一种GNSS转发式欺骗系统的实现方法与流程

本发明属于卫星导航机信号处理技术领域，具体一种GNSS转发式欺骗系统的实现方法。

背景技术：

GPS欺骗技术分为生成式欺骗和转发式欺骗。生成式欺骗的实现，需要信号仿真器知道完整的GPS数据信息，难度比较大；而转发式欺骗系统通过导航信号接收机来接收导航卫星的下行信号，然后直接将接收信号进行转发，或者转发的信号与原来的信号完全相同，只是时间延时不同，使得目标接收机解算出错误的定位定时结果。对方反侦察设备在检测时，由于与卫星导航下行信号一致性很高，所以很难发现欺骗信号。相比较于生成式欺骗，转发式欺骗系统不需要知道卫星的PRN值和电文数据，且不需要进行时间上的同步，实现起来更加简便。目前常用的转发式欺骗的实现方法是用GPS信号转发器进行转发和使用定向天线。

GPS信号转发器是将接收到的GPS通过一段时间的延迟后再放大发射出去，缺点是组成该信号的每个卫星通道的时延是相同的，不能任意改变欺骗的定位结果。使用定向天线可以起到改变部分卫星时延的作用，但是也存在了比如定向天线漏掉了部分卫星，或者部分卫星被多根定向天线同时转发，这样会造成定位结果的不可预知。

目前的接收机对于中频信号数据的处理，主要是通过解调剥离掉信号中的载波分量，通过解扩剥离掉信号中的扩频码，得到用户所需要的导航数据，而没有对被剥离的载波和扩频码进行进一步的处理。

目前所使用的接收机的主要思想是软件无线电，主要由天线、射频前端、A/D转换器和基带信号软件处理四大模块组成，可以将下变频、滤波、捕获、跟踪与解调、测量、PVT解算等功能用软件都在通用处理器上进行实现。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于目前在转发式欺骗里常用的转发器，通常对于各卫星信号的转发过程中，增加的延时相同，导致对目标接收机的定位结果在理想状态下与转发器天线位置相同，使得对目标接收机定位结果的影响存在着一定的局限性，针对这样的问题，提出了一种GNSS转发式欺骗系统的实现方法，利用软件接收机从采集到的卫星中频信号中，获得与真实信号一致的每一颗可见星信号的载波、扩频码与导航数据，并针对不同的卫星扩频码增加不同的延时，达到影响目标接收机定位结果的目的。与之前的欺骗系统算法不同的是，这里先将接收信号解调解扩，获得卫星信号的载波、扩频码和导航数据，再重新扩频调制获得欺骗信号；对不同卫星信号分别增加增加不同的人为设置的码延时，由于不同卫星信号的伪码延时不同，可以将目标接收机欺骗到人为设定的位置上，而不受转发器天线位置影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种GNSS转发式欺骗系统的实现方法，具体步骤如下：

步骤一、利用中频采样器采集接收天线接收到的室外原始信号，下变频成数字中频信号；

步骤二、将步骤一中采集到的数字中频信号，通过解调解扩，获得每一颗卫星的载波、扩频码和导航数据；

步骤三、将欺骗的距离通过相关的转换关系，转化成C/A码码片上的偏移量Δt；具体转换关系如下：

Δt＝Δρ_i/c

其中：Δρ_i为欺骗所偏移的距离，c为光速；

步骤四、将步骤二所获得的扩频码按步骤三所得到的码偏移量进行延时，生成欺骗信号扩频码，利用步骤二中的载波生产欺骗信号载波，将步骤二中的导航数据利用欺骗信号扩频码和载波进行扩频调制，生成单通道欺骗信号；具体的公式表示为：

上式中，其中表示第i颗卫星信号的欺骗信号，C_i(t-Δt)表示从跟踪环路获得的真实复现的C/A码增加了Δt的延时，cos(ω_it+φ_i)表示跟踪环路中获得的载波，D_i(t)表示接收机接收到的卫星信号经过解调解扩之后得到的导航数据码，P_i^sp(t)表示欺骗信号的功率，由人为设置的干扰信号比确定，欺骗信号的功率与干扰信号比之间的换算关系如下：

其中，ISR_i为干扰信号比，P_i^au表示真实信号功率，介于-160dBm～-130dBm；

步骤五、重复步骤四获得多个单卫星信号的欺骗信号；

步骤六、将步骤五获得的多个卫星的欺骗信号进行混合，表示为：

其中，表示混合后的欺骗信号的中频信号，N表示卫星星数；

步骤七，将步骤六获得的中频欺骗信号，上变频至载频，并通过发射天线对外辐射，发送给目标接收机，能够将目标接收机欺骗到设定的位置上。

进一步地，对生成的多个通道单通道欺骗信号的混合信号进行相关的验证；通过研究捕获阶段的卫星捕获结果图，跟踪阶段的码跟踪相关曲线，定位阶段的定位结果图，能够验证该实现方法的有效性。

本发明的有益效果是：本发明提出了GNSS转发式欺骗系统的实现方法，所述方法依据转发式欺骗的基本理论，将接收的原始的多卫星混合信号，分解成多个单卫星信号，并分别增加与预设定位位置相关的扩频码码延时。单卫星信号经过延时后，可通过设置不同的信号强度，实现不同干信比条件的欺骗式干扰；可通过选择不同数量，与指定的受干扰卫星信号，实现不完全的欺骗式干扰。所述方法将原始的多通道混合信号分解成多个单通道信号进行分别处理。

本发明相比于昂贵的信号仿真器，成本比较低，节省开支，为转发式欺骗的相关特性的理论分析提供了基础，同时也为抗欺骗的研究提供多方面的数据支持和检测手段。通过目标接收机的定位欺骗，可提高区域防御能力，为打击新型无人机边界走私提供有力手段。

附图说明

图1是GNSS转发式欺骗系统结构图。

图2是单颗卫星欺骗信号产生流程图。

图3是多卫星欺骗信号产生流程图。

图4是欺骗信号发射部分结构图。

图5是理想相关曲线与欺骗干扰下的相关曲线。

图6是真实位置、理想欺骗位置和欺骗干扰下的实际定位。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种GNSS转发式欺骗系统对GPS L1载波频率信号进行欺骗干扰的实现方法进行详细说明：

本发明将采集到的多颗卫星信号混合的中频信号，在转发器中，将每一颗可见卫星信号经过解调环节剥离载波,经过解扩环节剥离伪码，即C/A码得到导航数据。与之前的接收机算法不同的是，这里将解调阶段剥离的载波和解扩阶段剥离的伪码保存下来，用以生成欺骗信号；对不同卫星通道的伪码分别加上与预设定位结果相关的不同时延，重新与载波和导航数据进行扩频调制生成欺骗信号，由于不同通道信号的伪码延时不同，可以将接收机欺骗到设定的位置。具体结构图如下图1所示。

欺骗系统的整体实现流程图如图1所示，设计过程分为四个步骤，首先采集获得真实卫星信号的中频信号；其次，完成对单颗卫星欺骗信号的生成，对每颗卫星的欺骗信号进行不同延时的处理，同时通过调整欺骗信号功率，以改变欺骗信号与真实信号的干信比；然后，将单颗卫星信号的欺骗信号混合，生成针对多颗卫星的欺骗信号；最后，通过欺骗信号发射部分向外辐射欺骗信号。整个流程图的顺序为真实信号采集，单卫星欺骗信号生成，多卫星欺骗信号生成和欺骗信号发射。具体步骤如下：

(1)真实信号采集，利用中频采样器连接接收天线，采集真实卫星信号，将采集到的真实卫星信号经过模数转换、下变频转换成数字中频信号。

(2)单卫星欺骗信号生成，采集到的数字中频信号，为多颗卫星信号的混合信号。将数字中频信号中每颗卫星的信号进行剥离，被剥离的单颗卫星信号经过延时处理后，扩频调制生成针对单颗卫星的欺骗信号，如图2所示；

(3)多卫星欺骗信号生成，将多个单卫星欺骗信号进行叠加混合，生成多卫星欺骗信号，如图3所示。

(4)欺骗信号发射，中频欺骗信号，上变频至载频，并通过发射天线对外辐射，发送给接收机，如图4所示。

根据生成的真实信号与欺骗信号，产生单通道的混合信号。由于在实际的欺骗干扰中，目标接收机接收到的信号是真实信号与欺骗信号按一定比例的混合信号。可以通过改变干信比(干扰信号比)来调整真实信号与欺骗信号的比例关系。干信比指的是欺骗信号与真实信号的功率比，单位是分贝(dB)。由于信号的功率与其幅值的平方成正比，实现设置干信比的方法可以从改变欺骗信号与真实信号的幅值入手。关于干信比与幅值的关系，进行如下推导：

将混合信号记为S，真实信号记为S₁,欺骗信号记为S₂,真实信号的增益为K₁，欺骗信号增益记为K,则混合信号可以表示如下：

S＝K₁S₁+KS₂

由于信号的的功率正比于幅值的平方，所以：

P₁∝K₁²,P₂∝K²

不妨令K₁＝1，则干信比等于：

反解可以得到；

本发明的关键在于通过干信比与幅值的关系，通过对每个通道的信号的干信比进行设置，转化为对欺骗信号和真实信号的幅值进行设置，这样便可以通过改变信号的幅值来改变整个欺骗系统的相关设置。

下面结合附图2，对本发明提出的单卫星欺骗信号产生方法的流程进行详细说明：

将采集的中频信号先进行解调环节得到原始信号的载波信息cos(ω_it+φ_i)，再通过解扩环节得到真实信号的扩频码C_i(t-τ_i)和导航数据信息D_i(t-τ)。对于扩频码部分，进行码片的延时处理，将欺骗距离转化成码延时，加入原扩频码的码延时上，形成欺骗信号的扩频码。欺骗信号偏移距离与码延时具体转换关系如下：

Δt＝Δρ_i/c

其中：Δρ_i为欺骗所偏移的距离，c为光速；

经过延时处理的扩频码为生成欺骗信号扩频码，与载波cos(ω_it+φ_i)，导航数据D_i(t-τ)进行扩频调制，生成单通道欺骗信号；具体的公式表示为：

上式中，其中表示第i颗卫星信号的欺骗信号，C_i(t-τ-Δt)表示从跟踪环路获得的真实复现的扩频码增加了Δt的延时，cos(ω_it+φ_i)表示跟踪环路中获得的载波，D_i(t-τ-Δt)表示接收机接收到的卫星信号经过解调解扩之后得到的导航数据码，P_i^sp(t)表示欺骗信号的功率，由人为设置的干信比确定，欺骗信号的功率与干信比之间的换算关系如下：

其中，ISR_i为干信比，P_i^au表示真实信号功率，一般介于-160dBm～-130dBm；在真实信号功率不能获得的情况下，可令P_i^au＝1，获得满足干信比需求的欺骗信号。

下面结合附图3，对本发明提出的混合信号的生成流程图进行详细说明：

利用附图2所示流程获得多个单卫星信号的欺骗信号，进行叠加混合，表示为：

其中，表示混合后的欺骗信号的中频信号，N表示欺骗信号的卫星星数，介于0与当前最大可见星数之间。当N为0时，表示没有无欺骗信号，当N等于当前最大可见星数时，表示所有接收到的卫星信号均进行被欺骗干扰。

下面结合附图4，对本发明提出的欺骗信号发射过程进行详细说明：

通过附图3所示的多卫星欺骗信号混合，获得的欺骗信号的数字中频信号，该中频信号经数模转换成为模拟信号，进步经上变频处理，频率增加至载频，产生的欺骗信号的模拟载频信号可通过发射天线对外辐射，发送给接收机，可将接收机欺骗到设定的位置上。

本发明的仿真验证验证过程如下：

仿真实验中所使用的原始GPS数据包含PRN＝9，15，18，21四颗卫星信号，不考虑其他误差影响，其定位结果认为是接收机真实位置。利用本文所提的欺骗干扰器，产生一组2分钟时长的欺骗干扰数据，其中PRN＝9,15,18,21分别增加80米，90米，200米和100米伪距延时，且干信比均为0dB。

对于产生的结果，利用GPS接收机进行验证。

在跟踪阶段，可以观察码跟踪相关曲线来判断，是否有欺骗信号的存在。理想相关曲线形状是一个三角形，欺骗干扰下相关曲线会呈现出平顶现象，原因是真实信号相关值与欺骗信号相关值进行了叠加，两个三角形的图像由于码相位不完全重合，幅度相同，叠加形成了一段平顶的图像。

在定位解算阶段，可以通过观察真实信号、欺骗信号与混合信号在东、北和天方向上的定位结果的变化情况。欺骗干扰影响，目标接收机定位结果将偏离真实位置，并向预设的欺骗位置接近，与预设位置的接近程度受欺骗干扰信号强度的影响。欺骗信号强度越大，目标接收机定位结果越接近预设位置，反之，欺骗信号强度越小，目标接收机定位结果越接近真实位置。

基于GNSS转发式欺骗系统的实现的实验结果如图5、图6所示。

图1是欺骗系统整体实现的流程图，主要包括四个部分，分别是中频信号采样部分，单卫星欺骗信号生成部分和多卫星欺骗信号合成部分和欺骗信号发射部分。

图2是单卫星欺骗信号生成流程图，主要包括了三个部分，第一部分是对原始信号的解调解扩，得出原始信号的载波、C/A码、导航电文。第二部分是对C/A加入相应的延时，生成偏移的C/A码。第三部分是将偏移的C/A，载波和导航电文扩频调制生成针对单颗卫星信号的欺骗信号。

图3是多卫星混合欺骗信号生成的流程图。对每单颗卫星的欺骗信号数据进行分块，循环进行多颗卫星欺骗信号的混合处理，得到多颗卫星欺骗信号的中频信号。

图4是欺骗信号发射部分结构图。多颗卫星欺骗信号的中频信号，经过数模转换，上变频至L1频率(1575.42MHz)，最后通过发射天线向外辐射。

图5(a)是标准码跟踪相关曲线，图5(b)是生成的混合信号的码跟踪相关曲线，从图(b)可以看出，归一化的码跟踪相关曲线有一个平顶，为真实信号和欺骗信号的码跟踪曲线的叠加效果，呈现一段平顶的现象，可见欺骗信号和真实信号能够同时被跟踪上。

图6(a)是真实位置、欺骗位置和混合信号位置在东方向欺骗干扰结果，图6(b)是真实位置、欺骗位置和混合信号位置在北方向欺骗干扰结果，图6(c)是真实位置、欺骗位置和混合信号位置在天方向欺骗干扰结果。由于欺骗信号与真实信号干信比为0dB，即信号强度相同，因此目标接收机最终的定位结果介于真实位置与预设欺骗位置之间，理论上与欺骗干扰效果吻合，满足要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。