北斗卫星导航欺骗与抗欺骗技术现状探讨

作为全球四大卫星导航系统之一,北斗也容易遭受恶意欺骗干扰.在北斗赋能各行各业的时代,守护北斗就是守护我们的家园.对欺骗技术和抗欺骗技术原理分别进行了介绍,讨论了不同的欺骗手段对接收机的影响,从接收机捕获通道和跟踪通道的欺骗特征详细介绍了几种抗欺骗技术,并重点阐述了当前欺骗和抗欺骗技术的现状,最后展望了未来的欺骗技术和欺骗防御技术,希望对卫星导航接收机的抗欺骗干扰技术工程化应用提供思路.     

分步北斗三频部分模糊度解算方法

随着月球探索进入一个新的时代,为确保未来月球任务的实时高精度定位,大幅提高登月航天器的自主性,且减少对地球基站的依赖,选取合适的轨道构建月球导航星座,并且实现月球导航星座与地球GNSS的通信链路同步尤为重要。为评估月球导航星座轨道中卫星接收GNSS信号的性能,首先对椭圆形月球冻结轨道(ELFO)、近直线晕轨道(NRHO)、顺行圆形轨道(PCO)和低月球轨道(LLO)4种轨道进行仿真。然后基于天线方向图等指标仿真了GNSS卫星信号,并依据主旁瓣波束宽度和载噪比等仿真结果评估了4种不同轨道卫星对GNSS的可见性。结果表明,NRHO和ELFO对GNSS星座有较好的可视效果,最高可见时间占比达99.57%,保障了绝大部分时间内能够稳定接收GNSS信号,有助于实现月球导航星座轨道卫星的轨道和时钟校正,并保证轨道的定位性能。     

一种基于多基线载波相位差测量的欺骗干扰检测方法

由于卫星导航信号到达地面的信号功率较低,且民用部分信息公开,极易受到欺骗干扰信号的影响,从而导致接收机解算出错误的位置、速度或时间.针对传统的欺骗干扰检测与抑制方法不能对欺骗干扰进行测向的问题,提出了一种基于阵列多天线接收信号的载波相位差进行欺骗信号检测与抑制的方法.该方法能够在缺少先验知识的条件下,借鉴相关干涉仪测向...     

等离子体对GPS信号载噪比的影响

飞行器再入过程产生等离子体,等离子体中电子密度的变化对电磁波信号造成幅度衰减和相位偏移,严重时导致通信中断。理论分析了等离子体对GPS信号载噪比的影响;利用实验室环境下的等离子体模拟装置,设计了GPS二键相控(BPSK)调制信号透过等离子体的地面模拟方案,进行了等离子体对GPS接收机性能影响的实验研究,获得了不同电子密度下的衰减和导航信号载噪比的数据。实验结果与理论分析一致,不仅证明了等离子体下衰减与导航信号载噪比的变化是一致的结论,而且验证了实验方法的有效性。     

基于PSO-ELM的卫星导航欺骗式干扰检测CSCD

近年来,卫星导航系统在军事监测、精细农业、交通监控、资源勘探、灾害评估等领域得到了广泛应用,但由于卫星导航信号结构公开且到达地面时强度微弱,卫星导航系统极易受到各种各样的干扰,其中欺骗式干扰因具有较强的隐蔽性,对卫星导航系统构成巨大的安全威胁。传统的欺骗式干扰检测方法大多采用单一参数进行检测,具有一定局限性。考虑到欺骗干扰源在欺骗过程中会引起一系列参数变化,构造了一个多参数输入的卫星导航欺骗式干扰检测模型,即将多个特征参数作为极限学习机(ELM)的输入,并通过训练和学习将真实信号与欺骗信号区分开,从而实现欺骗式干扰检测。同时,利用粒子群优化(PSO)算法优化ELM中的输入权值矩阵和隐层偏置,改善由于网络参数随机生成导致分类精度低的问题。仿真实验证明了该方法在卫星导航欺骗干扰检测方面的可行性和有效性。     

基于VBGMM-DCNN的列车卫星定位欺骗干扰检测方法

面向基于全球导航卫星系统的铁路列车定位实施欺骗干扰的主动检测，在卫星定位解算层次，运用深度学习建模学习方法的优势，提出一种基于变分贝叶斯高斯混合模型-深度卷积神经网络（variational Bayesian Gaussian mixture model-deep convolutional neural network, VBGMM-DCNN）的列车卫星定位欺骗干扰检测方法。该方法首先提取能够充分体现欺骗干扰对定位解算过程作用影响的卫星观测特征参数，构建干扰检测特征矢量；然后，采用VBGMM模型拟合经过预处理的特征向量的概率分布，得到二维概率密度图；最后，将概率密度图用于DCNN模型实施欺骗干扰的检测决策。结合现场实验所得运行场景数据，利用实验室搭建的欺骗干扰测试环境实施了干扰注入测试与检验，结果表明,欺骗干扰检测性能随着DCNN网络深度的增加而提升，相对于常规有监督决策方法F1值最高提升44.68%。基于VBGMM-DCNN的欺骗干扰检测能够适应测试验证中运用的列车运行特征及定位观测条件，所达到的检测性能优于对比算法。     

基于KL散度的紧组合导航欺骗式干扰检测方法

蓄意的欺骗式干扰可诱导机载全球导航卫星接收机定位结果偏离真实位置,给民航飞行安全带来极大的风险。针对欺骗式干扰隐蔽性强、难以被检测的问题,基于机载导航系统体制,本文提出了一种基于KL散度的欺骗式干扰检测方法。基于机载紧组合导航系统滤波器新息数据,利用卫星受欺骗与否时新息可能存在的两种概率密度分布,构建基于KL散度的欺骗检测统计量,进行欺骗式干扰检测。仿真结果表明,与传统新息序列卡方检测方法相比,基于KL散度的欺骗式干扰检测方法提高了算法对缓变式欺骗干扰和微小突变式欺骗干扰的检测能力,降低了欺骗检测的漏警率。     

月球导航星座轨道的地球GNSS可见性评估

随着月球探索进入一个新的时代,为确保未来月球任务的实时高精度定位,大幅提高登月航天器的自主性,且减少对地球基站的依赖,选取合适的轨道构建月球导航星座,并且实现月球导航星座与地球GNSS的通信链路同步尤为重要。为评估月球导航星座轨道中卫星接收GNSS信号的性能,首先对椭圆形月球冻结轨道(ELFO)、近直线晕轨道(NRHO)、顺行圆形轨道(PCO)和低月球轨道(LLO)4种轨道进行仿真。然后基于天线方向图等指标仿真了GNSS卫星信号,并依据主旁瓣波束宽度和载噪比等仿真结果评估了4种不同轨道卫星对GNSS的可见性。结果表明,NRHO和ELFO对GNSS星座有较好的可视效果,最高可见时间占比达99.57%,保障了绝大部分时间内能够稳定接收GNSS信号,有助于实现月球导航星座轨道卫星的轨道和时钟校正,并保证轨道的定位性能。     

绝对同相支路输出的GNSS欺骗检测

针对功率随时间变化,载波同步欺骗场景下,传统检测算法的欺骗检测性能不理想的问题,提出了一种基于绝对同相支路输出求和(SAIBO)的欺骗检测算法,为改善欺骗检测性能,进一步提出了SAIBO滑动平均(SAIBO-MA)算法。SAIBO-MA算法的构建过程使用接收机跟踪环的同相支路的输出结果取绝对值后求和形成SAIBO检测量,再做滑动平均处理后得到SAIBO-MA检测量。实验使用德克萨斯大学奥斯汀分校的德州欺骗测试电池(TEXBAT)的场景7(DS7)为数据集,比较并分析所提算法与传统算法的检测概率、欺骗判决数目和稳健性等欺骗检测性能。实验结果表明,SAIBO-MA具有更高的检测概率和检测精度、更好的即时性和稳健性以及更宽的检测范围。提出的SAIBO-MA算法克服了传统算法的缺点,具有更优的欺骗检测性能。     

北斗卫星导航系统中频信号的产生方法

北斗卫星中频信号在精确导航与授时、合成孔径成像等方面起着关键作用。通过对北斗卫星导航信号的特征进行分析,建立了北斗卫星中频信号的数学模型,并对该模型进行了仿真实现,进而研究了中频信号中路径延迟、噪声和多径干扰对原始北斗信号的影响。研究得到的信号数据可以为导航接收机和信号处理模块提供不同采样率的信号源码,通过这样的方法可以减少大量现场试验,缩短研发时间、降低成本。     

基于FPGA的自适应阵列协方差矩阵特征分解的实现

卫星导航抗干扰的过程中,对空间信号波达方向估计、干扰个数检测、最优权矢量的求解直接影响着导航接收机的抗干扰性能,而协方差矩阵的特征分解是这些算法实现的核心部分。根据自适应阵列天线获得的协方差矩阵的特性,基于双边并行Jacobi算法,实现了基于FPGA的协方差矩阵特征值和特征向量的求解,并通过在信号波达方向估计的应用进行了验证。另外,在实现的过程中对直接调用CORDIC IP核的方式进行了精度误差分析,并用一种双精度浮点的方式进行修正,提高了矩阵特征分解FPGA的实现精度,为导航抗干扰接收机性能的提升提供了有效的工程基础。     

A method for satellite time series anomaly detection based on fast-DTW and improved-KNN

In satellite anomaly detection, there are some problems such as unbalanced sample distribution, fewer fault samples, and unobvious anomaly characteristics. These problems cause the extisted anomaly detection methods are difficult to train accurate classification model, and the accuracy of anomaly detection is hard to improve. At the same time, the monitoring data of satellite has high dimension and is difficult to extract effective features. Based on the DTW over-sampling method, this paper realizes the over-sampling of fault samples in satellite time series, and constructs a distributed and balanced time series data set. The Fast-DTW method is applied to calculate the distance between different time series, which can improve the speed of similarity calculation. KNN (K-Nearest Neighbor) method is applied for classification and the best classification result is obtained by search the optimal hyper-parameters k. The results show that the proposed method has high anomaly detection accuracy and consumes short calculation time.     

基于实测星载原子钟数据的脉冲星守时方法

利用脉冲星估计星载原子钟钟差是实现卫星自主守时的途径之一。为充分分析基于脉冲星的自主守时系统性能，利用实测的星载原子钟钟差数据和中子星内部组成探测器(neutron star interior composition explorer, NICER)的PSR B1937+21脉冲星的观测数据，对比分析了星载原子钟和脉冲星的误差特性。设计了脉冲星守时系统框架和星载原子钟钟差估计方法。以实测的星载原子钟钟差数据为基础，计算分析了脉冲星守时系统的性能。计算结果表明，若脉冲星的脉冲到达时间（time of arrival, TOA）解算精度为1 μs/30 d，则原子钟钟差估计精度可达到优于1 μs的水平，初步验证了脉冲星守时系统的可行性。     

Real-time fault detection method based on belief rule base for aircraft navigation system

Real-time and accurate fault detection is essential to enhance the aircraft navigation system’s reliability and safety. The existent detection methods based on analytical model draws back at simultaneously detecting gradual and sudden faults. On account of this reason, we propose an online detection solution based on non-analytical model. In this article, the navigation system fault detection model is established based on belief rule base (BRB), where the system measuring residual and its changing rate are used as the inputs of BRB model and the fault detection function as the output. To overcome the drawbacks of current parameter optimization algorithms for BRB and achieve online update, a parameter recursive estimation algorithm is presented for online BRB detection model based on expectation maximization (EM) algorithm. Furthermore, the proposed method is verified by navigation experiment. Experimental results show that the proposed method is able to effectively realize online parameter evaluation in navigation system fault detection model. The output of the detection model can track the fault state very well, and the faults can be diagnosed in real time and accurately. In addition, the detection ability, especially in the probability of false detection, is superior to offline optimization method, and thus the system reliability has great improvement.     

惯性辅助的北斗导航故障自适应方法研究

北斗导航系统完好性是指北斗导航系统不能用于导航服务或导航精度超出给定范围时,具备及时发现故障并通知用户的能力.针对北斗导航完好性检测问题,为改善北斗导航定位系统的精度、连续性、完好性和可用性,研究了基于惯性辅助的北斗导航故障检测方法,设计了北斗导航系统的量测修正与故障检测实现方案,构建了基于新息正交性的自适应滤波北斗/SINS紧组合导航架构,根据滑动窗口内新息动态变化特性修正系统量测噪声方差,在北斗导航信号受到较大干扰、发生异常的情况下,对品质较差的卫星测量信号进行识别,并对检测超出一定阈值的突变卫星信号实现故障隔离,从而提高系统适应能力,增强北斗/SINS紧组合导航系统容错性.构建了北斗/SINS组合导航系统仿真验证模型,结果表明,基于惯性辅助的北斗导航方法能够有效检测出卫星信号故障,提高了系统的适应性和定位精度.     

Multipath mitigation method based on Gaussian mixture model in RF relative measurement

Radio Frequency (RF) technology represents a high-precision relative navigation solution that has significant potential for application to earth-orbiting satellites. In precision applications, multipath errors dominate the total error because observables, which are used to estimate carrier-phase integer ambiguity, are not always subject to a Gaussian distribution when dual-frequency ambiguity estimation methods are used in the presence of multipath. As it has been shown that ranging observables obey a Gaussian mixture distribution, this study proposes improvements to the accuracy of estimation based on multipath mitigation founded on the Gaussian mixture model. To this end, such a model is created for integer ambiguity resolution in the presence of multipath, using which the theoretical error in dual-frequency ambiguity estimation is derived. Expectation Maximization (EM), which aids dual-frequency ambiguity estimation, is subsequently proposed to reduce the effect of multipath errors. Finally, two experimental scenarios are implemented to test the performance of the proposed method. The results show that EM-aided dual-frequency ambiguity estimation reduces the range error to approximately 20% in comparison with simple dual-frequency ambiguity estimation. Therefore the proposed technique is effective for multipath mitigation in RF relative measurement.     

非合作无源探测中的假设检验弱目标检测方法

在非合作无源探测系统中,弱目标回波不仅会受到强直达波、强多径的干扰,还会受到强目标的掩盖干扰,因此很难对其进行有效检测。为了解决这一问题,提出了一种基于多择复合假设检验的弱目标检测方法。首先将接收信号投影到多径干扰的正交补子空间内,以消除强直达波和强多径干扰,然后将目标检测看作一个多择复合假设检验问题,建立了与之相应的基本框架模型,利用最大后验估计方法对目标时延、多普勒频移及信号幅度等参数进行估计,构造检验统计量,设置相应的门限,根据假设检验结果,逐个消除强目标干扰从而达到检测弱目标的目的。仿真结果表明,本方法可以有效抑制强直达波、强多径及强目标干扰,有效检测出弱目标,且虚警率低。