基于加權(quán)估計緊組合導(dǎo)航抗欺騙算法探究

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1、基于加權(quán)估計緊組合導(dǎo)航抗欺騙算法探究　　摘要：針對戰(zhàn)場環(huán)境下GPS信號易被欺騙干擾的缺點，提出了一種基于加權(quán)估計的緊組合導(dǎo)航濾波算法。該算法通過采用加權(quán)最小二乘算法先對GPS欺騙信號進行預(yù)估計，然后將得到的估計狀態(tài)量和誤差方差陣引入到緊組合導(dǎo)航濾波模型中，從而提高GPS接收機抗欺騙能力。仿真表明，加權(quán)估計與緊組合結(jié)合的方法在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的情況下，具有定位測速精度高、魯棒性強的特點。這種方法容易實現(xiàn)，預(yù)測可靠，具有實際應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：抗欺騙；轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙；加權(quán)最小二乘；緊組合；組合定位中圖分類號：TN973?34；TP277文獻標識碼：A文章編號：1004?373X（

2、2013）19?0001?040引言11在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)扮演著十分重要的角色，幾乎主導(dǎo)了大部分智能武器和制導(dǎo)武器的導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。然而，近年來歷次局部戰(zhàn)爭也暴露出GPS信號弱，極易受到干擾和欺騙等缺點[2?3]，目前世界上各國都已經(jīng)認識到GPS抗欺騙技術(shù)的重要性，認為不具有抗干擾的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備在戰(zhàn)場環(huán)境下將無法正常工作。2012年10月18日，美國海軍研究辦公室已經(jīng)授予羅克韋爾·科林斯公司一份“現(xiàn)代化集成化欺騙追蹤”（MIST）合同，針對敵人干擾GPS信號的企圖，對破壞性軍事行動進行定位和分類，發(fā)展探測和定位試圖破壞導(dǎo)航、通信作戰(zhàn)能力的傳輸信號源的相關(guān)技術(shù)[

3、4]。研究GPS接收機抗欺騙技術(shù)，對發(fā)展我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗欺騙性技術(shù)，以適應(yīng)現(xiàn)代化信息戰(zhàn)的需要有著非常重要的借鑒意義。本文針對GPS受欺騙信號干擾使得定位誤差較大，導(dǎo)致誤差模型出現(xiàn)異方差性，從而定位精度不高的情況，提出了基于加權(quán)估計的GPS/慣導(dǎo)緊組合導(dǎo)航濾波算法。該濾波算法通過加權(quán)最小二乘法對原狀態(tài)模型進行加權(quán)，使之成為一個新的不存在異方差性的模型，再把估計后的狀態(tài)值和對應(yīng)的誤差方差陣作為緊組合卡爾曼濾波的狀態(tài)估值和誤差方差陣，進行慣導(dǎo)/GPS卡爾曼濾波，以提高濾波的收斂速度和估計精度，具有較好的魯棒性。1GPS欺騙式干擾目前轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是GPS欺騙干擾的熱點[5

4、?6]，該欺騙信號與導(dǎo)航信號完全相同，只是延時不同，因此難于發(fā)現(xiàn)，對使用GPS的用戶是一個巨大的威脅。本文針對轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙，進行抗欺騙技術(shù)研究。1.1GPS轉(zhuǎn)發(fā)欺騙式干擾原理11轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的基本原理如圖1所示。轉(zhuǎn)發(fā)干擾機接收當(dāng)?shù)氐腉PS衛(wèi)星載波信號，經(jīng)延遲、功率放大后，由于干擾機發(fā)射天線向空中輻射，使一定區(qū)域內(nèi)的其他GPS用戶接收到干擾機發(fā)射的信號。由于欺騙信號強度大于GPS衛(wèi)星信號，GPS接收機完全有可能將轉(zhuǎn)發(fā)的欺騙信號優(yōu)先捕獲。從GPS的定位原理可知，衛(wèi)星信號經(jīng)過發(fā)射干擾機轉(zhuǎn)發(fā)后，增加了傳播延時，使GPS接收機測得的偽距發(fā)生了變化，導(dǎo)致其無法正常工作或者是給出錯

5、誤導(dǎo)航，從而達到欺騙目的。1.2GPS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙模型根據(jù)GPS偽距測量模型如圖2所示。測定[P]與第[i]顆衛(wèi)星[Si]的偽距為：[PRi=Ri+cΔtAi+c（Δtu-ΔtSi），i=1，2，3，4]（1）式中：[Ri]為第[i]顆衛(wèi)星至觀測點的真實距離；c為光速；[ΔtAi]為第[i]顆衛(wèi)星傳播延遲誤差和其他誤差；[Δtu]為用戶鐘相對于系統(tǒng)時的偏差；[ΔtSi]為第[i]顆星的衛(wèi)星鐘相對于GPS系統(tǒng)時的偏差。設(shè)衛(wèi)星[Si]和測點[P]地心直角坐標系中的位置分別為[（XSi，YSi，ZSi）]和[（X，Y，Z），]則：[Ri=（XSi-X）2+（YSi-Y）2+（

6、ZSi-Z）2]（2）將式（2）代入式（1），即可得：[PRi=（XSi-X）2+（YSi-Y）2+（ZSi-Z）2+cΔtAi+c（Δtu-ΔtSi）]（3）11式中：衛(wèi)星位置（[XSi，YSi，ZSi]）和衛(wèi)星鐘偏差[ΔtSi]通過調(diào)節(jié)衛(wèi)星電文并計算獲得；電波傳播延時誤差[ΔtAi]用雙頻觀測法修正，或者利用衛(wèi)星電文提供的校正參數(shù)，根據(jù)電波傳播模型估算得到。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙就是人為地將信號延時[Δτ。]在偽距測量定位基本模型的基礎(chǔ)上，可以建立轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙模型。[PRi=（XSi-X）2+（YSi-Y）2+（ZSi-Z）2+cΔtAi+c（Δtu-ΔtSi）+cΔτ+cΔτ

7、r]（4）式中：[Δτ]為人為轉(zhuǎn)發(fā)欺騙延時；[Δτr]為由于轉(zhuǎn)發(fā)干擾機所處的空間位置造成的延時。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙偽距測量定位模型如圖3所示。2基于加權(quán)估計的偽距/偽距率緊組合導(dǎo)航2.1GPS/慣導(dǎo)緊組合模型前文1.2節(jié)主要研究了在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾下的GPS偽距測量模型。在此基礎(chǔ)上，對GPS/慣導(dǎo)偽距和偽距率組合模型進行分析，并闡述加權(quán)最小二乘濾波算法過程。利用GPS的星歷數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)輸出的位置和速度信息解算出分別對應(yīng)于慣導(dǎo)的偽距[ρI]和偽距率[ρI，]并與GPS接收機測量的偽距[ρG]和偽距率[ρG]進行比較，將差值作為觀測量，通過組合卡爾曼濾波來估計慣導(dǎo)和