一种抗欺骗干扰的空时采样导航定位方法与流程

本发明属于通信技术领域，进一步涉及信息处理技术，具体为一种抗欺骗干扰的空时采样导航定位方法，可用于卫星导航系统。

背景技术：

卫星导航系统无论是在传统的交通、测绘、海洋渔业、防灾救灾等方面，还是在新兴的共享单车、无人驾驶、无人机等领域都发挥着至关重要的作用。由于卫星信号到达地面时非常微弱，极易受到各种干扰的影响，导致定位精度下降甚至无法完成定位。特别是在存在欺骗式干扰时，由于干扰源发射的假信号在功率和信号波形方面与真实信号非常接近，使得欺骗干扰的检测与抑制更加困难。

北京航空航天大学提出的申请号为201810864041.3，申请公布号为cn108594271a的专利申请，公开了一种基于分层滤波的抗欺骗干扰的组合导航方法。该方法基于惯性和卫星组合导航系统建立组合导航系统状态模型，考虑欺骗干扰的传播特征，将欺骗干扰表征在基于一阶马尔科夫的随机过程，建立含有欺骗干扰的组合导航系统量测模型，从而设计出复合分层滤波器抑制欺骗干扰。然而，这种基于分层滤波的抗欺骗干扰的组合导航方法需要惯性导航加持，并且需要改变原本接收机结构，因此在适用性上尚有不足。

中国人民解放军国防科技大学提出的申请号为201710791177.1，申请公布号为cn107621645a的专利申请，公开了一种基于单接收机的抗欺骗干扰信号检测方法。该方法获取改正后的卫星在ecef坐标系下的位置后，利用卫星钟差改正量和对流层延迟改正得到改正后的伪距，进行最小二乘迭代求解，得到载体在ecef坐标系下的第一位置，基于卫星的伪距双差模型进行泰勒近似展开迭代求解得到载体在ecef坐标系下的第二位置；根据第一位置、第二位置之间的偏差是否大于预设阈值判断当前接收信号是否为欺骗干扰信号。这种方法的不足之处在于：1.单天线场景下无法利用差分计算消除一些比如大气影响、接收机时钟误差等干扰定位的因素；2.仅仅提出了检测欺骗干扰信号的方法，并未具体给出有效的抑制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种抗欺骗干扰的空时采样导航定位方法，旨在不需要改变传统接收机结构的前提下，使接收机不仅具备检测欺骗干扰的能力，还能完成准确定位，提高卫星导航接收机在欺骗干扰环境下的鲁棒性。

实现本发明目的的具体思路是：使用线性阵列天线模拟单天线移动进行空时采样得到目标信号，利用真实gps信号与欺骗信号在移动天线接收场景下信道的差异进行两种信号的检测与分类，从真实信号组中选取必要数目信号进行定位，得到抗欺骗干扰的目标定位坐标；本发明的具体步骤包括：

(1)获取目标信号：

接收机捕获跟踪gps信号，再对其进行混频、解扩和复共轭操作，得到目标信号r(t)：

其中，上标a和s分别代表真实gps信号和欺骗gps信号，下标i表示gps信号的编号，l1表示接收机可视的真实gps信号的数目，l2表示接收机可视的欺骗gps信号的数目，αi(t)表示在t时刻产生的第i个gps信号的随机抖动，a(t)为信道增益，ci(·)为第i个gps信号的扩频码，d(t)为卫星发送的导航数据，fd为多普勒频率，w(t)为加性白噪声，τ为信号传输延时；θi表示第i个gps信号下接收机测量方位角，∑表示求和操作，j表示复数的虚部；

(2)针对接收机捕获跟踪的l1+l2个gps信号，用m个线性均匀分布的阵列天线对目标信号r(t)进行采样，得到采样信号矩阵x：

(3)计算采样信号矩阵中各列之间的相关系数：

分别对采样信号矩阵x中的每一列采样数据与包含它的所有列进行相关系数计算，得到相关系数矩阵ρ：

(4)对相关系数进行阈值判断：

设定一个筛选信号的阈值n，根据该阈值判断相关系数矩阵ρ中除自相关系数外的其它相关系数是否大于阈值n，若是，则进入步骤(5)，反之，直接进入步骤(6)；

(5)检测欺骗信号：

(5.1)预先设置两个空的分组，分别为真实信号组和欺骗信号组；

(5.2)依次检测相关系数矩阵ρ的每一行，若在本行除了自相关系数之外还存在大于阈值n的相关系数，则将该行所代表的信号划入欺骗信号组；若不存在，则划入真实信号组；

(5.3)判断真实信号组中的信号数目是否大于等于4，若是，则进入步骤(6)，反之，返回步骤(1)；

(6)获得目标的定位坐标：

从真实信号组中任意选择4个信号，并分别取出其对应的4颗卫星坐标，根据gps定位解算算法求解得到目标的定位坐标。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明利用阵列天线接收机进行空时采样，捕获空域信道的时域特征，适用于静止和运动状态下的接收机，克服了单天线接收条件下接收机必须运动的局限性。

第二，本发明利用真实信号和欺骗信号所经历的无线信道统计特性的差异，不仅能够检测到欺骗信号，还能将干扰信号分离，进行正确的目标定位，不但实现简单方便，而且解决了现有方法即使检测出干扰也较难抑制干扰的问题。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明仿真实验的真实信号采样特征图；

图3为本发明仿真实验的欺骗信号采样特征图；

图4为本发明仿真实验的欺骗限号与真实信号之间特征差异图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，一种抗欺骗干扰的空时采样导航定位方法的实现流程图，对本发明的实施步骤作详细描述：

步骤1，获取目标信号。

接收机按照传统接收机捕获gps信号的方式进行信号捕获并追踪；所述的gps信号是指可视范围内所有卫星信号、欺骗信号和噪声。对接收信号进行混频、解扩和复共轭操作，得到目标信号r(t)表示如下：

其中，l1表示接收机可视的真实gps信号的数目，l2表示接收机可视的欺骗gps信号的数目；由于接收机时钟不稳定，gps信号会产生一个随机过程变化的随机抖动，表示在t时刻产生的第i个真实gps信号的随机抖动，表示在t时刻产生的第i个欺骗gps信号的随机抖动，表示第i个真实gps信号在t时刻的信道增益，表示第i个欺骗gps信号在t时刻的信道增益，i表示gps信号的编号，d^a(·)为卫星发送的真实导航数据，d^s(·)为卫星发送的欺骗导航数据，w(t)为加性白噪声，t表示时间，τ为信号传输延时，表示第i个真实gps信号在t时刻的多普勒频率，表示第i个欺骗gps信号在t时刻的多普勒频率，表示第i个真实gps信号下接收机测量方位角，表示第i个欺骗gps信号下接收机测量方位角，ci(·)为第i个gps信号的扩频码，∑表示求和操作，j表示虚数单位。

步骤2，对目标信号进行采样，获取采样信号矩阵。

线性阵列天线此时工作在单天线模式，阵列天线的每个子天线模拟运动单天线在不同时间的位置；针对接收机捕获跟踪的l1+l2个gps信号，用m个线性均匀分布的阵列天线对目标信号r(t)进行采样，得到采样信号矩阵x：

采样信号矩阵x为m×(l1+l2)的数据矩阵，其中，数据矩阵每一列代表捕获并追踪的一个信号的采样数据，包括真实信号和欺骗信号；整个数据矩阵代表了在m个天线处l1+l2个信号的采样数据，依次在阵列天线每一个子天线上的采样模拟了单天线移动在时空域上的采样。

步骤3，计算采样信号矩阵中各列之间的相关系数。

按照下式计算信号矩阵x第k列与第v列之间的相关系数ρkv：

其中，k∈[1,l1+l2],v∈[1,l1+l2]，e表示数学期望，h表示共轭转置运算；

分别对采样信号矩阵x每一列采样数据与包含它的所有列进行相关系数计算，从而得到相关系数矩阵ρ：

由于ρij＝ρji，因此ρ为实对称矩阵，共(l1+l2)×(l1+l2)个相关系数，其中包括欺骗信号之间的相关系数、真实信号之间的相关系数、真实信号与欺骗信号之间的相关系数。

步骤4，对相关系数进行阈值判断。

设定一个筛选信号的阈值n，用于衡量相关性强度；本实施例设定阈值为0.8，一般认为两个信号之间的相关系数大于0.8时表明两者具有强相关性。根据该阈值对相关系数进行判断，除自相关系数外，检测相关系数矩阵ρ中是否含有大于0.8的相关系数，若有，则表示存在欺骗信号，进入步骤5；反之，表示不存在欺骗信号，直接进入定位阶段，即跳转至步骤6。

步骤5，检测欺骗信号。

预先设置两个空的分组，分别代表真实信号组和欺骗信号组。

依次检测相关系数矩阵ρ的每一行，每一行代表当前行信号与其他信号之间的相关系数，若在本行除了自相关系数之外还有大于阈值0.8的相关系数，则将该行代表的信号加入设置好的欺骗信号组；若不存在，则将该信号放入设置好的真实信号组。

判断真实信号组中的信号数目是否大于等于4，若是，则进入步骤6获得定位坐标；反之，返回步骤1重新获取信号。

步骤6，获得目标的定位坐标。

由真实信号组中任意选取4个信号对目标进行定位，设选取的4个信号对应的卫星坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)，通过gps定位解算算法求解目标的定位坐标(x,y,z)：

其中，d1表示选取的第1个信号对应卫星与待定位目标之间的距离，d2表示选取的第2个信号对应卫星与待定位目标之间的距离，d3表示选取的第3个信号对应卫星与待定位目标之间的距离，d4表示选取的第4个信号对应卫星与待定位目标之间的距离；这里的距离是通过卫星信号发射时间与接收机接收时间差同电磁波传播速度c相乘得到的，δt为接收机时钟误差。

下面结合仿真图对本发明做进一步说明：

1.仿真条件：

仿真实验在intelpentiume58003.2ghzcpu、内存2gb的计算机上进行。仿真中，最大多普勒频率为1000hz，仿真最小时间为5×10^-5s，仿真次数10⁵次。

2.仿真内容：

本发明的仿真实验有三个。

仿真实验1：

本发明的仿真实验1是，采用本发明的信号采集处理方法接收5个真实gps信号，提取它们的信道特征，得到的真实gps信号信道特征结果如图2所示。图2中的横坐标表示时间，单位为秒，纵坐标表示信道增益，单位为db。

通过图2，可以看出，本发明采用的信号采集处理方法下真实信号之间的信道不具有相关性，并且各个信道之间的差距比较明显。

仿真实验2：

本发明的仿真实验2是，采用本发明的信号采集处理方法接收5个欺骗gps信号，提取它们的信道特征，得到的真实gps信号信道特征结果如图3所示。图3中的横坐标表示时间，单位为秒，纵坐标表示信道增益，单位为db。

通过图3，可以看出，本发明采用的信号采集处理方法下欺骗信号之间的信道具有强相关性，它们的信道特征在仿真情况下一样，在真实环境下会呈现出强相关性。

仿真实验3：

本发明的仿真实验3是，采用本发明的计算相关系数方法，针对真实信号和欺骗信号分别计算其相关系数。图3中的x轴坐标与y轴坐标均为真实信号和欺骗信号的数学表示，z轴坐标为所得相关系数。

通过图3，可以看出，真实信号之间的相关系数均不超过0.8，而欺骗信号之间的相关系数接近1，采用本发明的基于空时采样的抗欺骗干扰的方法，可以准确检测出欺骗信号，由真实信号获得准确的目标定位坐标，使用本发明在单接收机抗欺骗干扰的有效性极高。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上描述仅是本发明的一个具体实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。