基于信号估计与辨识的GNSS反欺骗算法理论与关键技术研究

Beidou or other GNSS (Global Navigation Satellite System) receiver is prone to spoofing, which is effective to provide counterfeited position estimation to the GNSS users even with a small power. Therefore, GNSS anti-spoofing techniques are important to improve the reliability and safety of Beidou applications, protect the safety of national economy and strengthen the military security. However, as a type of GNSS-like signal, spoofing signal is ineffectively filtered using the traditional tracking loop of the receiver. To obtain an effective anti-spoofing algorithm for tracking loop, we bring in the idea of “signal estimation-identification” and simplify the design of anti-spoofing algorithm into “spoofing signal estimation” and “spoofing signal identification”. In the study, MEDLL is extended theoretically and applicationally to GNSS spoofing signal estimation. INS and multiple correlation are used to identify the spoofing signal. Additionally, the structure of the new tracking loop, data fusion algorithm of INS and feedback estimation are investigated. Through new idea and new algorithm, the project leads to the theory and application of anti-spoofing algorithm for tracking loop and hence valuable experience to improve the Beidou anti-spoofing techniques.

GNSS欺骗式干扰可在发射功率较低的情况下诱骗卫星导航系统接收机，对我国北斗导航系统以及其他卫星导航系统的应用具有巨大的威胁。因此反欺骗技术的研究对提高我国北斗导航系统的可靠性与安全性，保障国民经济与加强军事安全就尤为重要。但欺骗信号与真实信号的高度相似性使传统接收机跟踪环路难以抑制其影响。项目引入“信号估计—辨识”的思想，将反欺骗问题分解为解决欺骗信号的“估计”与“辨识”两个关键问题；并围绕这两个问题，探索MEDLL算法在欺骗信号估计中理论和应用的扩展，深入研究和分析INS辅助信息的多相关器技术欺骗信号辨识方法，并对跟踪环路的结构、INS辅助信息的融合方式和反馈控制量的产生进行了探讨。项目通过引入新思想，建立新方法，形成针对跟踪环路的反欺骗算法理论和方法，为我国北斗系统的反欺骗技术提供有价值的参考。

欺骗式干扰严重威胁卫星导航系统应用的安全性，为提高卫星导航接收机抗欺骗能力，本项目引入“信号估计与辨识”思想，重点研究在欺骗干扰下，真实信号并未完全压制或抵消的情况下，如何提取出真实信号，获得受欺骗接收机的真实位置，从而达到抗欺骗目的。.项目开展三方面研究：.1）针对所研究的欺骗环境，提出不完全欺骗情景，涉及欺骗信号功率覆盖不完全与欺骗信号卫星星座覆盖不完全，针对第一类不完全欺骗，分析并获得欺骗干扰引起的伪距偏差（相对延时）模型，针对第二类不完全欺骗，获得欺骗干扰下定位偏差模型。同时，设计并实现了多策略欺骗仿真平台。.2）研究真实与欺骗信号参数估计算法：研究MEDLL在欺骗干扰下的性能，采用不等间隔采样方法改善算法效率，在采用40路相关器的情况下，所提方法将相对伪距估计精度提高约20米；提出神经网络辅助的MEDLL算法，实现对相对伪距>15m的欺骗信号的估计；为进一步降低参数估计的运算量，提出基于EKF的参数估计算法，实现利用9路相关器，达到码延时估计误差<0.1chip。.3）研究真实与欺骗信号辨识算法：提出了惯性信息辅助的欺骗辨识与抑制算法，对牵引速率大于4m/s的LOA式欺骗攻击具有良好的辨识效果，并能使接收机定位结果重新指向真实位置点；改进基于RAIM的欺骗信号辨识算法，实现对估计的两组伪距进行辨识，并能在受欺骗卫星星数多于真实卫星星数的情况下，获得真实伪距；提出基于低维双观测模型EKF的抗欺骗算法，利用辨识出的真实伪距，确定真实信号，实现在欺骗干扰下重新跟踪真实信号的目的，从而从跟踪环节实现抗欺骗，获得接收机真实位置结果。. 整体上，项目论证了“参数估计与辨识”思想在反欺骗技术上的有效性，形成相应的反欺骗方法。项目期间完成综合抗欺骗GNSS接收机平台、基于多级辨识器的GNSS干扰信号辨识分类仿真平台与基于软件无线电欺骗平台多策略欺骗模拟软件。发表期刊与会议论文11篇，申请发明专利9件（2件授权），获软件著作权1件，培养硕士研究生6人。