一種欺騙環境中的CoSS-DS衛星優選方法*

張衡，紀元法

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

導航、制導與控制

一種欺騙環境中的CoSS-DS衛星優選方法*

張衡，紀元法

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

衛星優選技術可以減少電離層、對流層和幾何分布對接收機定位的影響。針對當前的衛星優選技術在欺騙復雜環境下難以選擇可靠衛星的問題，從衛星信號欺騙檢測可信度的角度出發，對傳統的選星算法進行了改進，提出一種在欺騙環境中的欺騙信號識別與多衛星信號優選方法。通過理論與仿真分析表明，該方法可以有效的在欺騙復雜條件下優選出可信的衛星。對復雜信號環境下的衛星優選定位研究具有重要意義。

反欺騙； 可信度； 復雜環境；選星； 衛星導航；衛星定位

0 引言

當前，全球衛星導航系統在服務于廣大人民的位置服務需求的同時也暴露出其自身的缺點，即很容易受到多種形式的有意或無意的欺騙干擾，導致接收機導航定位性能下降，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星中檢測并排除嚴重影響接收機定位精度的欺騙衛星信號，是減少復雜信號環境中定位誤差的一種有效途徑，也是GNSS接收機的一個重要研究方向[1-6]。

目前針對GNSS的傳統選星技術主要從2方面進行考慮[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星組合是此處的關鍵所在；②衛星仰角問題，在傳播過程中過低的仰角信號受到地面、電離層和對流層延遲的影響較重，多徑現象比較復雜，且偽距精度受到影響，如何選取合適仰角的衛星同樣關鍵。

當接收機處于欺騙環境時，通常容易受到欺騙信號干擾，錯誤的跟蹤上欺騙衛星。根據上面傳統的選星機制通常很難選出最優星。針對上述問題，本文提出了一種基于可信度的(credibility of satellite safety-detection and selectivity,CoSS-DS)衛星信號檢測與優選技術。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衛星，保障接收機定位的可靠性和定位精度。

1 接收機選星原理

1.1 傳統的選星原理

傳統的GNSS衛星優選算法根據接收機能觀測到的所有導航星，按照4個一組的組合計算GDOP值，選出具有最小的GDOP值的4星組合。

(1)

1.2 CoSS-DS衛星優選過程

第1步:初始化。通過經驗值設定初始的欺騙檢測可信度值Bt0，初始可信度分配權重值Ht0。設定各顆星在各種欺騙檢測方式下的初始概率均為Pt0。

第2步:概率估計。利用服從萊斯分布概率密度函數對選擇的欺騙檢測方式下的信號可信度進行概率估計，并由此得出整體的概率統計矩陣。萊斯分布概率密度函數為

(2)

可得對應衛星對應欺騙檢測方式的概率估計為

(3)

式中：a為常數；I0為第一類零階貝塞爾函數；δn為標準差；Vj為檢測門限值。

則可得tk時刻的概率矩陣為

(4)

第3步：根據式(4)中的概率值查詢可信度分布表A，確定tk時刻針對各顆衛星每種檢測方式的可信度值為

(5)

第4步：根據式(5)選出不含欺騙的可靠衛星，進行下面的處理，其余的衛星送入欺騙檢測通道進行進一步的檢測與欺騙消除操作，直至欺騙信號消除，滿足下述要求。

(6)

式中：i=1,2,…，Nsat；n為欺騙檢測方式個數；Vres為衛星信號可用門限值；Sat為各顆衛星綜合可信度值。

第5步：可見性選星。首先不滿足上述條件的，衛星的權重系數值設為0，然后根據當前時刻衛星與接收機的位置計算仰角，估計當前各顆衛星的可用性權重值。

假設在站心坐標系中，衛星的坐標為(ES,NS,US)，接收機的坐標為(ER,NR,UR)，可得衛星的仰角、方位角為

(7)

式中：

ΔU=(US-UR)2；ΔE=(ES-ER)2；ΔN=(NS-NR)2.

當el<αTH(αTH為仰角閾值，通常為15°)時，認為衛星不可用，設定衛星權重系數值為0，當大于仰角閾值時，對可信衛星按方位角進行分組。

(8)

第6步：選定仰角最高的星作為基準星，根據式(8)按照4選3原則從任意3個象限取3顆星進行DOP值分析，選出幾何分布最優的4顆衛星。

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

如果DOP4+i-DOP4+i+1<0，則認為該顆星影響定位精度，權重值為0，反之對滿足條件的衛星按DOP值進行排序，找出最優的一組衛星。重復步驟7，篩選出所有可用的衛星，權重置步驟1。

第8步：返回第2步，進行下一時刻的估計。

2 仿真分析

本文選擇第466周8時18分的9，11，15，18，22，28，6顆GPS衛星信號進行3 000 s的數據仿真。其中前4顆衛星模擬沒有欺騙的正常信號； 第5顆衛星模擬多種欺騙特點對衛星優選的影響。500～1 000 s 22號衛星欺騙信號的載噪比為55 dB，1 000～1 500 s信號載噪比恢復正常，1 500～2 500 s碼片延遲變化為0.33，2 500 s后信號恢復正常；28號星模擬瞬間信號異常時對衛星優選的影響， 分別

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

欺騙檢測方式利用參考文獻[1-6]中提到的雙天線載波相位差檢測B1、基于噪底估計B2和載噪比功率檢測B3、殘留信號檢測(基于相關域的檢測B4和改進的基于多相關器組的斜率檢測)B5和循環相關捕獲檢測B66種欺騙檢測方式，括號中為對應的可靠值參量，初始值設為0。衛星的可信度初始權重為Ht0=06×6；初始概率Pt0=06×6，Vres為4.9。根據前期反欺騙技術合作項目測試經驗可得6種欺騙方式依概率權值分布表如表1所示。

衛星5針對轉發式欺騙干擾中2個典型的信號特點進行了仿真，接收機的欺騙檢測結果如圖1所示。當欺騙信號出現時，接收機計算得到的可信度值明顯減少，隨著時間的增長，欺騙檢測通道對欺騙信號進行消除操作，衛星5的可信度值逐漸增加。其中，在500～1 000 s的欺騙信號段可信度最終恢復到5.5左右；在1 500～2 500 s時間段內，欺騙信號消除比較慢，但最終恢復到正常信號水平。

衛星6主要模擬短暫的干擾信號對該檢測算法的影響，由圖2中2種欺騙方式產生點可得，干擾信號僅在干擾時刻對該算法有短暫干擾，不會產生長期的影響。

根據上面欺騙檢測的可信度值，由式(7)可得每個時間點可用于仰角、DOP值選星的衛星號。如圖2所示，衛星5和衛星6在欺騙信號存在中的一段時間內不具備被選擇的條件，隨著時間的增長，欺騙信號逐漸被消除，2顆信號逐漸恢復被選擇的條件。

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

圖1 6顆衛星的欺騙檢測的可信度值Fig.1 Credibility values of deception detection of six satellites

圖2 每個時間點可選衛星Fig.2 Optional satellite at each time point

在下面圖3中列出了接收機在不存在欺騙信號的環境中且可用衛星數分別為4，5，6時的HDOP值分布，同時給出了在存在欺騙信號時，用此方式選星后的HDOP值分布。由圖可知欺騙信號會直接影響接收機選星，進而影響HDOP值。本文提出的選星方法可以有效檢測出欺騙信號并消除，使接收機選星盡快達到最優方式。

圖3 HDOP值分布Fig.3 HDOP value distribution

最后，針對此選星方式與傳統的選星方式在欺騙環境中對定位誤差的影響進行了分析，可得如圖4所示。當存在欺騙信號時，傳統的衛星優選會很容易受到欺騙信號干擾，導致定位結果偏離真實位置；而本文提出的CoSS-DS選星方式，由于接收機很難從可見星中選出最優HDOP值分布，因此只會在欺騙信號未消除時，對接收機的定位結果有一定影響。當欺騙信號消除后，接收機的定位誤差基本與正常定位時相同。

圖4 定位誤差Fig.4 Positioning error

3 結束語

通過上面的仿真分析驗證表明，本文提出的基于可信度的CoSS-DS欺騙環境衛星優選技術基本滿足快速識別消除欺騙信號，保證參與定位衛星的真實性和分布最優的要求。該方法為導航對抗技術研究的其他學者提供了一種可靠保障的思路。在未來復雜電磁環境下將會對接收機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，主要研究方向為衛星導航。

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 廣西桂林市七星區金雞路1號桂林電子科技大學

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