基于智能超表面的卫星导航欺骗方法、系统及设备

本技术涉及定位、导航与授时(position navigation and time，pnt)欺骗，特别是涉及一种基于智能超表面的卫星导航欺骗方法、系统及设备。

背景技术：

1、当前，针对无线电导航(包括卫星导航系统、塔康、罗兰-c、e-罗兰等)的欺骗主要有两种方法：生成式欺骗和转发式欺骗。生成式欺骗利用公开的或通过无线侦察获取的信号协议，根据欺骗轨迹计算信号参数后播发虚假导航信号，可以实现静止的定点欺骗以及运动的轨迹欺骗。转发式欺骗通过接收、存储、处理、再生成、播发等流程实现对导航接收机的欺骗，主要包括了即时转发、录放、通道延迟转发等，可以实现定点欺骗，也可以实现轨迹欺骗。

2、但是，受限于信号的真实性，无论生成式欺骗还是转发式欺骗的实际效果有限。首先授权码调制信号参数非公开并且侦察破解难度极大，具备接收授权信号的用户很容易消除生成式欺骗的影响，同时转发式欺骗信号具有明显的欺骗信号特征，如信号延迟、信噪比、信号来向等，用户接收机通过相应算法可以实现欺骗的检测和消除。通过接收、存储、处理、再生成可以实现近实时高信噪比的虚假导航信号生成，也可以归类为生成式欺骗，且不能生成授权导航信号。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实现低成本、隐蔽、逼真的欺骗效果的基于智能超表面(reconfigurable intelligent surface，ris)的卫星导航欺骗方法、系统及设备。

2、一种基于智能超表面的卫星导航欺骗方法，所述方法包括：

3、在导航卫星与目标接收机之间部署单个或多个固定在移动或固定载体上的ris模块，并获取导航卫星、目标接收机及ris模块的位置信息和天线增益；其中，ris模块为智能超表面模块；

4、根据位置信息和天线增益确定导航卫星、目标接收机及ris模块相互之间的信道，通过信道将导航卫星发射的真实导航信号转发至目标接收机，并根据目标接收机获取的信号构建信号处理模型；

5、通过信号处理模型对ris模块的信号转发波束进行控制，并根据信号转发波束控制情况获取ris模块的转发信号功率和导航卫星的真实信号功率，当转发信号功率与真实信号功率的比值大于设定功率比值阈值时，完成对目标接收机的欺骗。

6、在其中一个实施例中，根据位置信息和天线增益确定导航卫星、目标接收机及ris模块相互之间的信道，包括：

7、根据导航卫星与目标接收机的位置信息和天线增益进行计算，确定导航卫星到目标接收机的信道，表示为

8、

9、其中，f(t)是信号由导航卫星到目标接收机的信道，pt(t)、pr(t)分别表示导航卫星发射天线和目标接收机接收天线的位置，为导航卫星发射天线在目标接收机方向的增益，为目标接收机接收天线在导航卫星方向的增益，||·||为取模运算，λc是真实导航信号载波波长；

10、根据导航卫星与ris模块的位置信息和天线增益进行计算，确定导航卫星到ris模块的信道，表示为

11、

12、其中，g(t)是信号由导航卫星到ris模块各阵元的信道矩阵，pk(t)表示ris模块中第k个阵元的位置，且k＝1,...,k，k为ris模块中的阵元数量，为导航卫星发射天线在第k个阵元方向的增益，为第k个阵元在导航卫星方向的增益；

13、根据ris模块与目标接收机的位置信息和天线增益进行计算，确定ris模块到目标接收机的信道，表示为

14、

15、其中，h(t)是信号由ris模块各阵元到目标接收机的信道矩阵，为第k个阵元在目标接收机方向的增益，为目标接收机接收天线在第k个阵元方向的增益。

16、在其中一个实施例中，根据目标接收机获取的信号构建信号处理模型，包括：

17、当存在单颗导航卫星时，采用单个ris模块将真实导航信号转发至目标接收机，同时目标接收机还接收由导航卫星直达目标接收机的导航信号，根据目标接收机获取的信号构建信号处理模型，表示为

18、

19、其中，y(t)表示目标接收机接收信号，s0(t)、sr(t)、ny(t)分别表示由导航卫星直达目标接收机的导航信号、经过ris模块转发至目标接收机的转发信号和目标接收机噪声信号，表示导航卫星发射的真实导航信号，x(t)为导航卫星的中频信号，fc为载波频率，ns(t)为导航卫星噪声信号，j表示虚数单位，e为自然常数，为信号由导航卫星直达目标接收机的传播时延，c0为信号在自由空间的传播速度，分别表示ris模块的阵元相位延迟、信号由导航卫星到ris模块各阵元的信道矩阵、信号由ris模块各阵元到目标接收机的信道矩阵和ris模块的信号放大系数，表示复数域，表示w(t)的共轭转置，φk表示ris模块中第k个阵元的相位延迟大小，为阵元幅度增益，为ris模块中第k个阵元的幅度增益，为ris模块转发信号矢量，s(t)＝[s(t-τ1),s(t-τ2),…,s(t-τk)]t，s(t-τk)为ris模块中第k个阵元的转发信号矢量，上标t表示转置，且表示信号经过ris模块转发至目标接收机的传播时延，表示信号由导航卫星直达ris模块的传播时延，表示信号由ris模块直达目标接收机的传播时延，为阵元噪声信号矢量，n(t)～cn(0k,σ2ik)表示阵元噪声信号矢量服从多维复数高斯分布，cn(u,σ)表示均值为u，协方差为σ的多维复数高斯分布，0k表示k×1零矢量，ik表示k×k单位矩阵，σ2为噪声功率。

20、在其中一个实施例中，还包括：当存在单颗导航卫星时，采用单个ris模块将真实导航信号转发至目标接收机，同时目标接收机还接收由导航卫星直达目标接收机的导航信号，根据目标接收机获取的信号构建信号处理模型，还表示为

21、

22、其中，表示忽略各阵元的差异，ris模块各阵元到目标接收机的信道，表示忽略各阵元的差异，ris模块各阵元到导航卫星的信道，pr(t)为目标接收机接收天线的位置，ps(t)为ris模块中参考阵元的位置，参考阵元位于ris模块的几何中心，pt(t)为导航卫星发射天线的位置，表示ris模块的各阵元接收信号方向，表示ris模块的各阵元发射信号方向，表示导航卫星的发射信号方向，c(t)为转发矢量，为信号转发传播时延。

23、在其中一个实施例中，还包括：当存在多颗导航卫星和单个ris模块时，采用单个ris模块将真实导航信号转发至目标接收机，同时目标接收机还接收由导航卫星直达目标接收机的导航信号，根据目标接收机获取的信号构建信号处理模型，表示为

24、

25、其中，fl(t)表示导航卫星l到目标接收机的信道，l＝1,…,l，l为导航卫星的数量，cl(t)表示导航卫星l的信号转发矢量，gl(t)表示导航卫星l到ris模块的信道，xl表示导航卫星l的中频信号，δl为导航卫星l的信号转发传播时延，fc为载波频率，τ(t)为信号由导航卫星l直达目标接收机的传播时延，w(t)为ris模块的阵元相位延迟，p(t)为ris模块的信号放大系数，n(t)为阵元噪声信号矢量，ny(t)为目标接收机噪声信号。

26、在其中一个实施例中，还包括：当存在多颗导航卫星和多个部署在不同位置的ris模块时，采用多个ris模块将真实导航信号转发至目标接收机，同时目标接收机还接收由导航卫星直达目标接收机的导航信号，根据目标接收机获取的信号构建信号处理模型，表示为

27、

28、其中，hi(t)表示ris模块i到目标接收机的信道，i＝1,…,i，i为ris模块的数量，表示ris模块i的阵元相位延迟，ki表示ris模块i的阵元个数，表示ris模块i的信号放大系数，表示导航卫星l发射的信号经ris模块i的转发矢量，表示导航卫星l到ris模块i的信道，xl表示导航卫星l的中频信号，为导航卫星l发射的信号经ris模块i转发的信号转发传播时延，ni(t)表示ris模块i的阵元噪声信号矢量。

29、在其中一个实施例中，通过信号处理模型对ris模块的信号转发波束进行控制，并根据信号转发波束控制情况获取ris模块的转发信号功率和导航卫星的真实信号功率，当转发信号功率与真实信号功率的比值大于设定功率比值阈值时，完成对目标接收机的欺骗，包括：

30、通过信号处理模型对ris模块的阵元相位延迟和阵元幅度增益进行控制，形成对ris模块的信号转发波束进行控制，并根据信号转发波束控制情况获取ris模块的转发信号功率和导航卫星的真实信号功率，当转发信号功率与真实信号功率的比值大于设定功率比值阈值时，完成对目标接收机的欺骗；其中，转发信号功率与真实信号功率的比值表示为

31、

32、其中，hi表示ris模块i到目标接收机的信道，i＝1,…,i，i为ris模块的数量，表示导航卫星l到ris模块i的信道，l＝1,…,l，l为导航卫星的数量，表示ris模块i的阵元相位延迟，表示导航卫星l发射的信号经ris模块i的转发矢量，fl表示导航卫星l到目标接收机的信道，ris模块i的各阵元信号放大系数相同且为

33、在其中一个实施例中，在通过信号处理模型对ris模块的信号转发波束进行控制后，还包括：

34、通过信号处理模型对ris模块的阵元相位延迟和阵元幅度增益进行控制，形成对ris模块的信号转发波束进行控制，根据信号转发波束控制情况获取ris模块的转发信号信噪比和导航卫星的真实信号信噪比，当转发信号信噪比与真实信号信噪比的比值大于设定信噪比比值阈值时，完成对目标接收机的欺骗；其中，ris模块r转发的导航卫星m的信噪比以及导航卫星m的真实信号信噪比ηm分别表示为

35、

36、

37、其中，导航卫星m发射的信号功率为pm，ris模块中的各阵元的噪声功率均为目标接收机噪声为hr为ris模块r到目标接收机的信道，为导航卫星m到ris模块r的信道，ris模块r的各阵元信号放大系数相同且为表示ris模块r的阵元相位延迟，为导航卫星m发射的信号经ris模块r的转发矢量，ki为ris模块i的阵元个数，fm表示导航卫星m到目标接收机的信道。

38、一种基于智能超表面的卫星导航欺骗系统，所述系统包括：

39、ris模块、载体、控制模块、导航卫星及目标接收机；其中，ris模块部署在导航卫星及目标接收机之间并固定在载体上，所述控制模块分别与ris模块和载体相连，所述控制模块用于通过软件实时控制ris模块进行导航欺骗。

40、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

41、在导航卫星与目标接收机之间部署单个或多个固定在移动或固定载体上的ris模块，并获取导航卫星、目标接收机及ris模块的位置信息和天线增益；其中，ris模块为智能超表面模块；

42、根据位置信息和天线增益确定导航卫星、目标接收机及ris模块相互之间的信道，通过信道将导航卫星发射的真实导航信号转发至目标接收机，并根据目标接收机获取的信号构建信号处理模型；

43、通过信号处理模型对ris模块的信号转发波束进行控制，并根据信号转发波束控制情况获取ris模块的转发信号功率和导航卫星的真实信号功率，当转发信号功率与真实信号功率的比值大于设定功率比值阈值时，完成对目标接收机的欺骗。

44、上述基于智能超表面的卫星导航欺骗方法、系统及设备，在导航卫星与目标接收机之间部署单个或多个固定在移动或固定载体上的ris模块，根据ris模块具备的反射或透射导航频段信号的能力，使用ris模块接收并转发单来向或多来向的真实导航信号，改变真实导航信号的传播路径，无需存储和处理导航信号，部署复杂度和成本低。并且，通过根据目标接收机获取的信号构建信号处理模型，并通过信号处理模型对ris模块的信号转发波束进行控制，使一定区域内的目标接收机接收到转发信号功率大于真实信号功率，提高了导航欺骗的成功率。