一種欺騙環(huán)境中的CoSS-DS衛(wèi)星優(yōu)選方法*

張衡，紀(jì)元法

(桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004)

導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制

一種欺騙環(huán)境中的CoSS-DS衛(wèi)星優(yōu)選方法*

張衡，紀(jì)元法

(桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004)

衛(wèi)星優(yōu)選技術(shù)可以減少電離層、對(duì)流層和幾何分布對(duì)接收機(jī)定位的影響。針對(duì)當(dāng)前的衛(wèi)星優(yōu)選技術(shù)在欺騙復(fù)雜環(huán)境下難以選擇可靠衛(wèi)星的問題，從衛(wèi)星信號(hào)欺騙檢測(cè)可信度的角度出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)的選星算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種在欺騙環(huán)境中的欺騙信號(hào)識(shí)別與多衛(wèi)星信號(hào)優(yōu)選方法。通過理論與仿真分析表明，該方法可以有效的在欺騙復(fù)雜條件下優(yōu)選出可信的衛(wèi)星。對(duì)復(fù)雜信號(hào)環(huán)境下的衛(wèi)星優(yōu)選定位研究具有重要意義。

反欺騙； 可信度； 復(fù)雜環(huán)境；選星； 衛(wèi)星導(dǎo)航；衛(wèi)星定位

0 引言

當(dāng)前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在服務(wù)于廣大人民的位置服務(wù)需求的同時(shí)也暴露出其自身的缺點(diǎn)，即很容易受到多種形式的有意或無意的欺騙干擾，導(dǎo)致接收機(jī)導(dǎo)航定位性能下降，甚至無法正常工作。通過有效的星座選擇算法,從多顆可用于解算的衛(wèi)星中檢測(cè)并排除嚴(yán)重影響接收機(jī)定位精度的欺騙衛(wèi)星信號(hào)，是減少復(fù)雜信號(hào)環(huán)境中定位誤差的一種有效途徑，也是GNSS接收機(jī)的一個(gè)重要研究方向[1-6]。

目前針對(duì)GNSS的傳統(tǒng)選星技術(shù)主要從2方面進(jìn)行考慮[7-16]:①GDOP是影響GNSS定位精度的主要因素之一，如何通過選星找出幾何精度因子最小的衛(wèi)星組合是此處的關(guān)鍵所在；②衛(wèi)星仰角問題，在傳播過程中過低的仰角信號(hào)受到地面、電離層和對(duì)流層延遲的影響較重，多徑現(xiàn)象比較復(fù)雜，且偽距精度受到影響，如何選取合適仰角的衛(wèi)星同樣關(guān)鍵。

當(dāng)接收機(jī)處于欺騙環(huán)境時(shí)，通常容易受到欺騙信號(hào)干擾，錯(cuò)誤的跟蹤上欺騙衛(wèi)星。根據(jù)上面?zhèn)鹘y(tǒng)的選星機(jī)制通常很難選出最優(yōu)星。針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于可信度的(credibility of satellite safety-detection and selectivity,CoSS-DS)衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)與優(yōu)選技術(shù)。通過基于Matlab的GNSS欺騙與反欺騙模擬軟件仿真得出，該方法可以有效篩選出可信的最優(yōu)衛(wèi)星，保障接收機(jī)定位的可靠性和定位精度。

1 接收機(jī)選星原理

1.1 傳統(tǒng)的選星原理

傳統(tǒng)的GNSS衛(wèi)星優(yōu)選算法根據(jù)接收機(jī)能觀測(cè)到的所有導(dǎo)航星，按照4個(gè)一組的組合計(jì)算GDOP值，選出具有最小的GDOP值的4星組合。

(1)

1.2 CoSS-DS衛(wèi)星優(yōu)選過程

第1步:初始化。通過經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定初始的欺騙檢測(cè)可信度值Bt0，初始可信度分配權(quán)重值Ht0。設(shè)定各顆星在各種欺騙檢測(cè)方式下的初始概率均為Pt0。

第2步:概率估計(jì)。利用服從萊斯分布概率密度函數(shù)對(duì)選擇的欺騙檢測(cè)方式下的信號(hào)可信度進(jìn)行概率估計(jì)，并由此得出整體的概率統(tǒng)計(jì)矩陣。萊斯分布概率密度函數(shù)為

(2)

可得對(duì)應(yīng)衛(wèi)星對(duì)應(yīng)欺騙檢測(cè)方式的概率估計(jì)為

(3)

式中：a為常數(shù)；I0為第一類零階貝塞爾函數(shù)；δn為標(biāo)準(zhǔn)差；Vj為檢測(cè)門限值。

則可得tk時(shí)刻的概率矩陣為

(4)

第3步：根據(jù)式(4)中的概率值查詢可信度分布表A，確定tk時(shí)刻針對(duì)各顆衛(wèi)星每種檢測(cè)方式的可信度值為

(5)

第4步：根據(jù)式(5)選出不含欺騙的可靠衛(wèi)星，進(jìn)行下面的處理，其余的衛(wèi)星送入欺騙檢測(cè)通道進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)與欺騙消除操作，直至欺騙信號(hào)消除，滿足下述要求。

(6)

式中：i=1,2,…，Nsat；n為欺騙檢測(cè)方式個(gè)數(shù)；Vres為衛(wèi)星信號(hào)可用門限值；Sat為各顆衛(wèi)星綜合可信度值。

第5步：可見性選星。首先不滿足上述條件的，衛(wèi)星的權(quán)重系數(shù)值設(shè)為0，然后根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星與接收機(jī)的位置計(jì)算仰角，估計(jì)當(dāng)前各顆衛(wèi)星的可用性權(quán)重值。

假設(shè)在站心坐標(biāo)系中，衛(wèi)星的坐標(biāo)為(ES,NS,US)，接收機(jī)的坐標(biāo)為(ER,NR,UR)，可得衛(wèi)星的仰角、方位角為

(7)

式中：

ΔU=(US-UR)2；ΔE=(ES-ER)2；ΔN=(NS-NR)2.

當(dāng)el<αTH(αTH為仰角閾值，通常為15°)時(shí)，認(rèn)為衛(wèi)星不可用，設(shè)定衛(wèi)星權(quán)重系數(shù)值為0，當(dāng)大于仰角閾值時(shí)，對(duì)可信衛(wèi)星按方位角進(jìn)行分組。

(8)

第6步：選定仰角最高的星作為基準(zhǔn)星，根據(jù)式(8)按照4選3原則從任意3個(gè)象限取3顆星進(jìn)行DOP值分析，選出幾何分布最優(yōu)的4顆衛(wèi)星。

第7步：從余下的Nsat-4-i-j顆衛(wèi)星中依次挑出1顆衛(wèi)星與已選出的4+i顆衛(wèi)星組合進(jìn)行DOP值分析。式中i=0,1,…,Nsat-5，j為已檢測(cè)到的不可用衛(wèi)星數(shù)。

如果DOP4+i-DOP4+i+1<0，則認(rèn)為該顆星影響定位精度，權(quán)重值為0，反之對(duì)滿足條件的衛(wèi)星按DOP值進(jìn)行排序，找出最優(yōu)的一組衛(wèi)星。重復(fù)步驟7，篩選出所有可用的衛(wèi)星，權(quán)重置步驟1。

第8步：返回第2步，進(jìn)行下一時(shí)刻的估計(jì)。

2 仿真分析

本文選擇第466周8時(shí)18分的9，11，15，18，22，28，6顆GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行3 000 s的數(shù)據(jù)仿真。其中前4顆衛(wèi)星模擬沒有欺騙的正常信號(hào)； 第5顆衛(wèi)星模擬多種欺騙特點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星優(yōu)選的影響。500～1 000 s 22號(hào)衛(wèi)星欺騙信號(hào)的載噪比為55 dB，1 000～1 500 s信號(hào)載噪比恢復(fù)正常，1 500～2 500 s碼片延遲變化為0.33，2 500 s后信號(hào)恢復(fù)正常；28號(hào)星模擬瞬間信號(hào)異常時(shí)對(duì)衛(wèi)星優(yōu)選的影響， 分別

在500 s，1 500 s的位置設(shè)置功率突變(CN0=55 dB)、碼片延遲抖動(dòng)(0.5碼片)。

欺騙檢測(cè)方式利用參考文獻(xiàn)[1-6]中提到的雙天線載波相位差檢測(cè)B1、基于噪底估計(jì)B2和載噪比功率檢測(cè)B3、殘留信號(hào)檢測(cè)(基于相關(guān)域的檢測(cè)B4和改進(jìn)的基于多相關(guān)器組的斜率檢測(cè))B5和循環(huán)相關(guān)捕獲檢測(cè)B66種欺騙檢測(cè)方式，括號(hào)中為對(duì)應(yīng)的可靠值參量，初始值設(shè)為0。衛(wèi)星的可信度初始權(quán)重為Ht0=06×6；初始概率Pt0=06×6，Vres為4.9。根據(jù)前期反欺騙技術(shù)合作項(xiàng)目測(cè)試經(jīng)驗(yàn)可得6種欺騙方式依概率權(quán)值分布表如表1所示。

衛(wèi)星5針對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾中2個(gè)典型的信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行了仿真，接收機(jī)的欺騙檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。當(dāng)欺騙信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，接收機(jī)計(jì)算得到的可信度值明顯減少，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，欺騙檢測(cè)通道對(duì)欺騙信號(hào)進(jìn)行消除操作，衛(wèi)星5的可信度值逐漸增加。其中，在500～1 000 s的欺騙信號(hào)段可信度最終恢復(fù)到5.5左右；在1 500～2 500 s時(shí)間段內(nèi)，欺騙信號(hào)消除比較慢，但最終恢復(fù)到正常信號(hào)水平。

衛(wèi)星6主要模擬短暫的干擾信號(hào)對(duì)該檢測(cè)算法的影響，由圖2中2種欺騙方式產(chǎn)生點(diǎn)可得，干擾信號(hào)僅在干擾時(shí)刻對(duì)該算法有短暫干擾，不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期的影響。

根據(jù)上面欺騙檢測(cè)的可信度值，由式(7)可得每個(gè)時(shí)間點(diǎn)可用于仰角、DOP值選星的衛(wèi)星號(hào)。如圖2所示，衛(wèi)星5和衛(wèi)星6在欺騙信號(hào)存在中的一段時(shí)間內(nèi)不具備被選擇的條件，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，欺騙信號(hào)逐漸被消除，2顆信號(hào)逐漸恢復(fù)被選擇的條件。

表1 6種欺騙方式依概率權(quán)值分布Table 1 Six kinds of deception probability weight distribution table %

圖1 6顆衛(wèi)星的欺騙檢測(cè)的可信度值Fig.1 Credibility values of deception detection of six satellites

圖2 每個(gè)時(shí)間點(diǎn)可選衛(wèi)星Fig.2 Optional satellite at each time point

在下面圖3中列出了接收機(jī)在不存在欺騙信號(hào)的環(huán)境中且可用衛(wèi)星數(shù)分別為4，5，6時(shí)的HDOP值分布，同時(shí)給出了在存在欺騙信號(hào)時(shí)，用此方式選星后的HDOP值分布。由圖可知欺騙信號(hào)會(huì)直接影響接收機(jī)選星，進(jìn)而影響HDOP值。本文提出的選星方法可以有效檢測(cè)出欺騙信號(hào)并消除，使接收機(jī)選星盡快達(dá)到最優(yōu)方式。

圖3 HDOP值分布Fig.3 HDOP value distribution

最后，針對(duì)此選星方式與傳統(tǒng)的選星方式在欺騙環(huán)境中對(duì)定位誤差的影響進(jìn)行了分析，可得如圖4所示。當(dāng)存在欺騙信號(hào)時(shí)，傳統(tǒng)的衛(wèi)星優(yōu)選會(huì)很容易受到欺騙信號(hào)干擾，導(dǎo)致定位結(jié)果偏離真實(shí)位置；而本文提出的CoSS-DS選星方式，由于接收機(jī)很難從可見星中選出最優(yōu)HDOP值分布，因此只會(huì)在欺騙信號(hào)未消除時(shí)，對(duì)接收機(jī)的定位結(jié)果有一定影響。當(dāng)欺騙信號(hào)消除后，接收機(jī)的定位誤差基本與正常定位時(shí)相同。

圖4 定位誤差Fig.4 Positioning error

3 結(jié)束語

通過上面的仿真分析驗(yàn)證表明，本文提出的基于可信度的CoSS-DS欺騙環(huán)境衛(wèi)星優(yōu)選技術(shù)基本滿足快速識(shí)別消除欺騙信號(hào)，保證參與定位衛(wèi)星的真實(shí)性和分布最優(yōu)的要求。該方法為導(dǎo)航對(duì)抗技術(shù)研究的其他學(xué)者提供了一種可靠保障的思路。在未來復(fù)雜電磁環(huán)境下將會(huì)對(duì)接收機(jī)的抗欺騙干擾能力具有重要意義。

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Optimal Selection Method of Coss-DS Satellite in Spoofing Environment

ZHANG Heng ，JI Yuan-fa

(University of Guilin Electronic Science and Technology，Guangxi Guilin 541004，China)

Satellite optimal selection technique can reduce influence factors like ionosphere, troposphere and geometric distribution upon positioning of receiver. The current satellite optimal selection technique in the complex spoofing environment can hardly choose a reliable satellite. To solve this problem, from the perspective of satellite signal spoofing detection reliability, the traditional satellite selection algorithm is improved. A method of recognizing spoofing signals and optimal selection of satellite signals is proposed. Through theoretical analysis and simulation, it shows that this method can effectively select reliable satellite under complex conditions.It is of important meaning to researches on satellite optimal positioning in complex signal environment.

antispoofing; credibility;complex enviroment;satellite selection;satellite navigation; satellite position

2015-12-11；

2016-03-10

張衡(1988-)，男，河北衡水人。碩士生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.06.012

V474.2+5;TP391.9

A

1009-086X(2016)-06-0067-05

通信地址：541004 廣西桂林市七星區(qū)金雞路1號(hào)桂林電子科技大學(xué)

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