基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰系统及其方法
【专利摘要】本发明提供一种基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰系统及其方法，包括多颗卫星、多个转发器、真实目标点和设定的虚假目标点，转发器的数目与卫星数目相同，一个转发器接收一个卫星播发的导航卫星信号，多个转发器分别接收多颗卫星播发的导航卫星信号并通过数控延迟线技术分别控制多个转发器的时延，将一定时延后的多个导航卫星信号分别通过多个转发器播发，继而欺骗有效干扰区域内利用导航卫星信号制导的敌方武器偏离真实目标点，前往设定的虚假目标点。本发明解决传统转发欺骗无法应对接收机惯导检测的问题，对保护固定重要目标有重大意义。
【专利说明】
基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰系统及其 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及卫星导航技术领域，特别是基于固定目标保护的卫星导航信号转发式 欺骗干扰系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 卫星导航信号欺骗干扰系统通过播发生成的虚假信号或者对真实卫星信号注入 时延，使得接收机接收到转发后的信号，从而形成错误定位结果对目标进行欺骗干扰。
[0003] 在转发欺骗干扰检测方面，主流的转发欺骗干扰检测算法不可避免的存在一些不 足，因为转发信号的格式和真实信号完全相同，所以单纯通过基于信号参数门限的检测方 式(如信号加密解密方式等)不易于对转发欺骗干扰进行检测。一般情况下，接收机针对转 发式欺骗干扰的检测都是基于惯导检测。因此，转发式欺骗需要寻求更为有效对抗惯导的 欺骗干扰检测方式。
[0004] 研究真实目标点虚假目标点邻域半径比的意义，主要在于能否做到Rr = Fr，即Fr/ Rr=l或者Fr/Rr-l，其中Rr表示真实目标点邻域半径，F r表示虚假目标点邻域半径。因为现 有的欺骗干扰检测的方式主要分为信号参数门限的数字检测和基于惯性导航的物理检测。 转发式欺骗检测在信号格式上没有进行任何改变，所以其抗欺骗检测的侧重点应该是针对 抗惯导的检测。如果能够做到Fr/Rr-l，那么就可以更好地应对接收机基于的惯性导航的检 测，从而大大提高欺骗干扰的成功率。
[0005] 传统转发式欺骗干扰系统尚无针对接收机惯导单元检测的具体实施方法。新一代 精确制导武器普遍携带惯导检测单元的接收机，故传统转发欺骗系统与方法实施存在很大 困难。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰系 统及其方法，引导有效干扰区域内利用导航信号制导的敌方武器偏离真实目标点，前往设 定的虚拟假目标点，同时有效应对武器接收机自带的惯导单元检测，解决传统转发欺骗无 法应对接收机惯导检测的问题，对保护固定重要目标有重大意义。
[0007] 具体地，本发明的技术方案是：
[0008] -种基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰系统，包括多颗卫星、多 个转发器、真实目标点和设定的虚假目标点，转发器的数目与卫星数目相同，一个转发器接 收一个卫星播发的导航卫星信号，多个转发器分别接收多颗卫星播发的导航卫星信号并通 过数控延迟线技术分别控制多个转发器的时延，将一定时延后的多个导航卫星信号分别通 过多个转发器播发，继而欺骗有效干扰区域内利用导航卫星信号制导的敌方武器偏离真实 目标点，前往设定的虚假目标点。
[0009] 本发明中选择卫星数目为4个，转发器数目为4个，四个转发器设置在以真实目标 点圆锥顶点的倒圆锥底平面上，四个转发器的设置的高度角以及离地高度均相同。
[0010]进一步地，所述四个转发器的高度角6 = 25~40°，离地高度为20km。优选地，所述 四个转发器的高度角为38°。
[0011] 本发明提供一种基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰方法，包括以 下步骤：
[0012] (1)选择多颗卫星;设定拟引导敌方武器前往的虚假目标点F;然后将与选择卫星 数目相同的转发器设置在以真实目标点圆锥顶点的倒圆锥底平面上，多个转发器的设置的 高度角以及离地高度均相同；
[0013] (2)通过多个转发器分别接收多个卫星播发的导航信号并通过数控延迟线技术分 别控制多个转发器的时延，将一定时延后的多个导航卫星信号分别通过这多个转发器播 发；
[0014] (3)敌方武器通过接收多个转发器播发的虚假信号，使敌方武器接收机定位解算 结果出现偏移，敌方武器接收机定位结果不再是基于真实信号解算得到的定位结果，而是 经过时延控制处理的虚假信号解算得到的定位结果，继而欺骗有效干扰区域内利用导航信 号制导的敌方武器偏离真实目标点，前往设定的虚假目标点。
[0015] 本发明的有益效果是：
[0016] 因为转发信号的格式和真实信号完全相同，所以单纯通过基于信号参数门限的检 测方式(如信号加密解密方式等)不易于对转发欺骗干扰进行检测。一般情况下，接收机针 对转发式欺骗干扰的检测都是基于惯导检测。传统转发式欺骗干扰系统尚无针对接收机惯 导单元检测的具体实施方法。新一代精确制导武器普遍携带惯导检测单元的接收机，故传 统转发欺骗系统与方法实施存在很大困难。本发明对应布站方式下Fr/Rr-l，因此可以有效 地应对接收机基于的惯性导航的检测，从而大大提高欺骗干扰的成功率。
[0017] 综上所述，本发明通过四个转发器分别接收四颗卫星播发的导航信号并通过数控 延迟线技术分别控制四个转发器的时延，将一定时延后的卫星信号通过转发器播发。继而 欺骗有效干扰区域内利用导航信号制导的敌方武器偏离真实目标点，前往设定的虚拟假目 标点。本发明利用导航信号的转发式欺骗干扰，可以成功引导敌方武器飞向指定区域，同时 有效地对抗武器接收机自带的惯导单元检测，对保护固定重要目标有重大意义。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明提出的一种有效对抗接收机惯导检测的多站转发欺骗干扰系统的布 站不意图；
[0019] 图2是本发明的多站转发欺骗干扰转发器的平面分布图；
[0020] 图3是本发明中转发器高度角与有效干扰半径关系图；
[0021] 图4是本发明中转发器高度角与映射邻域半径最优化比关系图；
[0022]图5是本发明的转发欺骗区域映射效果图；
[0023]图中所用参数说明见下表：
【具体实施方式】
[0025] 以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。
[0026] 参照图1，为本发明提出的一种有效对抗接收机惯导检测的多站转发欺骗干扰系 统的布站示意图，包括四颗卫星31(1 = 1，2,3,4)、四个转发器心（1 = 1，2,3,4)、拟保护的真 实目标点R和拟引导敌方武器前往的虚假目标点F。四个转发器心(1 = 1，2,3,4)设置在以真 实目标点圆锥顶点的倒圆锥底平面上，同时设置转发器高度角为38°，离地 高度为20km。通过四个转发器心（1 = 1，2,3,4)分别接收四颗卫星51(1 = 1，2,3,4)播发的导 航信号并通过数控延迟线技术分别控制四个转发器心（1 = 1，2,3,4)的时延，将一定时延后 的卫星信号通过转发器心(1 = 1，2,3,4)播发。继而欺骗有效干扰区域内利用导航信号制导 的敌方武器偏离真实目标点R，前往设定的虚假目标点F。本发明利用导航信号的转发式欺 骗干扰，可以成功引导敌方武器飞向指定区域，同时有效地对抗武器接收机自带的惯导单 元检测，对保护固定重要目标有重大意义。
[0027] -种基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰方法，包括以下步骤：
[0028] (1)根据所在地区可见卫星情况选择⑶0P值相对好的四颗卫星 GD0P是指卫星几何精度因子。GD0P值较好一般认为小于3。针对拟保护的真实目标点R，可以 通过控制时延设置拟引导敌方武器前往的虚假目标点F。将四个转发器上（1 = 1，2,3,4)设 置在以真实目标点圆锥顶点的倒圆锥底平面上，同时设置转发器Ji(i = l，2,3,4)高度角为 38°，离地高度为20km。
[0029] (2)通过四个转发器心（1 = 1，2,3,4)分别接收四颗卫星播发的导 航信号并通过数控延迟线技术(数控延迟线技术可以参考文献:黄龙，龚航，朱祥维，王飞 雪.针对GNSS授时接收机的转发式欺骗干扰技术研究[J].国防科技大学学报.Vol. 35， No. 4，pp. 93-94，2013.)分别控制四个转发器的时延2,3,4),将一定时延后的卫星信 号通过转发器播发。因为由转发器转发的虚假信号功率一般大于真实信号，所以有效干扰 区域内目标接收机只接收转发后的虚假信号。本实施例中所布置的转发器，以真实目标点 为圆心，42km为半径范围内的区域均为有效干扰区域。
[0030] (3)敌方武器通过接收多个转发器播发的虚假信号，使敌方武器接收机定位解算 结果出现偏移，敌方武器接收机定位结果不再是基于真实信号解算得到的定位结果，而是 经过时延控制处理的虚假信号解算得到的定位结果。继而欺骗有效干扰区域内利用导航信 号制导的敌方武器偏离真实目标点，前往设定的虚拟假目标点。该方法不仅能够成功实施 欺骗干扰，还能有效对抗敌方武器接收机基于惯性导航的检测，对保护固定重要目标有着 重大意义。
[0031] 卫星导航系统基于时延控制的多站转发式欺骗的原理就是控制各个卫星到敌方 武器接收机的时延，使敌方武器生成错误的定位方程，引导其到达错误的位置。
[0032] 首先，根据GNSS卫星定位的基本原理，伪距计算公式如下：
[0033] Pi=[(Xi-X)2+(Yi-Y)2+(Zi-Z) 2]1/2+c*A td (1)
[0034]不失一般性，本实施例中假设接收机接收4颗卫星的信号。那么&， ￥1，21(1 = 1，2,3,4)为各个卫星在地心系中的坐标，对敌方武器接收机是已知的，八丨(1是敌 方武器接收机时钟和卫星时钟的时差，以及敌方武器接收机坐标(X，Y，Z)是4个待定参数。 一般通过联立4个伪距方程组求出敌方武器接收机自身位置。
[0035] 加入转发器Ji(i = l，2,3,4)后，伪距变为Rsi+Roi+c* A t，其中c* A t是误差修正值。 方程变为：
[0036] Rsi+R〇i+c* A t= [ (Xi-X)2+(Yi-Y)2+(Zi-Z)2]1/2+c* A td (2)
[0037] 其中：Rsi(i = l，2,3,4)表示各个卫星到相应转发器的距离;R〇i(i = l，2,3,4)表示 各个转发器到真实目标点的距离；
[0038] 则在真实目标点R点接收欺骗信号的解算方程为： R^ + Ra + c* = [(.V, - ^): + (y； - K)2 + (Z, -Z)2J1: + r^ At, (3) + Rr +c*At. =[(X. - X)1 +(y； - K): +(Z,-Z)1]12 +c*Atd
[0039] <: " " ' " ' - R^ + R", +c*At, -[(.V, - A'): +(K +(Z, -Z)?]!: +c*M, 尺+ 穴《4 + c* A/4 = [(.、一义广 + (K4 _ + (Zj - Z).-]1 _ + e* A〔(，
[0040] 两两作差，消去A td，对应本实施例布站的方式，应有心1 = 1?。2 = 1?。3 = 1?。4，该方程： 'Rn-Rn=(R^+R,^c^d{,)-{R^ + R1：+c^ dt:) (4)
[0041 ] 2 - -i- -i- f+ 尺。+ f + 0./.,) /?,广/(.4 = H-十 C: _ (/?J-L 十^
[0042] 其中，是各路彳目号的时延。
[0043] 四个转发器设在以R为圆锥顶点的倒圆锥底平面上，无论转发器位置高度如何设 置，Rs的长度都会沿着圆锥母线变化，这样就很容易计算其精度变化。这样的布站方式就保 证了4个转发器到真实目标点距离相同，这样Ru就是一致的，方程中可以消去Ru这个量。方 程变为： Rn-Rl: = (R,-R^-rc*id!l-dl2) ⑶
[0044] :-穴"- U ^ / .1 ~ ^ / 4 =： ( -/!,.,) + C"5,5 ( 〇. - (V, 4 )
[0045] 假定虚拟点位置不变时，假定地面中控站更新转发器时延一秒一次，因为卫星坐 标在一秒内改变很小可以忽略，Rfi-Rfi+i是一个常数，不妨设Rfi-Rfi+i = Ci且-f',)可 控，设其为〇:。方程可以变形为(6):
[0048]其中：[A X，A y，A Z]为转发器坐标改变量。注意这里转发器坐标该变量实时四个 转发器总变化量。由于四个转发器其分布对称性以及高度的一致性，单个转发器的高度位 置(z)变化可以近似理解为总变化量的1/4,转发器横纵坐标(x，y)变化可以近似理解为对 应x，y总坐标变化量的开根。
[0049]修正后的转发器坐标为[計&1，7+&7,2+& 2]，如此迭代更新若干次，可以更新到 相应的精度。
[0050] 图2展示了本发明提出的布站方式下四个转发器分布的平面示意图，从几何关系 入手能够很好地表示出每个转发器Ji (i = 1，2，3，4)的有效干扰半径，从而进行多站转发有 效干扰半径的计算。
[0051] 因为Re为地球半径(6370km)，h为接收机高度，S为高度角，转发器高度为H，转发器 的有效干扰半径为r，有：
(7)
[0053]本发明设定设定真实目标点、虚假目标点在x，y方向上各相距30km。由于真实目标 点和虚假目标点直线距离约为42.42km，根据终态效应，其最小有效干扰区域范围需大于真 实目标点和虚假目标点直线距离的2倍，即84.84km。
[0054]通过实验仿真，转发器高度角S值与多站转发有效干扰半径reff关系如图3所示，太 小的高度角会影响卫星的GD0P值，加入终态效应的条件限制，进一步明确高度角范围为5 = 25~40°。
[0055]由附图3可知，转发器相对距离rdPS的关系式如为ri = H*tan(90-S)，所以在S的取 值范围内选取不同8,从而确定不同ri，即转发器相对位置改变的若干个值，从而最终确定 最可能实现Fr/Rr = 1的最优化的S。
[0056]则设置最优化函数R_opt为：
(8)
[0058]其中（ai，bi)为真实点邻域边缘点的地心系(x，y)坐标，（Ci，di)为映射后虚假点邻 域边缘点的地心系(X，y)坐标，Rtrue为设置的真实点邻域半径。
[0059] 算法主要步骤具体如下：
[0060] 1)在S的取值范围内，即fc:[:25，《)]选均匀取点。根据布站设置条件，确定S的精度 为1°并设置循环结构直至满足精度要求停止；
[0061] 2)将方程各类参数转化为常数或与S的值直接相关的参数；
[0062] 3)根据最优函数设定，结合卫星与虚假目标点距离，转发器间距，各路时延等参 数，表示出S的方程组；
[0063] 4)用牛顿迭代法线性化方程组；
[0064] 5)利用牛顿迭代后的线性方程组，结合最优函数，求解最优函数的解；
[0065] 6)比较不同真实目标点邻域半径条件对最优函数的解的影响，判断真实目标点邻 域半径设置的最优值以及其对应的转发器高度角设置值。
[0066] 下面从仿真结果展开分析，仿真结果如附图4所示：
[0067]附图4中a, b分别展示了RtrUe= 10 (km)和20 (km)时，5与最优函数的关系。
[0068] 仿真结果显示：
[0069] R= 10km时，S为38°时最优函数取得最小值0.16，意味着基于此布站条件，可以使 Fr/RrG(0,0.84]U[1.16,32.5)；
[0070] Rtrue = 20km时，S为34 ? 2°时最优函数取得最小值0 ? 68，同理此时的Fr/Rr G (〇， 0.32]U[1.68,16.3)。
[0071]因此，最优化布站方式应设置转发器高度为20km，高度角为38°。在这个布站方式 下，真实目标点和虚假目标点构成映射的邻域半径比可以最大程度上趋近于1(如附图5所 示）。在能够有效的应对惯导检测的同时可以实现对有效干扰区域内敌方武器的欺骗。综上 所述，该方法对实现固定目标保护有重大意义。
[0072]综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何 本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发 明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰系统，其特征在于:包括多 颗卫星、多个转发器、真实目标点和设定的虚假目标点，转发器的数目与卫星数目相同，一 个转发器接收一个卫星播发的导航卫星信号，多个转发器分别接收多颗卫星播发的导航卫 星信号并通过数控延迟线技术分别控制多个转发器的时延，将一定时延后的多个导航卫星 信号分别通过多个转发器播发，继而欺骗有效干扰区域内利用导航卫星信号制导的敌方武 器偏离真实目标点，前往设定的虚假目标点。2. 根据权利要求1所述的基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰系统，其 特征在于:卫星数目为4个，转发器数目为4个，四个转发器设置在以真实目标点圆锥顶点的 倒圆锥底平面上，四个转发器的设置的高度角以及离地高度均相同。3. 根据权利要求2所述的基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰系统，其 特征在于:所述四个转发器的高度角δ = 25~40°，离地高度为20km。4. 根据权利要求3所述的基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰系统，其 特征在于:所述四个转发器的高度角为38°。5. -种基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰方法，其特征在于，包括以 下步骤： (1) 选择多颗卫星；设定拟引导敌方武器前往的虚假目标点F;然后将与选择卫星数目 相同的转发器设置在以真实目标点圆锥顶点的倒圆锥底平面上，多个转发器的设置的高度 角以及离地高度均相同； (2) 通过多个转发器分别接收多个卫星播发的导航信号并通过数控延迟线技术分别控 制多个转发器的时延，将一定时延后的多个导航卫星信号分别通过这多个转发器播发； (3) 敌方武器通过接收多个转发器播发的虚假信号，使敌方武器接收机定位解算结果 出现偏移，敌方武器接收机定位结果不再是基于真实信号解算得到的定位结果，而是经过 时延控制处理的虚假信号解算得到的定位结果，继而欺骗有效干扰区域内利用导航信号制 导的敌方武器偏离真实目标点，前往设定的虚假目标点。6. 根据权利要求5所述的基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰方法，其 特征在于，步骤（1)中，根据所在地区可见卫星情况选择⑶OP值小于3的四颗卫星Sd i = 1， 2,3,4,转发器同样设置4个，分别为心(1 = 1，2,3,4)。7. 根据权利要求6所述的一种基于固定目标保护的卫星导航信号转发式欺骗干扰方 法，其特征在于，步骤(1)中四个转发器的位置坐标的计算方法： 首先，根据GNSS卫星定位的基本原理，伪距计算公式如下： Pi= [ (Xi-X)2+(Yi-Y)2+(Zi-Z)2]1/2c* Δ td (1) 其中：Xi，Yi，Zi(i = 1，2，3，4)为各个卫星在地心系中的坐标，对敌方武器接收机是已知 的；Atd是敌方武器接收机时钟和卫星时钟的时差以及敌方武器接收机坐标(X，Y，Z)是4个 待定参数； 加入转发器后，敌方武器接收机的伪距变为RsARc^+c* A t，其中c* Δ t是误差修正值。式 (1)变为： Rsi+Roi+c* Δ t= [ (Xi-X)2+(Yi-Y)2+(Zi_Z)2]1/2+c* Δ td (2) 其中：Rsl(i = l，2,3,4)表示各个卫星到相应转发器的距离;1^(丨=1，2,3,4)表示各个 转发器到真实目标点的距离； 则在真实目标点R点接收欺骗信号的解算方程为：四个转发器设在以R为圆锥顶点的倒圆锥底平面上，无论转发器位置高度如何设置，Rs 的长度都会沿着圆锥母线变化，由于4个转发器到真实目标点距离相同，这样Rcll = Rcl2 = Rci3 = R〇4,方程(4)中可以消去RoiCi = 1,2,3,4)这个量，方程变为：(5) 假定虚拟目标点F位置不变时，假定地面中控站更新转发器时延一秒一次，忽略卫星坐 标在一秒内的改变，Rfl-Rfl+1是一个常数，设Rfl-R flH = C1且一((\-匕J可控，设其为D1;方 程(5)可以变形为(6):[Δχ, Ay, ΔΖ]为转发器坐标改变量； 修正后的转发器坐标为[X+Δ X，y+Δ y，ζ+Δ ζ ]，如此迭代更新若干次，可以将转发器的 坐标更新到相应的精度。
【文档编号】G01S19/01GK105891845SQ201610221796
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】聂俊伟, 万有达, 孙广富, 朱祥维, 王芝应, 陈雷, 鲁祖坤, 耿正霖, 陈飞强
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学