基于GPS/INS組合導(dǎo)航的無人機(jī)欺騙軌跡規(guī)劃

◆何 江 王曉君 康 嬌

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基于GPS/INS組合導(dǎo)航的無人機(jī)欺騙軌跡規(guī)劃

◆何 江1王曉君2康 嬌2

（1.太原學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系 山西 030012；2.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 河北 050000）

為了有效地對無人機(jī)進(jìn)行軌跡欺騙，本文在分析GPS欺騙式干擾原理基礎(chǔ)上，結(jié)合GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，進(jìn)行無人機(jī)欺騙軌跡規(guī)劃。首先，根據(jù)無人機(jī)飛行特點(diǎn)，建立初步機(jī)動(dòng)性約束模型；其次，在此約束條件下規(guī)劃無人機(jī)的欺騙軌跡，提出延長線和切線兩種軌跡規(guī)劃算法；最后根據(jù)所提出算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證與分析。結(jié)果表明：兩種規(guī)劃方法均可拉偏無人機(jī)飛行航跡，但是以切線設(shè)置的規(guī)劃方法比以延長線設(shè)置的規(guī)劃方法拉偏力度更大，最終得到的欺騙效果更好。

無人機(jī)；GPS/INS組合導(dǎo)航；欺騙式干擾；機(jī)動(dòng)性約束；飛行航跡

0 引言

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）即無人駕駛飛機(jī)，其飛行位置、速度、姿態(tài)等均由導(dǎo)航系統(tǒng)控制完成。無人機(jī)雖能為用戶提高效率和節(jié)省成本，但針對其黑飛引發(fā)的種種安全事故，以干擾手段對無人機(jī)進(jìn)行管制具有重要的研究意義。其中，欺騙式干擾使得無人機(jī)的接收機(jī)成功鎖定到類似于原始衛(wèi)星信號的虛假信號上，進(jìn)而定位到錯(cuò)誤位置[1][2]。

本文首先在研究轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾原理基礎(chǔ)上，根據(jù)無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)自身特點(diǎn)，對其欺騙過程進(jìn)行研究，并建立機(jī)動(dòng)性約束模型；其次在約束條件下對無人機(jī)欺騙軌跡進(jìn)行規(guī)劃，并提出兩種規(guī)劃方法，給出詳細(xì)推導(dǎo)過程；最后對所提出規(guī)劃方法進(jìn)行仿真分析與驗(yàn)證。

1 欺騙式干擾

1.1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾原理介紹

以偽距定位原理進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾即衛(wèi)星信號其他信息未變，增加傳播時(shí)延，使得接收機(jī)觀測到的偽距發(fā)生偏差，以此實(shí)現(xiàn)干擾[3]。干擾機(jī)接收原始衛(wèi)星信號，根據(jù)欺騙位置得到所需延時(shí)。將原始衛(wèi)星信號經(jīng)延時(shí)、功率放大后生成欺騙信號，由干擾機(jī)發(fā)射，使得一定區(qū)域內(nèi)接收機(jī)接收到欺騙信號，進(jìn)而測得錯(cuò)誤偽距，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤定位，達(dá)到欺騙目的[4]。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾原理如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾原理示意圖

此外，在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中不可能產(chǎn)生負(fù)延時(shí)，因此需要進(jìn)行延時(shí)修正：

1.2 GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的欺騙

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙式干擾使接收機(jī)的定位受到欺騙，這是UAV軌跡欺騙的第一步[5]。干擾設(shè)備通過一定手段（如雷達(dá)）得到無人機(jī)軌跡/位置信息，再根據(jù)狀態(tài)估計(jì)，控制并調(diào)整欺騙軌跡/位置，使得UAV的GPS系統(tǒng)定位到錯(cuò)誤位置；而UAV慣導(dǎo)系統(tǒng)通過提供的錯(cuò)誤定位信息調(diào)整自身軌跡，進(jìn)而達(dá)到軌跡欺騙目的[6]。

整個(gè)欺騙中，最核心技術(shù)即為欺騙軌跡的規(guī)劃問題。本文研究中將UAV慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的要求作為航跡規(guī)劃中所需要滿足的約束條件[7]、[8]，建立初步的機(jī)動(dòng)性約束模型：即假定無人機(jī)以固定速度朝固定位置飛行，那么無論無人機(jī)定位到何處，都將以此速度向目標(biāo)點(diǎn)調(diào)整飛行。本文提出以下欺騙軌跡規(guī)劃方案。

2 欺騙軌跡規(guī)劃

圖2 延長線規(guī)劃方法示意圖

2.1 延長線

如圖2所示，無人機(jī)實(shí)際所在位置為0，下一時(shí)刻到達(dá)位置為半徑=的圓上。干擾源處于A處，將無人機(jī)欺騙軌跡規(guī)劃為A P0的延長線上，且由于速度約束，不同欺騙點(diǎn)間距離為，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（5）以此欺騙過程進(jìn)行循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)欺騙軌跡的設(shè)定。

2.2 切線

圖3 切線規(guī)劃方法示意圖

如圖3所示，無人機(jī)欺騙軌跡規(guī)劃為：第一欺騙位置為B到以無人機(jī)初始實(shí)際位置為圓心的圓做切線交點(diǎn)處，其他欺騙位置為B到以上一個(gè)欺騙位置為圓心的圓做切線交點(diǎn)處，且由于速度約束，不同欺騙點(diǎn)間距離為R，具體操作過程如下：

（5）最后以此過程循環(huán)，最終完成欺騙軌跡的規(guī)劃。

3 仿真分析

根據(jù)上一節(jié)所提出方法，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。按規(guī)劃中所提出的約束條件進(jìn)行初始設(shè)置，代碼實(shí)現(xiàn)過程中所涉及公式，最終得到如圖4所示仿真結(jié)果。

仿真實(shí)驗(yàn)中，干擾源位置為圖中星號所示，目標(biāo)點(diǎn)位置如圖中三角形所示，無人機(jī)位置為圖中圓圈所示。而各六角形組成的曲線為所規(guī)劃的欺騙軌跡，各正方形星組成的曲線為無人機(jī)實(shí)際飛行軌跡。因?yàn)檎麄€(gè)過程是循環(huán)進(jìn)行，所以在仿真中所設(shè)循環(huán)結(jié)束條件為：實(shí)時(shí)求得無人機(jī)實(shí)際飛行位置與干擾源之間距離，當(dāng)無人機(jī)實(shí)際離干擾源距離由逐漸靠近再遠(yuǎn)離時(shí)停止欺騙。

圖4 欺騙軌跡規(guī)劃仿真圖

將圖中a)和b)進(jìn)行對比，可以看到，兩種方法均可對無人機(jī)進(jìn)行一定角度的拉偏，但是以切線設(shè)置的規(guī)劃方法比以延長線設(shè)置的規(guī)劃方法拉偏力度更大，最終得到的欺騙效果更好。

4 結(jié)束語

本文以無人機(jī)GPS/INS組合導(dǎo)航為被干擾對象，在研究欺騙式干擾原理基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾；根據(jù)自身特性，提出兩種欺騙軌跡規(guī)劃方法，并以Matlab仿真進(jìn)行驗(yàn)證。模擬仿真過程以理論為依據(jù)進(jìn)行，而模擬仿真結(jié)果在一定程度上驗(yàn)證了理論正確性，并為干擾的工程實(shí)現(xiàn)提供指導(dǎo)。

[1]JEONG, SEONGKYUM, and S S CHEN. GNSS interference signal generation scenario for GNSS interference verification platform[J]. International Conference on Control, Automation and Systems, 2015.13-16.

[2]S. JEONG, T Kim, and J KIM, Spoofing detection test of GPS signal interference mitigation equipment [C]// ICTI 2014: 2014 International Conference on ICT Convergence, pp. 2014:651-625.

[3]黃龍, 呂志成, 王飛雪.針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的欺騙干擾研究[J].宇航學(xué)報(bào), 2012, 33(07): 884-890.

[4]李暢.無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中的GPS欺騙干擾技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué), 2017.

[5]李暢, 王旭東.基于軌跡欺騙的無人機(jī)GPS/INS復(fù)合導(dǎo)航系統(tǒng)干擾技術(shù)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 49(03): 420-427.

[6]徐飛雄.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)矢量跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2017.

[7]袁超.應(yīng)用于GPS軟件接收機(jī)的抗干擾技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué), 2014.

[8]王海洋, 姚志成, 范志良, 等.對GPS接收機(jī)的欺騙式干擾試驗(yàn)研究[J].火力與指揮控制, 2016, 41(07): 184-187