基于紧组合残差滑动方差的GNSS欺骗干扰检测与实验_丁继成 (1).pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 9 期 2023 年 9 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.9 Sep.2023 收稿日期:2023-05-02 基金项目:黑龙江省高等教育教学改革研究项目（SJGY20220108）；教育部产学合作协同育人项目（202102490047）；黑龙江省教育科学“十四五”规划重点课题（GJB1422101）作者简介:丁继成（1980），男，湖北钟祥，博士，副教授，主要从事卫星导航、组合导航研究与教学工作，。引文格式:丁继成，任尚垠，赵琳，等.基于紧组合残差滑动方差的 GNSS 欺骗干扰检测与实验J.实验技术与管理,2023,40(9):48-54.Cite this article:DING J C,REN S Y,ZHAO L,et al.GNSS spoofing detectionand test using RSV of tightly coupled navigation systemJ.Experimental Technology and Management,2023,40(9):48-54.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.09.008 基于紧组合残差滑动方差的 GNSS 欺骗干扰检测与实验 丁继成1，任尚垠2，赵 琳1，程建华1，高洪涛1（1.哈尔滨工程大学 智能科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.沈阳飞机设计研究所 飞行控制部，辽宁 沈阳 110031）摘 要：针对传统的 INS/GNSS 紧组合伪距残差（pseudorange residual,PR）对时延具有变化特征的欺骗干扰检测效果不佳问题，该文利用欺骗干扰时延特征构造了残差滑动方差（residual sliding variance,RSV），提出一种基于紧组合 RSV 的欺骗检测方法，并设计了相应的检测流程。利用卫星信号模拟器构建典型欺骗干扰场景的测试表明，在典型的两组欺骗干扰场景下，所提方案的检测响应时间分别只有传统欺骗检测方法的 33.3%和 0.88%，显著提升了系统对欺骗干扰的检测响应速度。该方法实现简单，易于实施。该文对欺骗干扰的作用过程，以及干扰检测的效果进行了清晰的展示和详细分析，包括通过设置不同的参数验证不同的欺骗检测效果，有助于学生更好地理解卫星导航欺骗干扰的危害以及应对措施。关键词：惯性导航系统；全球导航卫星系统；紧组合；欺骗检测；滑动方差 中图分类号：TN967.2 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)09-0048-07 GNSS spoofing detection and test using RSV of tightly coupled navigation system DING Jicheng1,REN Shangyin2,ZHAO Lin1,CHENG Jianhua1,GAO Hongtao1(1.College of Intelligent Systems Science and Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Department of Flight Control,Shenyang Aircraft Design&Research Institute,Shenyang 110031,China)Abstract:The traditional spoofing detection method with pseudorange residual(PR)is ineffective for dynamic delay spoofing.To solve this problem,this paper analyzed spoofing delay characteristics.A residual sliding variance(RSV)is researched and set as the detection parameter,then a spoofing detection method with RSV is proposed.For evaluate the scheme,a navigation satellite signal simulator is used to generate typical spoofing scene.Comparable results show that the response time of the proposed scheme is 33.3%and 0.88%of the traditional spoofing detection technique under different dynamic delay spoofing scenes,and accelerate detection speed significantly.This method is simple and easy to implement.Besides,spoofing process and detection results was analyzed in detail and demonstration,one can observe different spoofing detection result by parameters settings.It is benefit for comprehensive GNSS spoofing better.Key words:inertial navigation system;global navigation satellite system;tightly coupled;spoofing detection;sliding variance 随 着 全 球 导 航 卫 星 系 统（global navigation satellite system，GNSS）的快速发展，卫星导航定位技术的作用愈发凸显1，各类现代化装备大多依赖卫星导航接收机提供精确的位置、速度和时间信息2。丁继成，等：基于紧组合残差滑动方差的 GNSS 欺骗干扰检测与实验 49 但由于卫星信号极易受到欺骗干扰影响，可能导致接收机在全无察觉的情况下捕获、跟踪到欺骗信号，最终给出错误的导航信息。欺骗干扰包括生成式和转发式两种类型3。相较于生成式欺骗干扰，转发式欺骗干扰无需掌握真实卫星信号的测距码结构和导航电文等关键信息，可对真实卫星信号施加一定的时延后进行转发4。转发式欺骗干扰易于实现，且作用隐蔽、难以检测，对导航系统构成严重威胁，是该领域的研究热点5-7。对欺骗干扰进行及时、准确检测，是针对性抑制的前提，也是抗欺骗干扰的关键技术，国内外学者均在这方面开展了研究8-16。有学者引入惯性导航系统（inertial navigation system，INS）形成 INS/GNSS 紧组合系统，通过构造伪距残差（pseudorange residual，PR）检测量，设计了基于紧组合 PR 的欺骗检测方法13-14。此类方法对时延固定的欺骗干扰检测效果良好，但当欺骗干扰时延存在变化时效果不佳。本文基于 INS/GNSS 紧组合导航系统，通过构造残差滑动方差（residual sliding variance，RSV）检测量，提出一种基于紧组合 RSV 的欺骗检测方法，最后，利用商用卫星信号模拟器对该方法和传统方法的欺骗检测性能进行了详细的测试评估。1 欺骗干扰与紧组合模型 1.1 欺骗干扰模型 欺骗干扰模型如图 1 所示。图 1 欺骗干扰示意图 图中A点为干扰机位置，坐标为(,)AAAxyz；设空间内共有 n 颗可见卫星，其中第i颗(1,2,i=4)n n可见卫星表示为iS，坐标为(,)iiix y z。则A点相对第i颗卫星的伪距可表示为：222()()()iAAiAiAiAxxyyzzc t=-+-+-+（1）式中，c 为光速，At为A点接收机等效时钟误差，此处忽略了大气延时等传播误差。图中B点为干扰机预设的欺骗定位位置，坐标为(,)BBBxyz。则B点相对第i颗卫星的伪距表示为：222()()()iBiiixxyyzzc tBBBB=-+-+-+（2）式中，Bt为B点接收机等效时钟误差。于是，干扰机对第i颗卫星信号附加的伪距偏移表示为：iiiBA=-（3）各卫星信号的转发时延表示为：/iitc=（4）式中，it表示第i颗卫星信号的转发时延。由于基于上述模型得到的转发时延it可能出现负值，当it为负时需附加修正量。式（5）给出了修正后的转发时延：iitt=+（5）式中，|min|it=。以北斗 B1I 信号为例，测距码码率为 2.046 Mcps，此时，转发时延等效的码相位偏移可表示为：62.046 10iict=（6）于是，通过对不同卫星施加相应码相位偏移ic的时间延迟it，即可实现将目标接收机从 C 点欺骗到 B 点。为便于直观反映由欺骗干扰造成的伪距和伪距率偏移情况，后续测试中将直接使用伪距偏移d和伪距率偏移d?随时间 t 的变化特征来描述系统所受到的欺骗干扰。1.2 INS/GNSS 紧组合模型 INS/GNSS 紧组合导航系统取东、北、天地理坐标系为导航坐标系，以 GNSS 误差状态方程和 INS 误差状态方程构造的紧组合导航系统状态方程为：GGGGGIIIII=|0000FXGWX+FXGWX?（7）即：=+XFXGW?（8）其中，系统状态变量为：Tenuxyzxyzufhvvvc tc t=X（9）式中，、h为位置误差，ev、nv、uv为速度误差，、为姿态误差，x、y、z为陀螺随机漂移误差，x、y、z为加速度计随机漂移误差，uc t为等效时钟偏差对应的距离偏差，fc t为等效时钟漂移对应的距离变化率。取GNSS和INS的伪距、伪距率差值作为系统量测值，构造系统量测方程：=+|ZHVXZHV?（10）即：50 实 验 技 术 与 管 理 =+ZHXV（11）其中，量测值取值为：1122IGIGIG1122TIGIGIGnnnn=-Z?（12）式中，Gi为接收机相对于第i颗卫星的伪距，Gi?为接收机相对于第i颗卫星的伪距率；Ii为INS相对于第i颗卫星的伪距，Ii?为INS相对于第i颗卫星的伪距率。紧组合模型中的具体参数可参考文献14的设计。2 欺骗干扰检测方案 2.1 欺骗检测模型 欺骗干扰检测方案如图2所示。首先进行紧组合导航滤波，利用GNSS接收机和INS的伪距、伪距率差值进行卡尔曼滤波，并获得伪距、伪距率残差；然后利用当前和历史残差数据构造RSV检测量，进行欺骗检测；最后，为说明提出的欺骗检测方法能够降低欺骗干扰对紧组合系统定位、测速精度的影响，需要对存在欺骗的卫星通道进行简单的排除处理。图 2 欺骗干扰检测方案示意图 对由式（8）和式（11）表示的紧组合导航系统做分段线性化处理可得：(1)111kk/kkkkkkkk-=+=+xxwzH xv（13）式中，kx为状态向量，(1)k/k-为状态转移矩阵，1k-为系统噪声矩阵，kz为量测值向量，kH为量测矩阵，1k-w和kv为互不相关的零均值白噪声向量。紧组合滤波残差ke可表示为：(1)kkk/k-=-ezz（14）其中，()(1)k/k 1kk/k-=zH x（15）式中，ke为紧组合滤波残差，包括伪距残差e，伪距率残差e?；(1)k/k-z为1k-时刻对k时刻量测值的预测；(1)k/k-x为1k-时刻对k时刻状态的预测。考虑1.1节的欺骗干扰模型，可将量测向量分解为量测真实值向量kz?和欺骗附加偏移向量kd，即：kkk=+zzd?（16）将式（16）代入式（14）可得：kkk=+eed?（17）其中，(1)kkk/k-=-ezz?（18）式中，ke?为排除欺骗干扰影响后的紧组合滤波残差。由此可见，欺骗干扰检测的实质是对残差中附加的伪距和伪距率偏移的检测。当欺骗信号的时延不为常值时，干扰场景下伪距率残差e?曲线如图3所示，干扰机对欺骗卫星附加约14.7 m/s和2.94 m/s的伪距率偏移，仿真曲线呈现伪距率残差突变的时延特征。图 3 动态时延欺骗干扰伪距率残差曲线 综上所述，以伪距和伪距率残差为基础构造欺骗 丁继成，等：基于紧组合残差滑动方差的 GNSS 欺骗干扰检测与实验 51 干扰检测量，并利用欺骗干扰的时延变化特征开展欺骗检测具有可行性。针对欺骗的时延特征，本文尝试以滑动方差方式构造RSV检测量。为保存当前时刻和前1m-时刻的残差信息，需构造容量为m的残差滑动窗口W：12,k mk mkWeee-+-+=（19）利用前1m-时刻的残差可以得到残差滑动均值1ke-：12111k mk mkkeeeem-+-+-+=-（20）进而获得：21111=m2kkjkjeem-+-=-（21）式中，2k为当前时刻计算获得的RSV数据，其中伪 距RSV表示为20，伪距率RSV表示为21。由统计学相关理论可知，样本统计估计量的代表性误差会随样本容量的增大而减小，因此适当增大滑动窗口容量m有助于减小1ke-的代表性误差；同时，2k的离散程度会随着m的增大而减小，导致检测阈值取值区间收缩，影响检测的准确性。经测试，窗口容量可取为10m=。图4给出了无欺骗作用时，伪距RSV的概率密度和累积分布曲线。当检测概率高于99%时，检测阈值可设置为4.65 m2，该阈值下，虚警概率为0.08%。图5给出了无欺骗作用时，伪距率RSV的概率密度和累积分布曲线。当检测概率高于99%时，检测阈值可设置为0.136 m2/s2，该阈值下，虚警概率为0.04%。图 4 伪距 RSV 概率统计特征 图 5 伪距率 RSV 概率统计特征 2.2 基于紧组合 RSV 的欺骗检测流程 根据前述方案原理，基于紧组合RSV的欺骗检测方法的流程设计如图6所示。首先设置相应的检测阈值，若处理的卫星数量i大于可见卫星数量n，则进入下一历元的检测，否则对第i颗卫星的伪距和伪距率残差滑动窗口进行更新。若残差滑动窗口内的有效数据个数num少于窗口容量m，则不进入欺骗检测，否则进入欺骗检测流程。进入欺骗检测后，计算伪距率RSV即21，若大于阈值1T说明存在欺骗干扰；若小于阈值则需要计算伪距RSV即20，并继续判断是否存在时延固定的欺骗干扰。若20大于阈值0T则说明存在时延固定的欺骗干扰；若小于阈值0T则说明无欺骗干扰。最后，将检测出存在欺骗的卫星通道从紧组合导航滤波过程中排除。52 实 验 技 术 与 管 理 图 6 基于紧组合 RSV 的欺骗检测方法流程图 3 仿真实验 本节对基于紧组合RSV（RSV方法）和传统的基于紧组合PR的欺骗检测方法（PR方法）的性能进行评估。评估内容包括：检测响应时间。检测响应时间能够反映欺骗检测方法的灵敏度，检测响应时间越短越能够尽早排除欺骗、减少欺骗干扰对系统的作用时间。东、北、天向的位置和速度误差。位置和速度误差能够直接反映欺骗检测算法的有效性。利用商用卫星信号模拟器产生北斗B1I卫星信 号，并设置欺骗干扰场景，各场景中可见卫星为11颗，其中欺骗卫星为5颗。紧组合系统数据更新频率设置如下：INS数据更新频率为200 Hz，GNSS数据更新频率为10 Hz，紧组合系统数据更新频率为10 Hz。对于欺骗干扰场景，每秒钟附加码相位偏移ic的增量应小于1码元，即附加伪距率偏移d?应小于147 m/s。按照上述限制条件，各欺骗干扰场景仿真条件设置如下。场景1：仿真时长t为0300 s，欺骗时间st为第50300 s。欺骗附加伪距偏移d以14.7 m/s（约0.1码元/s）的速率由0逐步增加直至441 m，并保持至仿真结束。场景2：仿真时长t为0300 s，欺骗时间st为第50300 s。欺骗附加伪距偏移d以2.94 m/s（约0.02码元/s）的速率由0逐步增加直至441 m，并保持至仿真结束。在场景1和场景2条件下，RSV方法和PR方法的检测响应时间如表1所示。RSV方法与PR方法的欺骗检测量变化曲线如图7所示。表 1 检测响应时间 场景 RSV 方法/s PR 方法/s 1 0.1 0.3 2 0.1 11.4 由图7(a)可知，对于场景1，21于第50 s超过检测阈值1T，并保持到第80 s诱导过程结束，检测响应时间为0.1 s；对于场景2，21于第50 s超过检测阈值1T，并保持到第200 s诱导过程结束，检测响应时间为0.1 s。由图7(b)可知，对于场景1，e于第50.3 s超过检测阈值2T，并保持到第80 s诱导过程结束，检测响应时间为0.3 s，欺骗干扰向紧组合系统引入了约4.41 m的伪距偏移；对于场景2，e于第61.4 s超过 图 7 欺骗干扰检测效果 丁继成，等：基于紧组合残差滑动方差的 GNSS 欺骗干扰检测与实验 53 检测阈值2T，并保持到第80 s诱导过程结束，第80300 s时段内e始终高于检测阈值2T，检测响应时间为11.4 s，欺骗干扰向紧组合系统引入了约33.52 m的伪距偏移。两个场景的测试表明，RSV方法的检测响应时间为0.1 s，能在一个滤波周期内实现欺骗检测，检测响 应时间分别只有PR方法的33.3%和0.88%，显著提升了紧组合导航系统对欺骗干扰的检测速度。在场景1和场景2条件下，分别采用RSV方法、PR方法的INS/GNSS紧组合导航系统位置速度误差曲线如图8所示，东、北、天方向的最大位置和速度误差统计如表2所示。图 8 INS/GNSS 紧组合导航系统误差曲线 表 2 位置、速度误差 场景 检测方法 最大位置误差 最大速度误差 北向/m 东向/m 天向/m 北向/ms1 东向/ms1 天向/ms1 场景 1 RSV 方法 4.0 6.6 0.2 0.25 0.39 0.28 PR 方法 12.3 9.8 2.9 0.6 2.4 1.1 场景 2 RSV 方法 5.8 8.1 0.2 0.4 0.6 0.4 PR 方法 40.6 32.6 1.8 1.7 3.4 2.0 由图8可知，对于场景1，由于RSV方法在0.1 s内及时检出欺骗并排除，欺骗干扰未对紧组合系统的位置和速度误差造成影响；而PR方法在0.3 s内检出欺骗，此时欺骗干扰已对紧组合系统造成影响（单颗欺骗卫星引入伪距偏移4.41 m），导致东、天向位置和速度误差增大，但由于紧组合系统排除了欺骗卫星，位置误差最终于第289.4 s回到正常水平，由于欺骗对伪距测量值变化的影响显著高于对多普勒测量值的影响，速度误差于第74.8 s回到正常水平。对于场景2，由于RSV方法在0.1 s内及时检出欺骗并排除，欺骗干扰未54 实 验 技 术 与 管 理 对紧组合系统位置和速度误差造成明显影响；而PR方法在11.4 s内检出欺骗，此时欺骗干扰已对紧组合系统造成影响（单颗欺骗卫星引入伪距偏移33.52 m），导致东、北、天向位置和速度误差显著增大，排除欺骗卫星后，在仿真时间内位置误差已无法自主恢复到正常水平，速度误差于第106.2 s回到正常水平。测试结果表明，相较于PR方法，采用RSV方法的INS/GNSS紧组合导航系统的位置、速度误差更小。RSV方法能够有效降低时延变化的欺骗干扰对紧组合系统定位和测速精度的影响。4 结语 论文重点针对欺骗干扰存在时延变化特征时难以检测问题，根据INS/GNSS紧组合导航系统残差滑动方差的时延特征和概率统计特征，提出并实验了一种基于紧组合RSV的欺骗检测方法。该方法能够快速检出时延动态变化的欺骗干扰，显著降低欺骗干扰对组合系统定位和测速精度的影响。该方法简单易行，已在国家级品牌课程“卫星导航系统”教学中实施，能够帮助学生更深刻地认识和理解卫星导航应用中面临的欺骗干扰威胁，激发学生深入研究的兴趣，取得了很好的教学效果。参考文献(References)1 赵琳，丁继成，马雪飞.卫星导航原理及应用M.西安：西北工业大学出版社，2011.ZHAO L,DING J C,MA X F.Principle and application of satellite navigationM.Xian:Northwestern Polytechnic University Press,2011.(in Chinese)2 赵琳，罗治斌，丁继成，等.GNSS 接收机导航滤波器辅助捕获技术J.哈尔滨工业大学学报，2020,52(3):165172.ZHAO L,LUO Z B,DING J C,et al.Signal acquisition technique aided by navigation filter in GNSS receiverJ.Journal of Harbin Institute of Technology,2020,52(3):165172.(in Chinese)3 周甍，李洪，王楚涵，等.全球导航卫星系统诱导式欺骗检测J.国防科技大学学报，2019,41(4):129135.ZHOU M,LI H,WANG C H,et al.Induced spoofing detection of global navigation satellite systemJ.Journal of National University of Defense Technology,2019,41(4):129135.(in Chinese)4 庞春雷，郭泽辉，吕敏敏，等.基于 PNN 的北斗转发式欺骗干扰信号检测方法J.中国惯性技术学报，2021,29(4):554560.PANG C L,GUO Z H,LV M M,et al.BDS against 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