一种欺骗环境中的CoSS-DS卫星优选方法*

张衡，纪元法

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

导航、制导与控制

一种欺骗环境中的CoSS-DS卫星优选方法*

张衡，纪元法

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

卫星优选技术可以减少电离层、对流层和几何分布对接收机定位的影响。针对当前的卫星优选技术在欺骗复杂环境下难以选择可靠卫星的问题，从卫星信号欺骗检测可信度的角度出发，对传统的选星算法进行了改进，提出一种在欺骗环境中的欺骗信号识别与多卫星信号优选方法。通过理论与仿真分析表明，该方法可以有效的在欺骗复杂条件下优选出可信的卫星。对复杂信号环境下的卫星优选定位研究具有重要意义。

反欺骗； 可信度； 复杂环境；选星； 卫星导航；卫星定位

0 引言

当前，全球卫星导航系统在服务于广大人民的位置服务需求的同时也暴露出其自身的缺点，即很容易受到多种形式的有意或无意的欺骗干扰，导致接收机导航定位性能下降，甚至无法正常工作。通过有效的星座选择算法,从多颗可用于解算的卫星中检测并排除严重影响接收机定位精度的欺骗卫星信号，是减少复杂信号环境中定位误差的一种有效途径，也是GNSS接收机的一个重要研究方向[1-6]。

目前针对GNSS的传统选星技术主要从2方面进行考虑[7-16]:①GDOP是影响GNSS定位精度的主要因素之一，如何通过选星找出几何精度因子最小的卫星组合是此处的关键所在；②卫星仰角问题，在传播过程中过低的仰角信号受到地面、电离层和对流层延迟的影响较重，多径现象比较复杂，且伪距精度受到影响，如何选取合适仰角的卫星同样关键。

当接收机处于欺骗环境时，通常容易受到欺骗信号干扰，错误的跟踪上欺骗卫星。根据上面传统的选星机制通常很难选出最优星。针对上述问题，本文提出了一种基于可信度的(credibility of satellite safety-detection and selectivity,CoSS-DS)卫星信号检测与优选技术。通过基于Matlab的GNSS欺骗与反欺骗模拟软件仿真得出，该方法可以有效筛选出可信的最优卫星，保障接收机定位的可靠性和定位精度。

1 接收机选星原理

1.1 传统的选星原理

传统的GNSS卫星优选算法根据接收机能观测到的所有导航星，按照4个一组的组合计算GDOP值，选出具有最小的GDOP值的4星组合。

(1)

1.2 CoSS-DS卫星优选过程

第1步:初始化。通过经验值设定初始的欺骗检测可信度值Bt0，初始可信度分配权重值Ht0。设定各颗星在各种欺骗检测方式下的初始概率均为Pt0。

第2步:概率估计。利用服从莱斯分布概率密度函数对选择的欺骗检测方式下的信号可信度进行概率估计，并由此得出整体的概率统计矩阵。莱斯分布概率密度函数为

(2)

可得对应卫星对应欺骗检测方式的概率估计为

(3)

式中：a为常数；I0为第一类零阶贝塞尔函数；δn为标准差；Vj为检测门限值。

则可得tk时刻的概率矩阵为

(4)

第3步：根据式(4)中的概率值查询可信度分布表A，确定tk时刻针对各颗卫星每种检测方式的可信度值为

(5)

第4步：根据式(5)选出不含欺骗的可靠卫星，进行下面的处理，其余的卫星送入欺骗检测通道进行进一步的检测与欺骗消除操作，直至欺骗信号消除，满足下述要求。

(6)

式中：i=1,2,…，Nsat；n为欺骗检测方式个数；Vres为卫星信号可用门限值；Sat为各颗卫星综合可信度值。

第5步：可见性选星。首先不满足上述条件的，卫星的权重系数值设为0，然后根据当前时刻卫星与接收机的位置计算仰角，估计当前各颗卫星的可用性权重值。

假设在站心坐标系中，卫星的坐标为(ES,NS,US)，接收机的坐标为(ER,NR,UR)，可得卫星的仰角、方位角为

(7)

式中：

ΔU=(US-UR)2；ΔE=(ES-ER)2；ΔN=(NS-NR)2.

当el<αTH(αTH为仰角阈值，通常为15°)时，认为卫星不可用，设定卫星权重系数值为0，当大于仰角阈值时，对可信卫星按方位角进行分组。

(8)

第6步：选定仰角最高的星作为基准星，根据式(8)按照4选3原则从任意3个象限取3颗星进行DOP值分析，选出几何分布最优的4颗卫星。

第7步：从余下的Nsat-4-i-j颗卫星中依次挑出1颗卫星与已选出的4+i颗卫星组合进行DOP值分析。式中i=0,1,…,Nsat-5，j为已检测到的不可用卫星数。

如果DOP4+i-DOP4+i+1<0，则认为该颗星影响定位精度，权重值为0，反之对满足条件的卫星按DOP值进行排序，找出最优的一组卫星。重复步骤7，筛选出所有可用的卫星，权重置步骤1。

第8步：返回第2步，进行下一时刻的估计。

2 仿真分析

本文选择第466周8时18分的9，11，15，18，22，28，6颗GPS卫星信号进行3 000 s的数据仿真。其中前4颗卫星模拟没有欺骗的正常信号； 第5颗卫星模拟多种欺骗特点对卫星优选的影响。500～1 000 s 22号卫星欺骗信号的载噪比为55 dB，1 000～1 500 s信号载噪比恢复正常，1 500～2 500 s码片延迟变化为0.33，2 500 s后信号恢复正常；28号星模拟瞬间信号异常时对卫星优选的影响， 分别

在500 s，1 500 s的位置设置功率突变(CN0=55 dB)、码片延迟抖动(0.5码片)。

欺骗检测方式利用参考文献[1-6]中提到的双天线载波相位差检测B1、基于噪底估计B2和载噪比功率检测B3、残留信号检测(基于相关域的检测B4和改进的基于多相关器组的斜率检测)B5和循环相关捕获检测B66种欺骗检测方式，括号中为对应的可靠值参量，初始值设为0。卫星的可信度初始权重为Ht0=06×6；初始概率Pt0=06×6，Vres为4.9。根据前期反欺骗技术合作项目测试经验可得6种欺骗方式依概率权值分布表如表1所示。

卫星5针对转发式欺骗干扰中2个典型的信号特点进行了仿真，接收机的欺骗检测结果如图1所示。当欺骗信号出现时，接收机计算得到的可信度值明显减少，随着时间的增长，欺骗检测通道对欺骗信号进行消除操作，卫星5的可信度值逐渐增加。其中，在500～1 000 s的欺骗信号段可信度最终恢复到5.5左右；在1 500～2 500 s时间段内，欺骗信号消除比较慢，但最终恢复到正常信号水平。

卫星6主要模拟短暂的干扰信号对该检测算法的影响，由图2中2种欺骗方式产生点可得，干扰信号仅在干扰时刻对该算法有短暂干扰，不会产生长期的影响。

根据上面欺骗检测的可信度值，由式(7)可得每个时间点可用于仰角、DOP值选星的卫星号。如图2所示，卫星5和卫星6在欺骗信号存在中的一段时间内不具备被选择的条件，随着时间的增长，欺骗信号逐渐被消除，2颗信号逐渐恢复被选择的条件。

表1 6种欺骗方式依概率权值分布Table 1 Six kinds of deception probability weight distribution table %

图1 6颗卫星的欺骗检测的可信度值Fig.1 Credibility values of deception detection of six satellites

图2 每个时间点可选卫星Fig.2 Optional satellite at each time point

在下面图3中列出了接收机在不存在欺骗信号的环境中且可用卫星数分别为4，5，6时的HDOP值分布，同时给出了在存在欺骗信号时，用此方式选星后的HDOP值分布。由图可知欺骗信号会直接影响接收机选星，进而影响HDOP值。本文提出的选星方法可以有效检测出欺骗信号并消除，使接收机选星尽快达到最优方式。

图3 HDOP值分布Fig.3 HDOP value distribution

最后，针对此选星方式与传统的选星方式在欺骗环境中对定位误差的影响进行了分析，可得如图4所示。当存在欺骗信号时，传统的卫星优选会很容易受到欺骗信号干扰，导致定位结果偏离真实位置；而本文提出的CoSS-DS选星方式，由于接收机很难从可见星中选出最优HDOP值分布，因此只会在欺骗信号未消除时，对接收机的定位结果有一定影响。当欺骗信号消除后，接收机的定位误差基本与正常定位时相同。

图4 定位误差Fig.4 Positioning error

3 结束语

通过上面的仿真分析验证表明，本文提出的基于可信度的CoSS-DS欺骗环境卫星优选技术基本满足快速识别消除欺骗信号，保证参与定位卫星的真实性和分布最优的要求。该方法为导航对抗技术研究的其他学者提供了一种可靠保障的思路。在未来复杂电磁环境下将会对接收机的抗欺骗干扰能力具有重要意义。

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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

张衡(1988-)，男，河北衡水人。硕士生，主要研究方向为卫星导航。

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 广西桂林市七星区金鸡路1号桂林电子科技大学

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