面向无人艇的卫星导航干扰检测方法

技术领域

本发明属于导航数据处理技术领域，特别是一种面向无人艇的卫星导航干扰检测方法。

背景技术

无人艇是海上无人装备的重要组成部分，由于其具有搭载能力强、环境适应性好、续航时间长、自主化程度高等特点，广泛应用于航运、军事、安保、气象探测、海洋测绘等领域。为实现自主作业，安全可靠的导航系统是无人艇的基础。

常规无人艇导航系统主要由惯性导航设备、卫星导航设备、时统设备等组成，其主要工作原理如图1所示，其中惯导设备具有一定的自主导航能力，但由于其原理上的误差产生机制，惯导设备工作中会产生不可避免的漂移，需要外部输出当前位置信息进行周期性校准。卫星导航设备可连续提供高精度的位置信息，且使用成本较低，广泛应用于各种舰船平台。但近年来随着相关领域的技术发展，卫星导航非常容易受到压制式和欺骗式干扰，其中欺骗式干扰可实现对虚假导航授时信息的播发，导致卫星定位中断，设备解算出虚假信息，严重威胁无人艇安全。为确保无人艇安全可靠运行，需要实现对卫星导航干扰的检测，为正确利用导航信息提供依据。

期刊《导航定位学报》第9卷第4期第1页发表的《卫星导航欺骗及检测(二)：基于接收机改进的欺骗检测》、期刊《导航定位学报》第9卷第5期第13页发表的《卫星导航欺骗及检测(三)：基于辅助信息的欺骗检测》、期刊《计算机工程与应用》2022年2月28日网络首发的《GNSS欺骗式干扰检测综述》中均对当前卫星导航干扰检测方法进行了汇总和梳理，结合无人艇使用需求和装备实际，其提出的方法主要存在以下问题：

1)部分检测方法无法应用于实时运动中的无人艇平台；

2)部分检测方法需要对卫星导航信号标准和格式进行修改，或对已有的卫星导航终端设备进行改进，或需要增加额外设备，在工程实现上存在着成本高、实施难度大等困难；

3)部分检测信号需要进行事后处理，无法满足无人艇实时导航的干扰检测需求；

4)由于卫星导航干扰手段不断发展，干扰信号的不确定性，单一检测手段均存在一定的漏检率，未能结合无人艇特点和使用场景提出利用多种手段进行综合检测的方法和体系；

5)未能有效利用无人艇先验信息，提高干扰检测的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于解决无人艇在航行过程中卫星导航信号在受干扰条件下的干扰检测问题，提出了一种能够利用卫星导航信号、多源导航数据以及无人艇先验信息的综合化检测方法，实现无人艇对卫星导航干扰的自主检测，实现对卫星导航信号是否可用的精准估计，为实现无人艇导航安全提供有力支撑。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种面向无人艇的卫星导航干扰检测方法，主要包括：提出了一种适用于无人艇的卫星导航信号级、数据级和系统级的联合检测方法。在信号级层面，选择接收功率、信噪比、星历时间以及多普勒频移4种参数作为检测依据；在数据级检测方面，一方面选择速度、时间信息作为异常检测参数，与惯导、时统数据进行对比，另一方面结合无人艇运动模型估计、先验边界条件进行判断；在此基础上，利用无人艇无源自主定位进行最终位置校准，并根据全流程检测结果进行综合处理。

具体地,一种面向无人艇的卫星导航干扰检测方法，包括以下步骤：

步骤1，进行卫星导航信号异常检测，输出检测结果；

步骤2，进行多源导航数据耦合异常检测，输出检测结果；

步骤3，结合先验信息进行导航数据一致性检测，输出检测结果；

步骤4，结合目标信息反算进行导航一致性检测，或根据前序检测结果进行惯导校准。

进一步地，步骤1进行卫星导航信号异常检测，具体包括：

步骤1.1，分别对无人艇装备的各个卫星导航信号进行接收功率异常检测，分析接收功率是否处于预设的阈值范围内；

步骤1.2，在步骤1.1的同时，分别对无人艇装备的各个卫星导航信号进行接收信噪比异常检测，分析接收信噪比是否处于预设的阈值范围内；

步骤1.3，在步骤1.1的同时，分别对无人艇装备的各个卫星导航信号进行多普勒频移一致性检测，对载波与伪码多普勒频移的比值进行异常检测，分析其是否处于预设的阈值范围内；

步骤1.4，完成上述3个步骤后，分别对无人艇装备的各个卫星导航信号进行星历信息异常检测，对接收到的卫星导航信号进行处理，计算产生星历信息，对同种卫星信号源中不同星历时间信息进行对比，分析其差值是否处于预设的阈值范围内；

步骤1.5，在上述干扰检测基础上，若任意步骤中检测指标超过对应的预设的阈值范围，则判断卫星导航信号出现干扰，即转入步骤4，若均在预设的阈值范围内则同时进行后续步骤2和步骤3检测。

进一步地，所述卫星导航信号包括GPS、北斗、GLONASS这些卫星导航信号。

进一步地，步骤2进行多源导航数据耦合异常检测，具体包括：

步骤2.1，对来自不同测量源的无人艇速度进行异常检测，使用惯导输出的水平加速度信息进行积分计算，输出当前时刻无人艇航速信息，以此为基准与各卫星导航输出的航速信息进行一致性对比，获得差值，结合此时PDOP值分析该差值是否处于预设的阈值范围内，若在连续3个数据周期以上PDOP值小于阈值且航速误差超出阈值范围，则判断为卫星导航信号受干扰；

步骤2.2，对来自不同测量源的当前卫星导航时间信息进行异常检测，以时统设备高精度内定时为基准，对各卫星导航输出的时间进行对比，获得差值，分析该差值是否处于预设的阈值范围内，若在连续3个数据周期以上均超出阈值范围，则判断为卫星导航信号受干扰；

步骤2.3，在上述2个步骤基础上，若任意步骤出现异常，则判断卫星导航信号出现干扰，并转入步骤4。

进一步地，步骤3结合先验信息进行数据一致性检测，具体包括：

步骤3.1，构建无人艇运动模拟器，以当前油门、舵角、气象水文参数作为输入量，输出无人艇航速矢量估计值，与当前时刻各卫星导航输出的航速作对比，获得差值，分析该差值是否处于预设的阈值范围内，若在连续3个数据周期以上均超出阈值范围，则判断为卫星导航信号受干扰；

步骤3.2，根据无人艇航向性能获取无人艇运动的边界条件，包括最大航速、最大加速度、最小回转半径、海上航行中的最大高度参数，与当前时刻各卫星导航处理输出的航速、加速度、航迹向变化率、高度作对比，获得差值，分析这些差值是否处于预设的阈值范围内，若在连续3个数据周期以上均超出范围则判断为卫星导航信号受干扰；

步骤3.3，在上述2个步骤基础上，若任意步骤出现异常，则判断卫星导航信号出现干扰，并转入步骤4。

进一步地，步骤4结合目标信息反算进行导航一致性检测，具体包括：

步骤4.1，根据事先获取的电子海图信息，选择固定标志物进行无人艇经纬度校验，具体过程为：无人艇根据惯导输出的艏向和位置信息、电子海图提取的固定标志物位置，引导无人艇配置的雷达或光电对标志物进行探测、识别、确认、位置测量，获得其相对的距离、方位信息，并根据电子海图获取的标志物经纬度坐标计算出无人艇此时的位置坐标；所述固定标志物包括灯塔、海岛、航标；

步骤4.2，综合步骤1.5、步骤2.3和步骤3.3的检测结果，若任意环节判断出现干扰，则将步骤4.1解算的无人艇位置坐标作为位置校准数据发送至惯导，若此时步骤4.1无有效数据则惯导继续保持自主导航工作模式，并开始下一个周期的干扰检测，如步骤1.5、步骤2.3和步骤3.3均未出现干扰则转入步骤4.3；

步骤4.3，将步骤4.1解算的无人艇位置坐标与卫星导航输出的位置坐标进行对比，获得差值，分析该差值是否处于预设的阈值范围内，若任意周期数据均出现超出阈值范围则判断卫星导航信号受到干扰，此时将步骤4.1解算的无人艇位置坐标作为位置校准数据发送至惯导，若此时步骤4.1无有效数据则惯导继续保持自主导航工作模式；若连续2个数据周期均未出现超出阈值范围，则判断卫星导航信号未受到干扰，并将此时卫星导航设备输出的位置数据作为校准数据发送至惯导，并开始下一个周期的干扰检测。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1)基于主流GPS、北斗、卫星导航等卫星导航设备，不需要额外增加或改进硬件设备，实现成本较低。

2)该方法整体消耗的计算资源较少，基于常规无人艇硬件配置即可实现，具有较强的通用性。

3)采用了多种手段从信号级、数据级、系统级分别进行检测，具有较高的可靠性。

4)全过程无需人工干预即可自主实现对常规压制式和欺骗式卫星导航干扰方法的检测，智能化程度较高。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是无人艇导航系统工作原理图。

图2是卫星导航抗干扰检测流程的总体框图。

图3是卫星导航抗干扰检测的具体流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，结合图2和图3，提出了一种面向无人艇的卫星导航干扰检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，进行卫星导航信号异常检测，输出检测结果；

步骤2，进行多源导航数据耦合异常检测，输出检测结果；

步骤3，结合先验信息进行导航数据一致性检测，输出检测结果；

步骤4，结合目标信息反算进行导航一致性检测，或根据前序检测结果进行惯导校准。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤1进行卫星导航信号异常检测，具体包括：

1.1，分别对无人艇装备的GPS、北斗、GLONASS等卫星导航信号进行接收功率异常检测，分析接收功率是否处于预设的阈值范围内，若超差则判断某种卫星导航信号受干扰；

1.2，分别对无人艇装备的GPS、北斗、GLONASS等卫星导航信号进行接收信噪比异常检测，分析接收信噪比是否处于预设的阈值范围内，若超差则判断某种卫星导航信号受干扰；

1.3，分别对无人艇装备的GPS、北斗、GLONASS等卫星导航信号进行星历信息异常检测，对接收到的卫星导航信号进行处理，计算产生星历信息，对同种卫星信号源中不同星历时间信息进行对比，分析其差值是否处于预设的阈值范围内，若超差则判断某种卫星导航信号受干扰；

1.4，分别对无人艇装备的GPS、北斗、GLONASS等卫星导航信号进行多普勒频移一致性检测，对载波与伪码多普勒频移的比值进行异常检测，分析其是否处于预设的阈值范围内，若超差则判断某种卫星导航信号受干扰；

1.5，在上述干扰检测基础上，若任意步骤中检测指标超差，则判断卫星导航信号出现干扰，即转入步骤4，若均在预设的阈值范围内则同时进行后续步骤2和步骤3检测。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤2进行多源导航数据耦合异常检测，具体包括：

2.1，对来自不同测量源的无人艇速度进行异常检测，使用惯导输出的水平加速度信息进行积分计算，输出当前时刻无人艇航速信息，以此为基准与GPS、北斗、GLONASS等卫星导航输出的航速信息进行一致性对比，结合此时PDOP值(PDOP＝position of dilutionofprecision，在卫星导航中指卫星在空间分布的空间强度几何强度因子，一般卫星分布越好时，PDOP值越小)分析其差值是否处于预设的阈值范围内，若在连续3个数据周期以上均超出范围，则判断为其受干扰；

2.2，对来自不同测量源的当前卫星导航时间信息进行异常检测，以时统设备高精度内定时为基准，对GPS、北斗、GLONASS等卫星导航输出的时间进行对比，分析其差值是否处于预设的阈值范围内，若在连续3个数据周期以上均超出范围，则判断为其受干扰；

2.3，在上述2个步骤基础上，若任意步骤出现不合格，则判断卫星导航信号出现干扰，并转入步骤4。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤3结合先验信息进行导航数据一致性检测，具体包括：

3.1，根据无人艇动力性能、水动力参数等构建无人艇运动模拟器，以当前油门、舵角、气象水文等参数作为输入量，输出无人艇航速矢量估计值，与当前时刻GPS、北斗、GLONASS等卫星导航输出的航速作对比，分析其差值是否处于预设的阈值范围内，若在连续3个数据周期以上均超出范围，则判断为其受干扰；

3.2，根据无人艇航向性能获取无人艇运动的边界条件，包括最大航速、最大加速度、最小回转半径、海上航行中的最大高度等参数，与当前时刻GPS、北斗、GLONASS等卫星导航处理输出的航速、加速度、航迹向变化率、高度作对比，分析其差值是否处于预设的阈值范围内，若在连续3个数据周期以上均超出范围，则判断为其受干扰；

3.3，在上述2个步骤基础上，若任意步骤出现不合格，则判断卫星导航信号出现干扰，并转入步骤4。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤4结合目标信息反算进行导航一致性检测，具体包括：

4.1，根据事先获取的电子海图信息，选择灯塔、海岛、航标等固定标志物进行无人艇经纬度校验，具体过程为：无人艇根据惯导输出的艏向和位置信息、电子海图提取的固定标志物位置，引导无人艇配置的雷达或光电对标志物进行探测、识别、确认、位置测量，获得其相对的距离、方位信息，根据电子海图获取的标志物经纬度坐标计算出无人艇此时精确的位置坐标。

4.2，综合步骤1.5、步骤2.3和步骤3.3的检测结果，若任意环节判断为出现干扰，则将步骤4.1解算的无人艇位置坐标作为位置校准数据发送至惯导，若此时步骤4.1无有效数据则惯导继续保持自主导航工作模式，并开始下一个周期的干扰检测，如步骤1.5、步骤2.3和步骤3.3均未出现干扰则转入步骤4.3。

4.3，将步骤4.1解算的无人艇位置坐标与卫星导航输出的位置坐标进行对比，分析其差值是否处于预设的阈值范围内，若任意周期数据均出现超差，则判断为卫星导航信号受到干扰，此时将步骤4.1解算的无人艇位置坐标作为位置校准数据发送至惯导，若此时步骤4.1无有效数据，则惯导继续保持自主导航工作模式；若连续2个数据周期均未出现超差，则判断卫星导航信号未受到干扰，并将此时卫星导航设备输出的位置数据作为校准数据发送至惯导，并开始下一个周期的干扰检测。

在一个实施例中，提供了一种面向无人艇的卫星导航干扰检测系统，所述系统包括：

第一模块，用于进行卫星导航信号异常检测，输出检测结果；

第二模块，用于进行多源导航数据耦合异常检测，输出检测结果；

第三模块，用于结合先验信息进行导航数据一致性检测，输出检测结果；

第四模块，用于结合目标信息反算进行导航一致性检测，或根据前序检测结果进行惯导校准。

关于面向无人艇的卫星导航干扰检测系统的具体限定可以参见上文中对于面向无人艇的卫星导航干扰检测方法的限定，在此不再赘述。上述面向无人艇的卫星导航干扰检测系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

步骤1，进行卫星导航信号异常检测，输出检测结果；

步骤2，进行多源导航数据耦合异常检测，输出检测结果；

步骤3，结合先验信息进行导航数据一致性检测，输出检测结果；

步骤4，结合目标信息反算进行导航一致性检测，或根据前序检测结果进行惯导校准。

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于面向无人艇的卫星导航干扰检测方法的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

步骤1，进行卫星导航信号异常检测，输出检测结果；

步骤2，进行多源导航数据耦合异常检测，输出检测结果；

步骤3，结合先验信息进行导航数据一致性检测，输出检测结果；

步骤4，结合目标信息反算进行导航一致性检测，或根据前序检测结果进行惯导校准。

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于面向无人艇的卫星导航干扰检测方法的限定，在此不再赘述。

本发明可广泛应用于无人艇卫星导航干扰检测，并可推广应用至水面船舶，具有广泛的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。