一种基于信号功率变化率的抗欺骗干扰处理方法与流程

本发明属于陆基导航系统接收机数字信息处理，具体为一种基于信号功率变化率的抗欺骗干扰处理方法。

背景技术：

1、近年来，陆基无线电导航技术发展迅速，作为卫星导航系统不可用时的备份导航系统，越来越多的用户设备搭载有陆基导航接收机。与卫星导航接收机相同的是，若陆基导航接收机捕获跟踪到由干扰源波播发出的欺骗信号，则会将虚假导航信息带入到定位解算过程，进而会得到错误的结果(位置、速度和时间)。

2、欺骗源可通过接收导航基站播出的导航信号并进行转发，接收机若不对接收到的信号进行抗欺骗处理则无法区分正确的导航信号与虚假的导航信号。目前关于接收机抗欺骗处理的研究有：信号功率检测技术、信号质量检测技术、多天线欺骗检测技术、惯性单元辅助的检测技术以及电文加密认证技术。基于信号功率的检测技术以及基于信号质量的检测技术在实际使用过程中存在识别盲区，接收机在盲区内无法进行抗欺骗干扰检测；基于多天线的欺骗检测技术以及惯性单元辅助的检测技术需要对接收机进行额外的硬件改造，实现成本较高。

3、现有的抗欺骗处理技术往往是应用于卫星导航接收机，而陆基导航系统与卫星导航系统存在差异，陆基导航基站位于地面固定位置，基站与接收机之间的距离随着接收机的运动而改变，接收机接收到的导航信号的信号功率具有较大的动态范围，因此传统的基于信号功率的抗欺骗处理方法不适用于陆基导航接收机。

4、基于此，本发明提出了一种适用于陆基导航接收机的基于信号功率变化率的抗欺骗干扰处理方法。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供一种基于信号功率变化率的抗欺骗干扰处理方法，用于解决基于绝对功率检测的抗欺骗干扰方法存在识别盲区这一缺陷，在使用过程中不存在盲区，并且不需要对现有接收机进行硬件改造。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于信号功率变化率的抗欺骗干扰处理方法，包括以下步骤：

4、s1：接收机捕获并跟踪基站的陆基导航信号，通过位同步及帧同步获取信号发射时间和导航电文；

5、s2：根据信号发射时间和导航电文计算接收机与每个基站之间的伪距；

6、s3：根据伪距利用最小二乘算法迭代计算获取粗定位接收机的位置坐标；

7、s4：利用查表法获取asf修正参数，进行位置修正，获取精定位接收机的位置坐标；

8、s5：根据精定位接收机的位置坐标，计算基站信号传播到该位置的理论功率；

9、s6：根据精定位接收机的位置坐标，记录接收机实际接收到的基站信号的实际功率；

10、s7：连续记录多个位置下的理论功率和实际功率，并计算实际功率变化率和理论功率变化率；

11、s8：计算实际功率变化率与理论功率变化率的误差总和，并采用k-means算法剔除虚假基站信号，使用真实基站的伪距进行定位解算，完成抗欺骗干扰检测。

12、上述方案所产生的有益效果是：提供了一种可以有效识别并剔除虚假基站信号的抗欺骗干扰处理方法，从而确保导航接收机的定位精度和可靠性，增强了系统的抗干扰能力。

13、上述方案具体工作原理是：通过一系列步骤实现抗欺骗干扰，包括捕获导航信号、计算伪距、迭代求解位置坐标、计算理论功率、记录实际功率、比较功率变化率、利用k-means算法识别并剔除虚假信号，最终完成准确的定位解算。

14、较佳实施情况下，s2步骤中，接收机接收到的信号模型如下：

15、

16、其中，为真实基站所发出的信号，为虚假基站所发出的欺骗信号，η(t)为接收时所引入的噪声。

17、上述实施所产生的有益效果是：为接收机接收到的信号提供了一个详细的数学模型，包括真实信号、欺骗信号和噪声，有助于更准确地分析和处理接收到的信号。

18、上述实施所采用的具体工作原理是：定义了接收信号的数学模型，通过该模型可以区分真实基站信号和虚假基站信号以及噪声，为后续的信号处理提供了基础。

19、较佳实施情况下，在s3步骤中，最小二乘算法的迭代计算采用牛顿迭代法。

20、上述实施所产生的有益效果是：采用牛顿迭代法进行最小二乘算法的迭代计算，提高了计算效率和精度，使得位置坐标的求解更加快速和准确。

21、上述实施所采用的具体工作原理是：在求解接收机位置坐标时，使用牛顿迭代法对最小二乘法进行优化，以快速收敛到精确解。

22、较佳实施情况下，s4具体步骤如下：

23、根据接收机粗定位结果，进行查表获取asf修正参数；

24、代入asf修正参数，重新计算伪距和接收机位置，获取精定位接收机位置。

25、s4步骤的有益效果主要体现在以下几个方面：

26、1.提高定位精度：通过使用查表法获取的asf(amplitudeandphaseofsignalfluctuation)修正参数，可以对粗定位结果进行校正，从而获得更精确的接收机位置坐标。

27、2.优化计算过程：查表法是一种快速且有效的方法，可以减少计算量，提高定位过程的效率。

28、3.适应性：通过查表法，可以根据不同环境和条件快速调整修正参数，使定位系统更加灵活和适应性强。

29、4.减少误差：通过应用修正参数，可以减少由于信号传播环境变化、设备误差等因素引入的误差，提高定位的可靠性。

30、s4步骤的详细原理如下：

31、粗定位结果分析：首先，接收机通过s3步骤中的最小二乘算法迭代计算得到一个初步的位置坐标，这个坐标是粗略的，可能包含一些误差。

32、查表获取asf修正参数：根据粗定位结果，接收机查询预设的修正参数表，获取与当前定位结果相关的asf修正参数。这些参数为附加二次相位因子(导航信号在实际空间地波传播路径下的时延)修正参数，即空间、季节、局部环境变化等因素对地波传播造成的时延变化参数。

33、修正参数应用：将获取的asf修正参数应用到伪距计算中，对原始的伪距进行调整。这一步是为了补偿信号在传播过程中可能受到的延迟或衰减。

34、重新计算位置：应用了修正参数后，重新计算接收机的位置坐标。这一步通常涉及到重新执行定位算法，比如再次使用最小二乘法，但这次是基于修正后的伪距。

35、获取精定位结果：通过上述步骤，最终得到一个经过修正的、精度更高的接收机位置坐标，即精定位结果。

36、通过s4步骤的实施，不仅提高了定位的准确性，还增强了系统对不同环境条件的适应性，从而确保了导航系统的可靠性和有效性。

37、较佳实施情况下，s5具体步骤如下：

38、根据接收机的位置坐标计算此位置与各基站之间的大圆距离；

39、计算各基站信号传播到此处后的理论信号场强；

40、计算基站信号传播到此处后的理论信号功率密度；

41、计算接收机在此处接收到的理论信号功率；

42、将此时的实际接收功率和理论接收功率以及接收机与基站之间的大圆距离进行储存。

43、上述实施所产生的有益效果是：提供了一套详细的计算理论功率的步骤，确保了理论功率计算的准确性，为后续的功率变化率比较提供了可靠的数据基础。

44、上述实施所采用的具体工作原理是：通过计算大圆距离、理论信号场强、功率密度和理论信号功率，并存储实际接收功率和相关距离，为比较实际功率和理论功率提供了必要的数据。

45、较佳实施情况下，在s5步骤中，接收机的位置与基站之间的大圆距离计算公式为：

46、

47、其中为接收机位置u＝[xu,yu,zu]t所对应的经纬度，为基站k的位置p(k)＝[x(k),y(k),z(k)]t对应的经纬度，r为地球半径。

48、上述实施所产生的有益效果是：提供了一种精确计算大圆距离的方法，这对于后续计算理论功率和功率密度至关重要。

49、上述实施所采用的具体工作原理是：使用球面三角学中的arccos函数和正弦余弦函数来计算接收机与基站之间的大圆距离。

50、较佳实施情况下，在s5步骤中，理论信号功率密度计算公式为：

51、

52、其中，为接收机在位置u接收到的基站k的理论信号功率密度；为发射机发射频率fk的信号在传输lk距离处的场强；为基站k的发射功率，为基站k的天线增益。

53、上述实施所产生的有益效果是：通过明确理论信号功率密度的计算方法，为理论信号功率的计算提供了准确的基础。

54、上述实施所采用的具体工作原理是：根据接收机和基站的参数，包括发射频率、传输距离、发射功率、天线增益等，计算理论信号功率密度。

55、较佳实施情况下，在s5步骤中，理论信号功率计算公式为：

56、

57、其中，为接收机在位置u接收到的基站k的理论信号功率；λk为基站k发射信号的波长；gr为接收机的天线增益。

58、上述实施所产生的有益效果是：提供了一种计算理论信号功率的方法，这对于评估接收机接收到的信号强度和进行后续的功率变化率比较至关重要。

59、上述实施所采用的具体工作原理是：结合理论信号功率密度、波长和天线增益，计算接收机在特定位置接收到的基站的理论信号功率。

60、较佳实施情况下，在s7步骤中，基站k在位置q的实际功率变化率和基站k在位置q的理论功率变化率的计算公式如下：

61、

62、其中，q表示位置，k表示基站，u表示接收机的位置坐标向量，lk,q(q＝1…q)表示接收机与基站之间的大圆距离。

63、较佳实施所产生的有益效果是：定义了实际功率变化率和理论功率变化率的计算方法，为检测和识别欺骗信号提供了关键的量化指标。

64、较佳实施所采用的具体工作原理是：通过比较连续位置下的实际功率和理论功率，计算它们的变化率，为后续的误差分析和欺骗信号识别提供数据。

65、较佳实施情况下，s7步骤中，计算基站k播发信号的实际功率变化率与理论功率变化率的误差总和εk的模型如下：

66、

67、上述实施所产生的有益效果是：通过计算误差总和，可以量化实际功率变化率与理论功率变化率之间的差异，为识别欺骗信号提供了一个有效的度量。

68、上述实施所采用的具体工作原理是：对每个基站播发信号的实际功率变化率与理论功率变化率之间的误差进行求和，得到误差总和，用于后续的欺骗信号识别。

69、较佳实施情况下，在s8步骤中，采用k-means聚类算法，将εk分为两类，均值最大的类别为欺骗基站。

70、上述实施所产生的有益效果是：使用k-means聚类算法对误差总和进行分类，可以有效地识别出均值最大的欺骗基站，从而提高了抗欺骗干扰的准确性。

71、上述实施所采用的具体工作原理是：将计算得到的误差总和通过k-means聚类算法进行分类，识别出可能的欺骗基站，以便在最终的定位解算中剔除这些信号。

72、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

73、本发明设计的基于功率变化率的抗欺骗干扰方法，具有实施复杂度低、识别有效性高的特点，可以有效提升导航接收机抗欺骗能力。

74、本发明设计的抗欺骗干扰方法与其他现有抗欺骗干扰方法相比还具有以下优势：对天线数量没有要求，单天线即可实现；实现简单，仅在软件算法层面进行更改即可，不需要对接收机硬件系统进行改造。