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专利号: 2020115855154
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于主特征盲源分离的单天线GNSS欺骗式干扰检测方法,其特征在于将设置的欺骗干扰类型存在情况为如下四种:无欺骗式干扰、仅存在生成式欺骗干扰、仅存在转发式欺骗干扰、同时存在生成式欺骗干扰和转发式欺骗干扰,其检测实现步骤具体如下:步骤1:将接收到的混合信号IQ两路分别建立观测矩阵,并对观测矩阵求解协方差矩阵,再对协方差矩阵进行特征值分解,并对特征值进行重构;

步骤2:对重构后的特征值进行计算得到特征值占比重,并设置门限完成欺骗干扰情况的初步筛选;

步骤3:对初步筛选后的第三类欺骗干扰情况下的混合信号进行提取主特征的Fast_ICA盲源分离算法,得到估计数据信息和扩频码信息;

步骤4:对估计数据信息进行解调,并统计锁相环跟踪段频率跟踪曲线方差值P和跟踪频率值均值E;并对跟踪解调得到的基带数据进行相关分析;

步骤1具体实现如下:

1‑1.对于单天线多通道卫星接收机,每个通道只能接收和连续跟踪一个卫星导航信号,卫星导航信号系统采用的调制方式是BPSK调制,则接收到的单个卫星信号的数学模型表示为:其中 为真实卫星信号的功率;Da为真实卫星导航数据信息;C表示真实卫星信号的C/A码;τa为接收到的真实卫星信号的时延;f0为信号的载波频率,fa、 分别为真实卫星信号的多普勒频率及载波初始相位;

根据转发式欺骗干扰产生的原理可知转发式欺骗干扰相对于真实卫星信号,主要增大了信号功率和传输时延,并没有改变信号信息,因此对转发式欺骗干扰进行数学建模表示为:其中 为转发式欺骗干扰信号的功率;Da为真实卫星导航数据信息,卫星导航数据信息与真实卫星信号保持一致;C表示真实卫星信号的C/A码;τz为接收到的转发式欺骗干扰信号的时延;f0为信号的载波频率,fz、 分别为欺骗信号的多普勒频率以及载波初始相位;

而转发式欺骗干扰是借助已知民用码信息,伪造卫星导航数据信息,由此对生成式欺骗干扰进行数学建模表示为其中 为生成式欺骗干扰信号的功率;Ds是伪造的卫星导航数据信息;C表示真实卫星信号的C/A码;τs为接收到的生成式欺骗干扰信号的时延;f0为信号的载波频率,fs、 分别为生成式欺骗信号多普勒频率以及载波初始相位;

1‑2.提出对IQ两路信号分别进行盲源分离处理,且在提取特征值时基于提取特征值占总特征值的80%以上的提取准则来实现主特征值的提取,具体如下:根据欺骗干扰的存在情况,可在接收时得到不同的混合信号,对混合信号的IQ两路分别建立观测矩阵,并求得协方差矩阵,对协方差矩阵进行特征值分解得到特征值;根据主特征盲源分离模型,对有延迟有频偏信号的实部或虚部混合信号进行大量仿真分析,统计得到一个源信号的3个主特征值;因此,对于有延迟有频偏的混合信号的特征值选取个数为

3K,其中K为源信号个数;欺骗式干扰的存在将对信号的特征值有明显影响,因此根据特征值的分布来对干扰信号类型进行区分;

欺骗式干扰类型 干信比 估计特征值个数

无干扰 3~5dB 3

生成式欺骗干扰 3~5dB 6

转发式欺骗干扰 3~5dB 6

生成、转发欺骗干扰同时存在 3~5dB、3~5dB 9

由特征值个数将欺骗干扰情况分为三类,第一类为不存在欺骗干扰,第二类为两种欺骗干扰类型同时存在,第三类为仅存在一种欺骗干扰类型;

1‑3.对所有特征值进行重构处理:特征值分解后,特征值已完成从大到小的排序,特征值大的区间为信号空间,特征值小的区间为噪声区间;从噪声区间选取10个特征值进行统计计算得到噪声基底的估计值;综合考虑后选取第20个至第29个特征值,并对其求和及均值,得到噪声基底的估计值 即借助噪声基底的估计值 对特征值进行重构,将每一个特征值减去噪声基底估计值,近似得到无噪环境下特征值分布为步骤2具体实现如下:

2‑1.根据特征值的分布来对干扰信号类型进行区分;利用重构后的特征值进行特征值占比重计算,从而估计信号数目,实现干扰信号情况的区分;特征值占比重ηk的计算模型表示为

2‑2.在信号区域内,ηk变化快,即增量大;噪声区域时,ηk变化缓慢,即增量小;在两区域的过渡段,特征值比重值ηk的增量落差也大;由欺骗干扰信号的存在影响特征值分布的特性,对η3和η6进行计算,然后与预设的阈值进行比较,完成欺骗干扰情况的初步筛选:若占比重特征值η3大于预设的阈值,则说明不存在欺骗干扰,为第一类欺骗干扰情况;若占比重特征值η6小于预设的阈值,则说明欺骗干扰存在情况为第二类情况,反之,欺骗干扰存在情况为第三类。

2.根据权利要求1所述的基于主特征盲源分离的单天线GNSS欺骗式干扰检测方法,其特征在于步骤3具体实现如下:

3‑1.根据初步筛选情况确定第一类和第二类欺骗干扰情况,对于第三类欺骗干扰需要借助主特征盲源分离算法进行识别检测;在特征值分解后,根据主特征提取规则,确定估计分量个数,完成数据降维、白化处理,得到新的观测信号矩阵Z,进入Fast‑ICA算法的迭代计算过程中;

3‑2.确定估计分量个数后,设置迭代次数,并选择初始权矢量Wp,令

T T

Wp=E[Zg(WpZ)]‑E[g'(WpZ)]Wp    (7)

其中p为估计分量个数,用到的非线性函数g(x)为g(x)=x^3函数,将得到的Wp正交化、归一处理得到Wp=Wp/||Wp||    (9)

若Wp不收敛,代入公式(7)一直迭代计算直至收敛;得到解混矩阵W,从而分离估计到源信号。

3.根据权利要求2所述的基于主特征盲源分离的单天线GNSS欺骗式干扰检测方法,其特征在于步骤4具体实现如下:

4‑1.将分离得到IQ两路信号进行组合,得到复信号;在组合过程中将出现正确组合复信号和非正确组合复信号以及噪声分量大的信号,将所有组合复信号经过锁相环解调完成估计数据信号的解调处理;

对于正确组合复信号,在解调时,锁相环能够稳定正确跟踪信号,频率跟踪曲线将变得平滑;对于非正确组合复信号,由于IQ两路数据信息和载波频率大小的不一致,锁相环将无法稳定跟踪信号,频率跟踪曲线将会是波动大的曲线;而对于噪声分量大的信号,无法识别信号中的载波信息,因此频率跟踪曲线将会在0附近抖动;

4‑2解调处理完成后,可得到解调数据和频率跟踪曲线;频率跟踪曲线的收敛说明组合复信号为正确数据信号或噪声分量大的信号;因此对跟踪曲线的抖动进行分析,即对频率跟踪曲线跟踪段进行方差计算;信号数据长度为1998,选取频率跟踪曲线的后半段,即1400~1998数据片段,对其统计计算得到方差值P分别为其中,fPLL表示频率跟踪曲线值、 表示频率跟踪曲线均值;对频率跟踪曲线的计算得到曲线的抖动方差,并设置阈值,排除抖动大的不稳定曲线;

4‑3.频率跟踪曲线的均值反映信号对应估计数据信号的载波频率大小;信号数据长度为1998,选取频率跟踪曲线的后半段,即1400~1998数据片段,对其统计计算得到均值E为:对于方差小的跟踪曲线,再从频率跟踪曲线的频率值大小来考虑,对跟踪曲线的均值设置阈值,将0附近的跟踪情况排除,保留正确组合复信号;

4‑4解调得到的真实导航基带数据和欺骗干扰导航数据分别为 两者相

关分析计算得到的相关值公式如下,

若不同频率对应的基带解调数据存在相关性,即pcorr大于设定阈值,则说明欺骗干扰为转发式欺骗干扰;若不存在相关性,即pcorr小于等于设定阈值,则说明存在的欺骗干扰为生成式欺骗干扰;设定阈值取值为1000,通过大量仿真实验获得。