本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航機信號處理技術(shù)領(lǐng)域，具體一種GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

GPS欺騙技術(shù)分為生成式欺騙和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙。生成式欺騙的實現(xiàn)，需要信號仿真器知道完整的GPS數(shù)據(jù)信息，難度比較大；而轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)通過導(dǎo)航信號接收機來接收導(dǎo)航衛(wèi)星的下行信號，然后直接將接收信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，或者轉(zhuǎn)發(fā)的信號與原來的信號完全相同，只是時間延時不同，使得目標(biāo)接收機解算出錯誤的定位定時結(jié)果。對方反偵察設(shè)備在檢測時，由于與衛(wèi)星導(dǎo)航下行信號一致性很高，所以很難發(fā)現(xiàn)欺騙信號。相比較于生成式欺騙，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)不需要知道衛(wèi)星的PRN值和電文數(shù)據(jù)，且不需要進(jìn)行時間上的同步，實現(xiàn)起來更加簡便。目前常用的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙的實現(xiàn)方法是用GPS信號轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和使用定向天線。

GPS信號轉(zhuǎn)發(fā)器是將接收到的GPS通過一段時間的延遲后再放大發(fā)射出去，缺點是組成該信號的每個衛(wèi)星通道的時延是相同的，不能任意改變欺騙的定位結(jié)果。使用定向天線可以起到改變部分衛(wèi)星時延的作用，但是也存在了比如定向天線漏掉了部分衛(wèi)星，或者部分衛(wèi)星被多根定向天線同時轉(zhuǎn)發(fā)，這樣會造成定位結(jié)果的不可預(yù)知。

目前的接收機對于中頻信號數(shù)據(jù)的處理，主要是通過解調(diào)剝離掉信號中的載波分量，通過解擴剝離掉信號中的擴頻碼，得到用戶所需要的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，而沒有對被剝離的載波和擴頻碼進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

目前所使用的接收機的主要思想是軟件無線電，主要由天線、射頻前端、A/D轉(zhuǎn)換器和基帶信號軟件處理四大模塊組成，可以將下變頻、濾波、捕獲、跟蹤與解調(diào)、測量、PVT解算等功能用軟件都在通用處理器上進(jìn)行實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于目前在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙里常用的轉(zhuǎn)發(fā)器，通常對于各衛(wèi)星信號的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，增加的延時相同，導(dǎo)致對目標(biāo)接收機的定位結(jié)果在理想狀態(tài)下與轉(zhuǎn)發(fā)器天線位置相同，使得對目標(biāo)接收機定位結(jié)果的影響存在著一定的局限性，針對這樣的問題，提出了一種GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，利用軟件接收機從采集到的衛(wèi)星中頻信號中，獲得與真實信號一致的每一顆可見星信號的載波、擴頻碼與導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并針對不同的衛(wèi)星擴頻碼增加不同的延時，達(dá)到影響目標(biāo)接收機定位結(jié)果的目的。與之前的欺騙系統(tǒng)算法不同的是，這里先將接收信號解調(diào)解擴，獲得衛(wèi)星信號的載波、擴頻碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，再重新擴頻調(diào)制獲得欺騙信號；對不同衛(wèi)星信號分別增加增加不同的人為設(shè)置的碼延時，由于不同衛(wèi)星信號的偽碼延時不同，可以將目標(biāo)接收機欺騙到人為設(shè)定的位置上，而不受轉(zhuǎn)發(fā)器天線位置影響。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，具體步驟如下：

步驟一、利用中頻采樣器采集接收天線接收到的室外原始信號，下變頻成數(shù)字中頻信號；

步驟二、將步驟一中采集到的數(shù)字中頻信號，通過解調(diào)解擴，獲得每一顆衛(wèi)星的載波、擴頻碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)；

步驟三、將欺騙的距離通過相關(guān)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，轉(zhuǎn)化成C/A碼碼片上的偏移量Δt；具體轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

Δt＝Δρ_i/c

其中：Δρ_i為欺騙所偏移的距離，c為光速；

步驟四、將步驟二所獲得的擴頻碼按步驟三所得到的碼偏移量進(jìn)行延時，生成欺騙信號擴頻碼，利用步驟二中的載波生產(chǎn)欺騙信號載波，將步驟二中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)利用欺騙信號擴頻碼和載波進(jìn)行擴頻調(diào)制，生成單通道欺騙信號；具體的公式表示為：

上式中，其中表示第i顆衛(wèi)星信號的欺騙信號，C_i(t-Δt)表示從跟蹤環(huán)路獲得的真實復(fù)現(xiàn)的C/A碼增加了Δt的延時，cos(ω_it+φ_i)表示跟蹤環(huán)路中獲得的載波，D_i(t)表示接收機接收到的衛(wèi)星信號經(jīng)過解調(diào)解擴之后得到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼，P_i^sp(t)表示欺騙信號的功率，由人為設(shè)置的干擾信號比確定，欺騙信號的功率與干擾信號比之間的換算關(guān)系如下：

其中，ISR_i為干擾信號比，P_i^au表示真實信號功率，介于-160dBm～-130dBm；

步驟五、重復(fù)步驟四獲得多個單衛(wèi)星信號的欺騙信號；

步驟六、將步驟五獲得的多個衛(wèi)星的欺騙信號進(jìn)行混合，表示為：

其中，表示混合后的欺騙信號的中頻信號，N表示衛(wèi)星星數(shù)；

步驟七，將步驟六獲得的中頻欺騙信號，上變頻至載頻，并通過發(fā)射天線對外輻射，發(fā)送給目標(biāo)接收機，能夠?qū)⒛繕?biāo)接收機欺騙到設(shè)定的位置上。

進(jìn)一步地，對生成的多個通道單通道欺騙信號的混合信號進(jìn)行相關(guān)的驗證；通過研究捕獲階段的衛(wèi)星捕獲結(jié)果圖，跟蹤階段的碼跟蹤相關(guān)曲線，定位階段的定位結(jié)果圖，能夠驗證該實現(xiàn)方法的有效性。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出了GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，所述方法依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙的基本理論，將接收的原始的多衛(wèi)星混合信號，分解成多個單衛(wèi)星信號，并分別增加與預(yù)設(shè)定位位置相關(guān)的擴頻碼碼延時。單衛(wèi)星信號經(jīng)過延時后，可通過設(shè)置不同的信號強度，實現(xiàn)不同干信比條件的欺騙式干擾；可通過選擇不同數(shù)量，與指定的受干擾衛(wèi)星信號，實現(xiàn)不完全的欺騙式干擾。所述方法將原始的多通道混合信號分解成多個單通道信號進(jìn)行分別處理。

本發(fā)明相比于昂貴的信號仿真器，成本比較低，節(jié)省開支，為轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙的相關(guān)特性的理論分析提供了基礎(chǔ)，同時也為抗欺騙的研究提供多方面的數(shù)據(jù)支持和檢測手段。通過目標(biāo)接收機的定位欺騙，可提高區(qū)域防御能力，為打擊新型無人機邊界走私提供有力手段。

附圖說明

圖1是GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是單顆衛(wèi)星欺騙信號產(chǎn)生流程圖。

圖3是多衛(wèi)星欺騙信號產(chǎn)生流程圖。

圖4是欺騙信號發(fā)射部分結(jié)構(gòu)圖。

圖5是理想相關(guān)曲線與欺騙干擾下的相關(guān)曲線。

圖6是真實位置、理想欺騙位置和欺騙干擾下的實際定位。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明提出的一種GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)對GPS L1載波頻率信號進(jìn)行欺騙干擾的實現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)說明：

本發(fā)明將采集到的多顆衛(wèi)星信號混合的中頻信號，在轉(zhuǎn)發(fā)器中，將每一顆可見衛(wèi)星信號經(jīng)過解調(diào)環(huán)節(jié)剝離載波,經(jīng)過解擴環(huán)節(jié)剝離偽碼，即C/A碼得到導(dǎo)航數(shù)據(jù)。與之前的接收機算法不同的是，這里將解調(diào)階段剝離的載波和解擴階段剝離的偽碼保存下來，用以生成欺騙信號；對不同衛(wèi)星通道的偽碼分別加上與預(yù)設(shè)定位結(jié)果相關(guān)的不同時延，重新與載波和導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行擴頻調(diào)制生成欺騙信號，由于不同通道信號的偽碼延時不同，可以將接收機欺騙到設(shè)定的位置。具體結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

欺騙系統(tǒng)的整體實現(xiàn)流程圖如圖1所示，設(shè)計過程分為四個步驟，首先采集獲得真實衛(wèi)星信號的中頻信號；其次，完成對單顆衛(wèi)星欺騙信號的生成，對每顆衛(wèi)星的欺騙信號進(jìn)行不同延時的處理，同時通過調(diào)整欺騙信號功率，以改變欺騙信號與真實信號的干信比；然后，將單顆衛(wèi)星信號的欺騙信號混合，生成針對多顆衛(wèi)星的欺騙信號；最后，通過欺騙信號發(fā)射部分向外輻射欺騙信號。整個流程圖的順序為真實信號采集，單衛(wèi)星欺騙信號生成，多衛(wèi)星欺騙信號生成和欺騙信號發(fā)射。具體步驟如下：

(1)真實信號采集，利用中頻采樣器連接接收天線，采集真實衛(wèi)星信號，將采集到的真實衛(wèi)星信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號。

(2)單衛(wèi)星欺騙信號生成，采集到的數(shù)字中頻信號，為多顆衛(wèi)星信號的混合信號。將數(shù)字中頻信號中每顆衛(wèi)星的信號進(jìn)行剝離，被剝離的單顆衛(wèi)星信號經(jīng)過延時處理后，擴頻調(diào)制生成針對單顆衛(wèi)星的欺騙信號，如圖2所示；

(3)多衛(wèi)星欺騙信號生成，將多個單衛(wèi)星欺騙信號進(jìn)行疊加混合，生成多衛(wèi)星欺騙信號，如圖3所示。

(4)欺騙信號發(fā)射，中頻欺騙信號，上變頻至載頻，并通過發(fā)射天線對外輻射，發(fā)送給接收機，如圖4所示。

根據(jù)生成的真實信號與欺騙信號，產(chǎn)生單通道的混合信號。由于在實際的欺騙干擾中，目標(biāo)接收機接收到的信號是真實信號與欺騙信號按一定比例的混合信號。可以通過改變干信比(干擾信號比)來調(diào)整真實信號與欺騙信號的比例關(guān)系。干信比指的是欺騙信號與真實信號的功率比，單位是分貝(dB)。由于信號的功率與其幅值的平方成正比，實現(xiàn)設(shè)置干信比的方法可以從改變欺騙信號與真實信號的幅值入手。關(guān)于干信比與幅值的關(guān)系，進(jìn)行如下推導(dǎo)：

將混合信號記為S，真實信號記為S₁,欺騙信號記為S₂,真實信號的增益為K₁，欺騙信號增益記為K,則混合信號可以表示如下：

S＝K₁S₁+KS₂

由于信號的的功率正比于幅值的平方，所以：

P₁∝K₁²,P₂∝K²

不妨令K₁＝1，則干信比等于：

反解可以得到；

本發(fā)明的關(guān)鍵在于通過干信比與幅值的關(guān)系，通過對每個通道的信號的干信比進(jìn)行設(shè)置，轉(zhuǎn)化為對欺騙信號和真實信號的幅值進(jìn)行設(shè)置，這樣便可以通過改變信號的幅值來改變整個欺騙系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)置。

下面結(jié)合附圖2，對本發(fā)明提出的單衛(wèi)星欺騙信號產(chǎn)生方法的流程進(jìn)行詳細(xì)說明：

將采集的中頻信號先進(jìn)行解調(diào)環(huán)節(jié)得到原始信號的載波信息cos(ω_it+φ_i)，再通過解擴環(huán)節(jié)得到真實信號的擴頻碼C_i(t-τ_i)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息D_i(t-τ)。對于擴頻碼部分，進(jìn)行碼片的延時處理，將欺騙距離轉(zhuǎn)化成碼延時，加入原擴頻碼的碼延時上，形成欺騙信號的擴頻碼。欺騙信號偏移距離與碼延時具體轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

Δt＝Δρ_i/c

其中：Δρ_i為欺騙所偏移的距離，c為光速；

經(jīng)過延時處理的擴頻碼為生成欺騙信號擴頻碼，與載波cos(ω_it+φ_i)，導(dǎo)航數(shù)據(jù)D_i(t-τ)進(jìn)行擴頻調(diào)制，生成單通道欺騙信號；具體的公式表示為：

上式中，其中表示第i顆衛(wèi)星信號的欺騙信號，C_i(t-τ-Δt)表示從跟蹤環(huán)路獲得的真實復(fù)現(xiàn)的擴頻碼增加了Δt的延時，cos(ω_it+φ_i)表示跟蹤環(huán)路中獲得的載波，D_i(t-τ-Δt)表示接收機接收到的衛(wèi)星信號經(jīng)過解調(diào)解擴之后得到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼，P_i^sp(t)表示欺騙信號的功率，由人為設(shè)置的干信比確定，欺騙信號的功率與干信比之間的換算關(guān)系如下：

其中，ISR_i為干信比，P_i^au表示真實信號功率，一般介于-160dBm～-130dBm；在真實信號功率不能獲得的情況下，可令P_i^au＝1，獲得滿足干信比需求的欺騙信號。

下面結(jié)合附圖3，對本發(fā)明提出的混合信號的生成流程圖進(jìn)行詳細(xì)說明：

利用附圖2所示流程獲得多個單衛(wèi)星信號的欺騙信號，進(jìn)行疊加混合，表示為：

其中，表示混合后的欺騙信號的中頻信號，N表示欺騙信號的衛(wèi)星星數(shù)，介于0與當(dāng)前最大可見星數(shù)之間。當(dāng)N為0時，表示沒有無欺騙信號，當(dāng)N等于當(dāng)前最大可見星數(shù)時，表示所有接收到的衛(wèi)星信號均進(jìn)行被欺騙干擾。

下面結(jié)合附圖4，對本發(fā)明提出的欺騙信號發(fā)射過程進(jìn)行詳細(xì)說明：

通過附圖3所示的多衛(wèi)星欺騙信號混合，獲得的欺騙信號的數(shù)字中頻信號，該中頻信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換成為模擬信號，進(jìn)步經(jīng)上變頻處理，頻率增加至載頻，產(chǎn)生的欺騙信號的模擬載頻信號可通過發(fā)射天線對外輻射，發(fā)送給接收機，可將接收機欺騙到設(shè)定的位置上。

本發(fā)明的仿真驗證驗證過程如下：

仿真實驗中所使用的原始GPS數(shù)據(jù)包含PRN＝9，15，18，21四顆衛(wèi)星信號，不考慮其他誤差影響，其定位結(jié)果認(rèn)為是接收機真實位置。利用本文所提的欺騙干擾器，產(chǎn)生一組2分鐘時長的欺騙干擾數(shù)據(jù)，其中PRN＝9,15,18,21分別增加80米，90米，200米和100米偽距延時，且干信比均為0dB。

對于產(chǎn)生的結(jié)果，利用GPS接收機進(jìn)行驗證。

在跟蹤階段，可以觀察碼跟蹤相關(guān)曲線來判斷，是否有欺騙信號的存在。理想相關(guān)曲線形狀是一個三角形，欺騙干擾下相關(guān)曲線會呈現(xiàn)出平頂現(xiàn)象，原因是真實信號相關(guān)值與欺騙信號相關(guān)值進(jìn)行了疊加，兩個三角形的圖像由于碼相位不完全重合，幅度相同，疊加形成了一段平頂?shù)膱D像。

在定位解算階段，可以通過觀察真實信號、欺騙信號與混合信號在東、北和天方向上的定位結(jié)果的變化情況。欺騙干擾影響，目標(biāo)接收機定位結(jié)果將偏離真實位置，并向預(yù)設(shè)的欺騙位置接近，與預(yù)設(shè)位置的接近程度受欺騙干擾信號強度的影響。欺騙信號強度越大，目標(biāo)接收機定位結(jié)果越接近預(yù)設(shè)位置，反之，欺騙信號強度越小，目標(biāo)接收機定位結(jié)果越接近真實位置。

基于GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的實現(xiàn)的實驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖1是欺騙系統(tǒng)整體實現(xiàn)的流程圖，主要包括四個部分，分別是中頻信號采樣部分，單衛(wèi)星欺騙信號生成部分和多衛(wèi)星欺騙信號合成部分和欺騙信號發(fā)射部分。

圖2是單衛(wèi)星欺騙信號生成流程圖，主要包括了三個部分，第一部分是對原始信號的解調(diào)解擴，得出原始信號的載波、C/A碼、導(dǎo)航電文。第二部分是對C/A加入相應(yīng)的延時，生成偏移的C/A碼。第三部分是將偏移的C/A，載波和導(dǎo)航電文擴頻調(diào)制生成針對單顆衛(wèi)星信號的欺騙信號。

圖3是多衛(wèi)星混合欺騙信號生成的流程圖。對每單顆衛(wèi)星的欺騙信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，循環(huán)進(jìn)行多顆衛(wèi)星欺騙信號的混合處理，得到多顆衛(wèi)星欺騙信號的中頻信號。

圖4是欺騙信號發(fā)射部分結(jié)構(gòu)圖。多顆衛(wèi)星欺騙信號的中頻信號，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，上變頻至L1頻率(1575.42MHz)，最后通過發(fā)射天線向外輻射。

圖5(a)是標(biāo)準(zhǔn)碼跟蹤相關(guān)曲線，圖5(b)是生成的混合信號的碼跟蹤相關(guān)曲線，從圖(b)可以看出，歸一化的碼跟蹤相關(guān)曲線有一個平頂，為真實信號和欺騙信號的碼跟蹤曲線的疊加效果，呈現(xiàn)一段平頂?shù)默F(xiàn)象，可見欺騙信號和真實信號能夠同時被跟蹤上。

圖6(a)是真實位置、欺騙位置和混合信號位置在東方向欺騙干擾結(jié)果，圖6(b)是真實位置、欺騙位置和混合信號位置在北方向欺騙干擾結(jié)果，圖6(c)是真實位置、欺騙位置和混合信號位置在天方向欺騙干擾結(jié)果。由于欺騙信號與真實信號干信比為0dB，即信號強度相同，因此目標(biāo)接收機最終的定位結(jié)果介于真實位置與預(yù)設(shè)欺騙位置之間，理論上與欺騙干擾效果吻合，滿足要求。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。