一种基于c/n0-mv的gnss转发式欺骗干扰检测方法
技术领域
本发明涉及GNSS卫星信号领域，特别是涉及一种基于C/N0-MV的GNSS 转发式欺骗干扰检测方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)被广泛应用于现代社会的各领域，但其民用信用的信号结构和调制方式是公开的，因此很容易受到欺骗干扰，对GNSS服务的安全性和用户的使用造成巨大威胁。目前主要的人为干扰包括压制式干扰和欺骗式干扰，其中欺骗式干扰更具威胁性。欺骗式干扰通过播发和真实信号类似的信号，使接收机接收到错误的信号后产生虚假的定位信息。因此，欺骗和反欺骗机制的研究在现代GNSS应用中十分重要，开展GNSS抗欺骗式干扰技术研究对国家和社会安全具有举足轻重的意义。
传统的载噪比检测方法通过设置一定阈值检测欺骗干扰，当卫星仰角导致载噪比下降时，此方法便会失效。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于C/N0-MV的GNSS转发式欺骗干扰检测方法，此方法利用测量载噪比的波动程度来反应欺骗信号对卫星的影响，具有屏蔽卫星仰角的优势。
本发明提供一种基于C/N0-MV的GNSS转发式欺骗干扰检测方法，具体步骤如下，其特征在于：
(1)对GNSS中频信号进行预处理，软件接收机捕获信号时，行多普勒频率的码相位搜索，估计接收机噪声基底，分析噪声基底受欺骗信号总功率TSP影响；
步骤(1)具体包括：
(1.1)对GNSS中频信号进行处理并存储，软件接收机对中频数据进行捕获；
(1.2)进行多普勒频率的码相位搜索，第l路本地伪码序列搜索得到的第K 个时间间隔相关器输出表示为：
其中，表示捕获过程中的第l颗目标卫星信号的相关积分值；表示由其他伪码信号产生的干扰；表示由欺骗信号产生的干扰；η(k)表示环境中方差为σ2/N的高斯白噪声。
式中，Ril[ωl,τl,K]和Rkl[ωl,τl,K]的表达式为：
其中，为信号功率；为当前捕获信号与本地编号为l的复制信号的载波相位差；Ril[ωl,τl,K]和Rkl[ωl,τl,K]分别为其余真实信号，除了编号第l颗和欺骗信号与本地复制信号的相关输出；NAuth为真实信号的卫星数目；NSpoof为欺骗信号的卫星数目；N为相干积分内送入相关器的采样点数目；cl(n)为本地复制伪码，ci(n-τilK)为其余真实信号的伪码，ck(n-τklK)为欺骗信号的伪码；ΔωilK为本地复制载波与其余真实信号载波的频率差，为本地复制载波与其余真实信号载波的相位差；ΔωklK为本地复制载波与欺骗信号的载波频率差，为本地复制载波与欺骗信号的载波相位差；τilK和τklK分别为其余真实信号和欺骗信号与本地复制信号的码延时差；η(k)为复高斯随机过程，且均值为零，方差为σ2/N，其中σ2为输入信号中的白噪声；
(1.3)估计接收机噪声基底：
假设一个既不是真实信号也不是欺骗信号的卫星，PRN编号为f，则噪声基底：
式中，前两项为编号为i或k与编号为f的PRN伪码之间的互相关函数 Rf(ωf,τf,K)的方差；
其中，Rf(ωf,τf,K)服从如下分布：
式中，N(a,b)表示均值为a、协方差为b的圆对称高斯分布，且互相关函数的方差
(1.4)定义欺骗信号总功率TSP，通过仿真实验分析噪声基底受TSP影响过程：
(2)根据信噪比SNR计算载噪比C/N0；
(3)设置定长的滑动窗口，计算数据集方差MV，创建方差序列；
(4)设定检测门限，检测方差序列；
(5)通过半实物仿真实验后，方法可以用于检测欺骗干扰是否发生。
作为本发明进一步改进，步骤(3)具体包括：
(3.1)设置一个长度为w的滑动窗口，通过子集平方和均值平方除以这个子集之间的差计算窗口内数据子集方差；
(3.2)将窗口向前移动固定的滑动区间，计算新数据子集方差；
(3.3)在整个数据集上重复上述过程，创建方差序列：
第n个滑动窗口的MV表达式为：
其中，x(i)为数据中第i个C/N0样本的值，w为MV窗口的长度，k为滑动区间，N为滑动窗口的总数。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
利用方差表征数据分散性的特点，通过捕获欺骗攻击期间卫星载噪比的波动程度，对欺骗信号进行检测。传统载噪比检测法易受卫星仰角影响，本发明具有屏蔽卫星仰角影响的优势，而且检测效率高。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的流程示意图；
图2是本发明建立的MV模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种基于C/N0-MV的GNSS转发式欺骗干扰检测方法，当欺骗信号出现时，通过对接收机噪声基底和载噪比的综合考察，发现在欺骗信号播发时刻卫星的载噪比比原始值波动大，通过计算数据集方差来检测欺骗干扰信号。该方法利用方差能表征数据分散性的特点，在实现欺骗干扰检测的同时还具有屏蔽卫星仰角影响的优势，提高了检测效率和准确率。
作为本发明一种具体实施例，本发明提供一种基于C/N0-MV的GNSS转发式欺骗干扰检测方法，流程图如图1所示，具体步骤如下；
步骤一、对GNSS中频信号进行预处理，软件接收机捕获信号时，行多普勒频率的码相位搜索，估计接收机噪声基底，分析噪声基底受欺骗信号总功率TSP影响；
该步骤具体包括：
(1.1)对GNSS中频信号进行处理并存储，软件接收机对中频数据进行捕获；
(1.2)进行多普勒频率的码相位搜索，第l路本地伪码序列搜索得到的第K 个时间间隔相关器输出可表示为：
其中，表示捕获过程中的第l颗目标卫星信号的相关积分值；表示由其他伪码信号产生的干扰；表示由欺骗信号产生的干扰；η(k)表示环境中方差为σ2/N的高斯白噪声。
式中，Ril[ωl,τl,K]和Rkl[ωl,τl,K]的表达式为：
其中，为信号功率；为当前捕获信号与本地编号为l的复制信号的载波相位差；Ril[ωl,τl,K]和Rkl[ωl,τl,K]分别为其余真实信号(除了编号第l颗) 和欺骗信号与本地复制信号的相关输出；NAuth为真实信号的卫星数目；NSpoof为欺骗信号的卫星数目；N为相干积分内送入相关器的采样点数目；cl(n)为本地复制伪码，ci(n-τilK)为其余真实信号的伪码，ck(n-τklK)为欺骗信号的伪码；ΔωilK为本地复制载波与其余真实信号载波的频率差，为本地复制载波与其余真实信号载波的相位差；ΔωklK为本地复制载波与欺骗信号的载波频率差，为本地复制载波与欺骗信号的载波相位差；τilK和τklK分别为其余真实信号和欺骗信号与本地复制信号的码延时差；η(k)为复高斯随机过程，且均值为零，方差为σ2/N(σ2为输入信号中的白噪声)。
(1.3)估计接收机噪声基底：
假设一个既不是真实信号也不是欺骗信号的卫星，PRN编号为f，则噪声基底：
式中，前两项为编号为i或k与编号为f的PRN伪码之间的互相关函数 Rf(ωf,τf,K)的方差。
其中，Rf(ωf,τf,K)服从如下分布：
式中，N(a,b)表示均值为a、协方差为b的圆对称高斯分布，且互相关函数的方差
(1.4)定义欺骗信号总功率TSP，通过仿真实验分析噪声基底受TSP影响过程：
步骤二、根据信噪比SNR计算载噪比C/N0。
该步骤具体包括：
(2.1)计算得到信噪比SNR；
N＝kTBn
式中，PR为信号功率，N为噪声功率，k为玻尔兹曼常数，T为噪声温度， Bn为噪声带宽；
(2.2)通过信噪比计算载噪比C/N0：
C/N0＝SNR×Bn
其中，
N0＝kT
式中，N0为白噪声功率谱密度；
步骤三、设置定长的滑动窗口，计算数据集方差MV，创建方差序列；
该步骤具体包括：
(3.1)设置一个长度为w的滑动窗口，通过子集平方和均值平方除以这个
子集之间的差计算窗口内数据子集方差；
(3.2)将窗口向前移动固定的滑动区间，计算新数据子集方差；
(3.3)在整个数据集上重复上述过程，创建方差序列：
第n个滑动窗口的MV表达式为：
其中，x(i)为数据中第i个C/N0样本的值，w为MV窗口的长度，k为滑动区间，N为滑动窗口的总数。
步骤四、设定检测门限，检测方差序列；
步骤五、通过半实物仿真实验后，方法可以用于检测欺骗干扰是否发生。
例如，建立的MV模型如图2所示：
第n个滑动窗口的MV表达式为：
其中，x(i)为数据中第i个C/N0样本的值，w为MV窗口的长度，k为滑动区间，N为滑动窗口的总数。
当MV窗口的长度w取值为200(时长0.4s的采样点，采样频率为500Hz), 滑动区间k取为1时，对于设置不同欺骗功率优势为3dB、5dB、7dB，分布设定检测阈值为5.4(dB-Hz)2、5.7(dB-Hz)2和7.2(dB-Hz)2时，可检测出欺骗信号。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
