对直接序列扩频信号接收通常包括对该信号进行扩频码的同步捕获和跟踪，即先完成扩频码的同步捕获，再转入扩频码的同步跟踪，然后在后一级通过解调环路进行载波跟踪实现对信息的解调。为此，欺骗性的虚假信号也采用直接序列扩频信号，并且采用了与真实的卫星导航信号相同或者码型非常接近的扩频码，这样当接收电路同时接收到真实的卫星导航信号和虚假的卫星导航信号时，特别是对于处于运动状态的卫星导航接收机，若虚假信号通过功率缓变、且能够保证与真实信号的扩频码相位差在I个码片周期之内时，即可实现对真实卫星导航信号和虚假卫星导航信号的同步解扩，而当虚假信号功率逐步增大时，后一级的解调环路很容易从真实信号上转移而锁定虚假信号，并进行载波跟踪和信息解调，获得其中的虚假信息，而真实的卫星导航信号却没有被载波跟踪和解调。
[0005]图1是现有技术卫星导航信号接收电路的结构示意图。当卫星导航接收设备接收到卫星导航信号，经过射频放大获得一定增益，然后经过下变频单元101将射频信号变为低中频(包括零中频)信号，然后在解扩单元102中对低中频的直接序列扩频信号进行解扩，解扩包括扩频码的跟踪，只有进入扩频码跟踪之后，后一级的解调单元103才能有效解调出卫星导航信号中包含的信息。解调单元103包括载波跟踪环路104，该环路的作用是产生本地载波，理论上该本地载波应该与输入到解调单元103的低中频信号的载波同频同相，这样由载波跟踪环路104输出的本地载波与该低中频信号相乘后才能恢复出信息。但由于多普勒效应、噪声等因素影响，进入到解调单元103中的低中频信号的载波频率存在动态变化，也会出现相位抖动，这就要求载波跟踪环路104输出的本地载波能够同步跟踪这种变化，始终保持与该低中频信号的载波同频同相。载波跟踪环路104包括现有技术中常用的Costas环、平方环等。[0006]现有技术中的这种接收电路结构，为虚假卫星导航信号进行欺骗干扰提供了可趁之机。这里的虚假卫星导航信号与真实卫星导航信号具有相同的信号体制，包括信息速率、调制方式、编码方式、帧结构等均相同，但导航电文的具体内容不同，利用这种虚假的电文可以达到欺骗甚至攻击的目的。由于虚假信号采用了相同的扩频码编码方式，图1中的解扩单元102在扩频码同步跟踪阶段，当虚假卫星导航信号也被接收进入解扩单元102后，在虚假信号与真实信号之间的扩频码相位差不超过I个码片周期时，解扩单元102也同步对虚假信号进行扩频码跟踪，即对虚假信号解扩。这样，进入解调单元103中的既有真实信号，又有虚假信号。虚假信号的载波与真实信号的载波之间存在一定的频差，或者存在不稳定的相位差，这是由于多普勒频移以及晶振的频率偏差及温度漂移，致使虚假信号与真实信号的载波之间不可能同频同相。当虚假信号以逐步增大功率的方式进行欺骗干扰时，解调单元103中的载波跟踪环路104会由跟踪真实信号的载波转向跟踪功率较大的虚假信号的载波，进而由解调真实卫星导航信号的信息转为解调虚假卫星导航信号的信息，达到欺骗的目的。
[0007]因此，需要针对这种能够被接收扩频码同步跟踪的虚假卫星导航信号提供一种有效的检测电路。
实用新型内容
[0008]本实用新型主要解决的技术问题是提供一种检测虚假卫星导航信号的电路及卫星导航接收设备，当虚假卫星导航信号与真实卫星导航信号的时间偏差在一个扩频码片之内，并存在频差和/或不稳定的相位差，虚假信号仍能够被有效检测出来。
[0009]为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是:提供一种检测虚假卫星导航信号的电路，该电路包括串联的下变频单元、解扩单元和解调单元，该解调单元包括载波跟踪环路，该载波跟踪环路包括串联的鉴相器、环路滤波器和振荡器，该鉴相器对来自该解扩单元的解扩信号和该振荡器反馈的载波跟踪信号进行鉴相，该解调单元还包括对该鉴相器的输出信号进行频谱分析的检测器。
[0010]在本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路的另一实施例中，该检测器包括串联的频域转换电路、特征量计算电路和检测判决电路，该频域转换电路用于将该鉴相器的输出信号转换为频域数据，该特征量计算电路则对该频域数据计算特征量，该检测判决电路将该特征量与预设门限比较，若该特征量大于或等于该预设门限则存在虚假卫星导航信号，若该特征量小于该预设门限则不存在卫星导航虚假信号。
[0011]在本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路的另一实施例中，该频域转换电路包括FFT电路，该FFT电路包括运算点数是128、256、512、1024或者2048的FFT电路。
[0012]在本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路的另一实施例中，该特征量计算电路对该频域数据按从低频到高频的顺序分为第一集合和第二集合，计算该第一集合中各频域数据平方的均值，得到第一均值，再计算该第二集合中各频域数据平方的均值，得到第二均值；然后用该第一均值除以该第二均值，得到特征量。
[0013]在本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路的另一实施例中，该预设门限取值范围是1.5至3。
[0014]在本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路的另一实施例中，该电路检测的虚假卫星导航信号与真实卫星导航信号的时间偏差在扩频码的I个码片周期之内，该虚假卫星导航信号与该真实卫星导航信号的载波存在频差和/或不稳定的相位差，该电路检测的虚假卫星导航信号相对于真实卫星导航信号电平变化范围包括-6dB至12dB。
[0015]本实用新型还提供了一种卫星导航接收设备，该卫星导航接收设备包括上述的检测虚假卫星导航信号的电路。
[0016]本实用新型的有益效果是:利用该检测虚假卫星导航信号的电路，能够在虚假卫星导航信号和真实导航卫星信号均通过解扩之后，对后一级载波跟踪环路中鉴相器的输出信号进行频谱分析，通过反映低频成分能量聚集度的特征量计算来判断虚假信号是否存在，技术途径方便有效，适应范围宽，并且该电路能够以软件可编程的方式在可编程数字电路中实现，具有成本低、扩展性强、适用性广等优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是现有技术卫星导航信号接收电路的结构示意图；
[0018]图2是根据本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路一实施例的结构示意图；
[0019]图3是根据本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路另一实施例的结构示意图；
[0020]图4是根据本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路另一实施例的仿真频谱图；
[0021]图5a是根据本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路另一实施例的检测门限与检测概率的关系图；
[0022]图5b是根据本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路另一实施例的检测门限与虚警概率的关系图；
[0023]图6a是根据本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路另一实施例FFT的运算点数为256时的检测概率与载噪比以及与虚假信号相对于真实信号功率之比的关系图；
[0024]图6b是根据本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路另一实施例FFT的运算点数为128时的检测概率与载噪比以及与虚假信号相对于真实信号功率之比的关系图；
[0025]图7是根据本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路另一实施例的虚警概率与载噪比的关系图。
【具体实施方式】
[0026]为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
[0027]需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的【技术领域】的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0028]图2是根据本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路一实施例的结构示意图。需要指出的是，图2所示电路省去了图1中的其他电路，仅针对图1中载波跟踪环路104提供其内部组成电路的实施例。进入图2电路的信号包括I支路信号和Q支路信号，这两个支路信号均来自图1的解扩单元102。振荡器203产生本地跟踪载波，其中一路载波反馈后直接与I支路信号相乘，另一路载波反馈后，经过η/2相移再与Q支路信号相乘。经过相乘运算的这两路信号再进入鉴相器201。鉴相器201中可以采取不同的鉴相算法，得到输入信号的相位差或该相位差的三角函数，例如得到该相位差的正弦函数、正切函数等。这些鉴相算法属于现有技术。环路滤波器202滤除鉴相器201输出的相位差信号或相位差三角函数信号中的高频成分，进而对振荡器203输出的跟踪载波频率进行调整。例如，当相位差为某一正值时，表明振荡器203当前输出的跟踪载波频率小于输入信号的载波频率，该正值作用于振荡器203可使其输出的跟踪载波频率增大；而当相位差为某一负值时，表明振荡器203当前输出的跟踪载波频率大于输入信号的载波频率，该负值作用于振荡器203可使其输出的跟踪载波频率减小；而当相位差为O时，表明振荡器203当前输出的跟踪载波频率基本上等于输入信号的载波频率，该O值作用于振荡器203使其保持当前载波频率稳定输出。由此可以动态跟踪输入信号的载波频率变化。
[0029]当虚假卫星导航信号和真实导航信号同时存在时，并且两种信号的扩频码相位差不超过扩频码的I个码片周期，解扩电路对这两种信号均可以解扩并处于扩频码同步跟踪状态，则进入解调电路的信号就包括了经过解扩的真实信号和虚假信号。特别是当虚假信号是以功率逐渐增大的方式进入时，图2所示的载波跟踪环路就会由初始跟踪真实信号的载波转为跟踪虚假信号的载波。容易知道，当没有虚假信号进入时，载波跟踪环路处于锁定状态，鉴相器201输出的相位误差仅仅是由噪声和动态应力造成的。在中低动态环境下，主要是由噪声造成的，环路锁定后，鉴相器201的输出信号功率谱将遍布整个频率范围。而当有虚假信号进入后，无论载波跟踪环路跟踪锁定真实信号还是跟踪锁定虚假信号，鉴相器的输出信号都将与输入的虚假信号密切相关。这是因为不论是虚假信号还是真实信号，因其信息数据的速率较低，其能量主要集中在低频部分。因此，当输入信号中包含虚假信号时，鉴相器201的输出信号的能量将主要集中在低频部分。这样，通过对鉴相器201的输出信号进行频谱分析，就能检测出信号中是否含有虚假信号。
[0030]图2中与鉴相器201相连的检测器204就是对鉴相器201的输出信号进行频谱分析，并主要通过分析低频段频谱成分的特征量来判断虚假信号是否存在。例如，当卫星导航信号中的信息为随机信号、信息符号速率为50bit/s,则鉴相器201的输出信号能量主要集中在50Hz以内的低频段。进行频谱分析的前提是对信号进行频域转换，得到频域数据。频域转换通常由频域转换电路来实现，如FFT电路、小波变换电路等。
[0031]图3是根据本实用新型检测虚假卫星导航信号的电路另一实施例的结构示意图。图3所示电路是图2中检测器204的实施例，其中包括串联的FFT电路301、特征量计算电路302和检测判决电路303。FFT电路301属于一种频域转换电路，对鉴相器的输出信号进行快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transfer)，将鉴相器的输出信号转换为反映其频谱特征的频域数据。根据FFT运算点数不同，得到的频率分辨率也不同，通常点数越多，频率分辨率越高，这样越有利于后一级电路对虚假信号进行有效检测。FFT运算点数可以选择128、256、512、1024 或 2048 等。
[0032]从FFT电路301转换得到这些频域数据后，再进入特征量计算电路302中计算特征量。选取合适的特征量对于检测分析非常重要。例如，选取FFT电路301输出数据中的幅度最大值、方差等特征量，这些特征量都与信号本身的信噪比关系密切，但由于信噪比变化范围较大，这些特征量都不能直接用作虚假检测。考虑到虚假信号的能量主要集中在低频部分，因此定义一个特征量Y，如下式所示:
[0033]
【权利要求】
1.一种检测虚假卫星导航信号的电路，所述电路包括串联的下变频单元、解扩单元和解调单元，所述解调单元包括载波跟踪环路，所述载波跟踪环路包括串联的鉴相器、环路滤波器和振荡器，所述鉴相器对来自所述解扩单元的解扩信号和所述振荡器反馈的载波跟踪信号进行鉴相，其特征在于:所述解调单元还包括对所述鉴相器的输出信号进行频谱分析的检测器。
2.根据权利要求1所述的检测虚假卫星导航信号的电路，其特征在于，所述检测器包括串联的频域转换电路、特征量计算电路和检测判决电路，所述频域转换电路用于将所述鉴相器的输出信号转换为频域数据，所述特征量计算电路用于对所述频域数据计算特征量，所述检测判决电路用于将所述特征量与预设门限比较，若所述特征量大于或等于所述预设门限则存在虚假卫星导航信号，若所述特征量小于所述预设门限则不存在虚假卫星导航?目号。
3.根据权利要求2所述的检测虚假卫星导航信号的电路，其特征在于，所述频域转换电路是FFT电路，所述FFT电路包括运算点数是128、256、512、1024或者2048的FFT电路。
4.根据权利要求3所述的检测虚假卫星导航信号的电路，其特征在于，所述特征量计算电路具体用于对所述频域数据按从低频到高频的顺序分为第一集合和第二集合，计算所述第一集合中各频域数据平方的均值，得到第一均值，再计算所述第二集合中各频域数据平方的均值，得到第二均值；然后用所述第一均值除以所述第二均值，得到所述特征量。
5.根据权利要求4所述的检测虚假卫星导航信号的电路，其特征在于，所述第一集合中频域数据的个数由接收的卫星导航信号中信息符号速率除以所述鉴相器的鉴相速率，再乘以所述FFT电路的运算点数得到；所述第二集合中频域数据的个数由所述FFT电路的运算点数减去所述第一集合中频域数据的个数得到。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的检测虚假卫星导航信号的电路，其特征在于，所述预设门限取值范围是1.5至3。
7.根据权利要求6所述的检测虚假卫星导航信号的电路，其特征在于，所述电路检测的虚假卫星导航信号与真实卫星导航信号的时间偏差在扩频码的I个码片周期之内，所述虚假卫星导航信号与所述真实卫星导航信号的载波存在频差和/或不稳定的相位差，所述电路检测的虚假卫星导航信号相对于真实卫星导航信号的电平变化范围包括_6dB至12dB。
8.—种卫星导航接收设备，其特征在于，所述卫星导航接收设备包括权利要求2-5中任一项所述的检测虚假卫星导航信号的电路。
【文档编号】G01S19/13GK203519828SQ201320394920
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2013年7月2日
【发明者】不公告发明人 申请人:江苏指南针导航通信技术有限公司