一种基于惯性辅助的天线阵欺骗干扰信号检测方法

技术领域

本发明涉及卫星导航接收系统防欺骗技术领域，更具体地，涉及一种基于惯性辅助的天线阵欺骗干扰信号检测方法。

背景技术

近年来，针对卫星导航信号的压制与反压制，欺骗与反欺骗技术得到了充分的研究与发展。卫星导航接收系统在恶劣电磁干扰环境中受到的人为干扰主要包括压制式干扰和欺骗式干扰。压制式干扰利用大功率信号对目标用户进行压制，通常会造成卫星接收机环路失锁和定位失败，在战场环境中的隐蔽性较差。欺骗式干扰的功率水平、信号格式以及频谱结构与真实卫星信号相似，旨在迫使卫星导航接收机在毫无意识的情况下误锁在欺骗信号上，产生看似可靠、实则错误的导航定位结果，从而达到控制卫星导航接收机的目的。相比于压制式干扰，欺骗式干扰不容易被对方察觉，危害性更大。因此，有必要针对卫星导航欺骗干扰信号的检测方法展开深入研究。

利用卫星导航接收机的阵列天线对接收到的卫星信号进行到达角检测是当前较为有效的欺骗干扰检测方法之一。常用的到达角检测技术主要包括载波相位单差检测技术和载波相位双差检测技术。其中，载波相位单差检测技术不能直接应用于运动载体；载波相位双差检测技术主要通过遍历接收到的任意两路卫星信号载波相位差是否相等来检测欺骗干扰，虽然解决了运动载体欺骗干扰检测问题，但检测时间较长且对单路卫星欺骗干扰信号检测失效。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于惯性辅助的天线阵欺骗干扰信号检测方法，包括：

由惯性辅助解算每一个虚拟真实卫星信号在天线阵坐标系中的到达角；

计算惯性辅助解算的每一个虚拟真实卫星信号的到达角在天线阵不同基线上的载波相位差，以及每一个待检测卫星信号的到达角在天线阵不同基线上的载波相位差；

采用载波相位双差算法构建欺骗干扰信号的二元假设检验模型，并基于二元假设检验模型设定欺骗干扰信号的判决依据；

遍历惯性辅助解算的每一个虚拟真实卫星信号与每一个待检测卫星信号之间的载波相位双差，基于二元假设检验模型及其判决依据，判决每一个待检测卫星信号是否为欺骗干扰信号。

本发明提供的一种基于惯性辅助的天线阵欺骗干扰信号检测方法，充分利用卫星欺骗干扰信号与惯性辅助解算的虚拟真实卫星信号在天线坐标系中的到达角差异，通过计算待检测卫星信号与虚拟真实卫星信号在天线阵基线上载波相位差的不同来识别欺骗干扰，解决了传统载波相位双差检测技术检测时间较长且对单路卫星欺骗干扰信号检测失效的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于惯性辅助的天线阵欺骗干扰信号检测方法流程图；

图2为天上各颗卫星与卫星导航接收机天线阵的位置关系示意图；

图3为卫星导航接收机天线阵坐标系示意图；

图4为本发明提供的一种基于惯性辅助的天线阵欺骗干扰信号检测方法的整个流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

针对单天线转发的卫星欺骗干扰场景，传统的对卫星欺骗干扰信号采用载波相位双差算法进行检测的过程为，对于卫星导航接收机天线阵接收到的所有的卫星信号，包括真实卫星信号和欺骗干扰信号，此时不知道哪些是真实卫星信号，哪些是欺骗干扰信号。

由于每一颗真实卫星信号的来向(可以理解为到达角)是不同的，而所有的欺骗干扰信号的来向是相同的。因此，需要将接收到的所有的卫星信号的任意两路的来向进行对比。此时，如果只有一路欺骗干扰信号，则该路欺骗干扰信号的来向与其它所有的真实卫星信号的来向均不同，因此，没有办法识别出该路欺骗干扰信号；只有当存在两路或两路以上的欺骗干扰信号时，这多路欺骗干扰信号的来向与每一路真实卫星信号的来向均不同，但是这多路欺骗干扰信号的来向均相同，因此，判定这多路卫星信号为多路欺骗干扰信号。因此，传统的欺骗干扰信号检测方法不能够检测单路欺骗干扰信号。

需要说明的是，每一路卫星信号在天线阵坐标中的到达角是无法直接测量到的，因此，对任意两路卫星信号的来向(到达角)的比较需要转化为载波相位差的比较。

基于传统欺骗干扰信号检测方法无法对单路欺骗干扰信号检测以及检测时间长的缺陷，本发明提供了一种基于惯性辅助的欺骗干扰信号检测方法，图1为本发明提供的一种基于惯性辅助的天线阵欺骗干扰信号检测方法流程图，如图1所示，方法包括：101、由惯性辅助解算每一个虚拟真实卫星信号在天线阵坐标系中的到达角；102、计算惯性辅助解算的每一个虚拟真实卫星信号的到达角在天线阵不同基线上的载波相位差，以及每一个待检测卫星信号的到达角在天线阵不同基线上的载波相位差；103、采用载波相位双差算法构建欺骗干扰信号的二元假设检验模型，并基于二元假设检验模型设定欺骗干扰信号的判决依据；104、遍历惯性辅助解算的每一个虚拟真实卫星信号与每一个待检测卫星信号之间的载波相位双差，基于二元假设检验模型及其判决依据，判决每一个待检测卫星信号是否为欺骗干扰信号。

可以理解的是，在本发明中，由惯性辅助解算出每一个虚拟真实卫星信号在卫星导航接收机天线阵坐标系中的到达角，该到达角为真实卫星信号的理论值，可作为后续识别卫星欺骗干扰信号的参考。然后，计算惯性辅助解算的每一个虚拟真实卫星信号在天线阵不同基线上的载波相位差，以及通过天线阵测量得到每一个待检测卫星信号在天线阵不同基线上的载波相位差。由于每一个虚拟真实卫星信号在天线阵坐标系中的到达角是由真实卫星在导航坐标系中的俯仰角、方位角通过姿态转换得到，因此，可以通过比较每一个待检测卫星信号在天线阵不同基线上的载波相位差和每一个虚拟真实卫星信号在天线阵不同基线上的载波相位差是否相等，来识别每一个待检测卫星信号是否为卫星欺骗干扰信号。

基于该原理，采用载波相位双差算法构建欺骗干扰信号的二元假设检验模型，并设定二元假设检验模型的判决依据。根据构建的二元假设检验模块及其判决依据，根据每一个虚拟真实卫星信号在天线阵不同基线上的载波相位差和每一个待检测卫星信号在天线阵不同基线上的载波相位差，利用二元假设检验模型及判决依据，对每一个待检测卫星信号进行欺骗干扰信号的识别。遍历所有的虚拟真实卫星信号和所有的待检测卫星信号的载波相位双差，在整个空域范围内检测卫星欺骗干扰信号。

本发明充分利用卫星欺骗干扰信号与惯性辅助解算的虚拟真实卫星信号在天线坐标系中的到达角差异，通过计算待检测卫星信号与虚拟真实卫星信号在天线阵基线上载波相位差的不同来识别欺骗干扰，由于通过惯性辅助解算能够得到每一个真实卫星信号的到达角和载波相位差，在识别欺骗干扰信号时，如果其中一路卫星信号的载波相位差与任何一路真实卫星信号的载波相位差不同时，那么该路卫星信号即为卫星欺骗干扰信号，对于单路欺骗干扰信号，也可以识别，解决了传统载波相位双差检测技术对单路卫星欺骗干扰信号检测失效的问题。

在一种可能的实施例方式中，由惯性辅助解算每一个虚拟真实卫星信号在天线阵坐标系中的到达角包括：利用惯性辅助解算卫星导航接收机天线阵相对于当地导航坐标系的姿态矩阵；通过卫星导航接收机信号处理得到各颗真实卫星在当地导航坐标系下的方位角和俯仰角；基于各颗真实卫星在当地导航坐标系下的方位角和俯仰角以及惯性辅助解算的卫星导航接收机天线阵相对于当地导航坐标系的姿态矩阵，通过坐标转换得到各颗真实卫星在天线阵坐标下的到达角，到达角包括方位角和俯仰角，由于该真实卫星信号的到达角主要由惯性辅助解算得到，并非通过天线阵信号处理检测所得，故称之为惯性辅助解算的虚拟真实卫星信号的到达角。

可以理解的是，天上各颗卫星与接收机天线阵的位置关系示意如图2所示，接收机天线阵的位置为P

DC

利用惯导解算得到天线阵坐标系相对于东北天导航坐标系(当地导航坐标系)的坐标转换矩阵

其中，由惯导解算的接收机天线阵俯仰角为θ、方位角为

若DC

在一种可能的实施例方式中，在计算惯性辅助解算的虚拟真实卫星信号和待检测卫星信号在天线阵不同基线上的载波相位差时，通过研究表明，当卫星导航接收机天线阵元数大于等于三，且天线阵型不为线阵时，阵元间的载波相位差可与卫星入射信号到达角一一对应。为方便分析，以正三角形天线阵为例，设天线阵的基线长度为b，以三个阵元所在的平面为X轴和Y轴所在平面，以A为原点建立直角坐标系。AB基线方向为X轴方向，Z轴指向天顶方向，XYZ轴满足右手定则，如图3所示。

卫星入射信号在天线阵坐标系下的单位方向矢量可以表示为：

阵列天线三个阵元的坐标分别为A＝[0,0,0]，b＝[b,0,0]和

假设由惯性辅助解算的虚拟真实卫星信号在天线阵坐标系中的到达角为Ψ

j在天线阵基线AB上的载波相位差可分别表示为：

其中，

由于AB、AC和BC这三条基线的载波相位差存在相关性，BC基线上的载波相位差可以直接由AB和AC基线上的载波相位差得到，因此BC基线对应的载波相位差对载波相位双差检测没有贡献，不需要单独给出。

由于三元阵为正三角形，所以有：

虚拟真实卫星信号i与待检测卫星信号j在天线阵基线上的载波相位差可以写成：

dΦ

dΦ

其中，

在一种可能的实施例方式中，上述对虚拟真实卫星信号i与待检测卫星信号j在天线阵基线上的载波相位差进行了表示，其中，虚拟真实卫星信号i与待检测卫星信号j的载波相位双差矢量可表示为：

ΔdΦ

式中，γ

利用载波相位双差检测的原理，构建欺骗干扰信号检测的二元假设检验模型：

其中，H0/H1的假设条件分别为：

H0：参与载波相位双差检测的待检测卫星信号为欺骗干扰信号；

H1：参与载波相位双差检测的待检测卫星信号为真实卫星信号。

在一种可能的实施例方式，上述构建了欺骗干扰信号检测的二元假设检验模型，本实施例基于构建的二元假设检验模型，设定欺骗干扰信号的判决依据，依据判决依据进行欺骗干扰信号的检测。

具体地，假设三阵元A、B和C输出同一路信号的载波相位测量值误差A、B和C相互独立，且都服从均值为0，方差为σ

易知η

相应的可以求得C

当待检测信号为卫星真实信号时，载波相位双差矢量的分布满足

R

可见，上式为二维高斯分布，难以直接得到不同假设条件下的概率分布。因此，构造上式高斯随机变量的二次型，可以得到服从自由度为2的

当待检测信号为卫星欺骗信号时，载波相位双差矢量的分布满足：

R

其中，μ为天线阵接收卫星欺骗信号情况下R

此时，构造的统计量T

其中，

λ＝μ

当给定虚警率P

其中，

令检测量表示为r＝(R

r>ρ

r<ρ

此时，对应的欺骗干扰信号检测概率可表示为：

其中，

当惯性辅助解算的虚拟真实卫星信号与待检测卫星信号在天线阵坐标系中的到达角差异较小时，很难判别待检测的卫星信号具体为真实卫星信号还是欺骗干扰信号。因此，设定虚警率恒为0.01，欺骗干扰信号最小检测概率P

在一种可能的实施例方式中，遍历惯性辅助解算的每一个虚拟真实卫星信号与每一个待检测卫星信号之间的载波相位双差，基于二元假设检验模型及其判决依据，判决每一个待检测卫星信号是否为欺骗干扰信号包括：基于任一个虚拟真实卫星信号与每一个待检测卫星信号在天线阵不同基线上的载波相位双差，利用二元假设检验模型及其判决依据，判定相对于任一个虚拟真实卫星信号，所有待检测卫星信号中的欺骗干扰信号；遍历所有的虚拟真实卫星信号与每一个待检测卫星信号，判定出所有待检测卫星信号中的欺骗干扰信号。

可以理解的是，针对每个惯性辅助解算的虚拟真实卫星信号，首先遍历所有的待检测卫星信号，进行欺骗干扰检测，然后直至空域中所有惯性辅助解算的虚拟真实卫星信号遍历完成。

受当前技术条件的限制，卫星信号欺骗干扰源大都采用单一天线发射欺骗干扰信号。针对单天线发射的多星欺骗干扰场景，当待检测信号位于所有检测盲区外，即可判定该待检测信号为欺骗信号。存在欺骗干扰信号位于空域中某一路参考信号周边的检测盲区内，并将其识别为真实卫星信号。此时，该卫星欺骗干扰信号可利用卫星接收机后续的欺骗干扰检测手段做进一步处理，同时不影响其他路的真实卫星信号参与卫导接收机的基带信号处理和导航定位解算，从而实现对单天线发射的多星欺骗干扰信号的检测和抑制。

参见图4，为本发明提供的基于惯性辅助的天线阵欺骗干扰信号检测方法的整体流程图，在对整个空域范围内的待检测卫星信号进行欺骗干扰检测时，对于多个真实卫星信号，比如，有k个真实卫星信号，有n个待检测卫星信号，其中，待检测卫星信号中包括真实卫星信号，那么n＞k，通常情况下，n是远大于k。

先从1号虚拟真实卫星信号开始，由惯性辅助解算出1号虚拟真实卫星信号在天线阵坐标系中的到达角，求解1号虚拟真实卫星信号与1号待检测卫星信号在天线阵基线之上的载波相位双差，利用二元假设检验模型及其判决依据，判断1号待检测卫星信号与1号虚拟真实卫星信号之间的r

经过一轮的识别，再以2号虚拟真实卫星信号的载波相位差为根据，再次识别n个待检测卫星信号中的真实卫星信号和欺骗干扰信号，理论上，可再次识别出其中的一个待检测卫星信号为真实卫星信号，其余的识别为欺骗干扰信号。遍历k个虚拟真实卫星信号，可以从n个待检测卫星信号中识别出k个真实卫星信号，其余的(n-k)个待检测卫星信号为欺骗干扰信号。

采用该欺骗干扰信号的检测算法，同样的，对于n个待检测卫星信号，算法的复杂度为n*k。而采用传统的对n路卫星信号进行欺骗干扰检测算法需要将任意两路卫星信号的来向进行比较，因此，算法的复杂度为C

本发明提供的一种基于惯性辅助的天线阵欺骗干扰信号检测方法，通过计算待检测卫星信号与虚拟真实卫星信号在天线阵基线上载波相位差的不同来识别欺骗干扰，解决了传统载波相位双差检测技术检测时间较长且对单路卫星欺骗干扰信号检测失效的问题；通过设置判决依据中的虚警率和欺骗干扰信号的最小检测概率，可缩小欺骗干扰信号的检测盲区，提升了检测概率，综合检测性能优异。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包括这些改动和变型在内。