本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是在衛(wèi)星導(dǎo)航信號被遮擋的情況下，基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號欺騙式干擾的技術(shù)原理實現(xiàn)定位的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

GNSS系統(tǒng)采用三球定位原理，通過時差測量，得到GNSS信號傳播時間后，可以計算出衛(wèi)星和用戶之間的距離，只要得到衛(wèi)星的坐標(biāo)就可以通過聯(lián)立方程計算出定位點的坐標(biāo)。實際上接收機與GNSS的標(biāo)準(zhǔn)時鐘總是存在鐘差，因此實際定位中至少需要四顆星的偽距，計算得到授時誤差。從上述可得，只要能讓接收機得到偽距、衛(wèi)星位置等測量信息，就可以得到定位結(jié)果，從而到達干擾的作用。

GNSS信號的欺騙式干擾分為兩種體制，即自主式欺騙干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾。自主欺騙干擾系統(tǒng)不依賴GNSS系統(tǒng)，自主產(chǎn)生GNSS信號，這些信號通過轉(zhuǎn)發(fā)到用戶接收機，致使接收機從干擾信號上得到信息并計算出定位結(jié)果。自主式干擾具有很好的可操作性，對于民用信號來說，GNSS信號結(jié)構(gòu)，包括碼結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航電文、信號調(diào)制方法均為公開信息，因此，可實現(xiàn)性較大。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾不需要對所接收的真實GNSS信號進行分析，主要是在一點設(shè)置干擾機，干擾機接收GNSS信號，調(diào)節(jié)接收到衛(wèi)星信號的時間延遲，放大后轉(zhuǎn)發(fā)，從而構(gòu)成一個虛假的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，接收機接收到轉(zhuǎn)發(fā)信號，在干擾有效區(qū)域內(nèi)將接收機欺騙到錯誤位置，接收機在接收到虛假信號后得出錯誤的定位信息和授時信息。這種技術(shù)直接通過延遲調(diào)節(jié)發(fā)射時間到達欺騙的目的，理論上可以認(rèn)為是一種與代碼結(jié)構(gòu)沒有太大關(guān)聯(lián)的干擾。

在城市定位中，當(dāng)車輛行駛在較長的隧道或地下通道時，由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號完全被遮擋，而慣性導(dǎo)航在一定時間內(nèi)也會發(fā)生隨機游走出現(xiàn)較大的定位誤差，因此在這種情況下很難實現(xiàn)車輛的定位。因此，本發(fā)明提出在山谷隧道、地下通道這種無法接收到GNSS信號的環(huán)境下，采用轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號的方法，通過將原始信號延遲后，發(fā)送出與導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)一樣的干擾信號，或者自主式欺騙干擾的方法自主產(chǎn)生GNSS信號進行播發(fā)，使得車輛接收機在衛(wèi)星信號盲區(qū)內(nèi)也能接收到信號并實現(xiàn)定位。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號欺騙式干擾技術(shù)原理，提供了一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號欺騙式干擾的定位方法及系統(tǒng)，適用于城市隧道、地下通道等衛(wèi)星信號容易被完全遮擋的環(huán)境下的定位。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一、基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號欺騙式干擾的定位方法，該方法利用轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾技術(shù)原理實現(xiàn)，其思路為：地面控制器接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并采用數(shù)控延遲法調(diào)制衛(wèi)星導(dǎo)航信號的時延，將時延后的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(即延時信號)傳送到信號轉(zhuǎn)發(fā)器。信號轉(zhuǎn)發(fā)器在山體隧道、地下通道等信號盲區(qū)播發(fā)延時信號，有效干擾區(qū)域內(nèi)的用戶接收機接收播發(fā)的延時信號，并進行定位解算。

上述基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號欺騙式干擾的定位方法，具體包括：

(1)信號盲區(qū)外設(shè)置一地面控制器，信號盲區(qū)內(nèi)設(shè)置若干信號轉(zhuǎn)發(fā)器；

(2)地面控制器接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并采用數(shù)控延遲技術(shù)調(diào)制衛(wèi)星導(dǎo)航信號的時延以獲得延時信號，將延時信號傳送到各信號轉(zhuǎn)發(fā)器；

衛(wèi)星導(dǎo)航信號傳送到信號轉(zhuǎn)發(fā)器的時延Δτ_ij根據(jù)衛(wèi)星、地面控制器和信號轉(zhuǎn)發(fā)器的坐標(biāo)獲得：

其中，Δτ_ij為第i顆衛(wèi)星的衛(wèi)星導(dǎo)航信號傳送到第j個信號轉(zhuǎn)發(fā)器的時延；c為光速；(X_i,Y_i,Z_i)為第i顆衛(wèi)星的坐標(biāo)，i＝1,2,...,n，n為參與定位解算的衛(wèi)星數(shù)，其值不小于4；(X_A,Y_A,Z_A)為地面控制器的坐標(biāo)；(X_Bj,Y_Bj,Z_Bj)為第j個信號轉(zhuǎn)發(fā)器的坐標(biāo)；

(3)信號轉(zhuǎn)發(fā)器將接收的延時信號在信號盲區(qū)內(nèi)播發(fā)；

(4)信號盲區(qū)內(nèi)移動載體上所設(shè)的用戶接收機接收延時信號，并根據(jù)延時信號進行定位解算。

進一步的，步驟(2)具體為：

地面控制器接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，對接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號依次進行濾波、低噪聲放大、下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得中頻數(shù)字信號，采用數(shù)控延遲技術(shù)對中頻數(shù)字信號進行時延獲得延時信號，將延時信號傳送到各信號轉(zhuǎn)發(fā)器。

進一步的，步驟(3)具體為：

信號轉(zhuǎn)發(fā)器對接收的延時信號依次進行數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻、濾波、放大獲得轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號，在信號盲區(qū)內(nèi)播發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號。

作為優(yōu)選，定位解算中，采用利用信噪比改進多路徑方法改正觀測量。

二、基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號欺騙式干擾的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾技術(shù)原理實現(xiàn)，包括設(shè)于信號盲區(qū)外的一地面控制器、設(shè)于信號盲區(qū)內(nèi)的若干信號轉(zhuǎn)發(fā)器和設(shè)于信號盲區(qū)內(nèi)移動載體上的用戶接收機，其中：

地面控制器包括信號接收模塊和時延調(diào)制模塊，信號接收模塊用來接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，時延調(diào)制模塊用來調(diào)制信號接收模塊接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號的時延以獲得延時信號；

信號轉(zhuǎn)發(fā)器用來接收延時信號并在信號盲區(qū)內(nèi)播發(fā)；

信號盲區(qū)內(nèi)移動載體上所設(shè)的用戶接收機接收延時信號并根據(jù)延時信號進行定位解算。

進一步的，信號接收模塊包括順次相連的第一天線、第一濾波器、低噪聲放大器、下變頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

進一步的，信號轉(zhuǎn)發(fā)器包括順次相連的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、上變頻器、第二濾波器、放大器、第二天線。

三、基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號欺騙式干擾的定位方法，該方法利用自主式欺騙干擾技術(shù)原理實現(xiàn)，其思路為：地面控制器利用自主式欺騙干擾技術(shù)自主產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并將自主產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航信號通過設(shè)于山體隧道、地下通道等信號盲區(qū)的發(fā)射天線發(fā)送，用戶接收機接收自主產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并進行定位解算。

上述基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號欺騙式干擾的定位方法，具體包括：

(1)信號盲區(qū)外設(shè)置一地面控制器，信號盲區(qū)內(nèi)設(shè)置一發(fā)射天線；

(2)地面控制器利用自主式欺騙干擾技術(shù)自主產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號，將自主產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)換為GNSS射頻信號并傳送給發(fā)射天線；

(3)發(fā)射天線在信號盲區(qū)內(nèi)發(fā)送GNSS射頻信號；

(4)信號盲區(qū)內(nèi)移動載體上所設(shè)的用戶接收機接收GNSS射頻信號，并進行定位解算。

進一步的，步驟(2)中，所述的地面控制器利用自主式欺騙干擾技術(shù)自主產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號，具體為

地面控制器根據(jù)不同的GNSS衛(wèi)星產(chǎn)生相對應(yīng)的PRN碼，將實時導(dǎo)航電文擴頻到PRN碼上再調(diào)制到載波，獲得各衛(wèi)星的中頻數(shù)字信號，即自主產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航信號；其中，實時導(dǎo)航電文通過外部網(wǎng)絡(luò)獲得。

進一步的，步驟(2)中，所述的將自主產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)換為GNSS射頻信號，具體為：

對自主產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航信號依次進行數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻、功率放大，獲得GNSS射頻信號，即自主式干擾信號。

作為優(yōu)選，定位解算中，采用利用信噪比改進多路徑方法改正觀測量。

四、基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號欺騙式干擾的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用自主式欺騙干擾技術(shù)原理實現(xiàn)，包括設(shè)于信號盲區(qū)外的一地面控制器、設(shè)于信號盲區(qū)內(nèi)的一發(fā)射天線和設(shè)于信號盲區(qū)內(nèi)移動載體上的用戶接收機，其中：

地面控制器用來自主產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并將自主產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)換為GNSS射頻信號并傳送給發(fā)射天線；

發(fā)射天線用來在信號盲區(qū)內(nèi)發(fā)送GNSS射頻信號；

信號盲區(qū)內(nèi)移動載體上所設(shè)的用戶接收機接收GNSS射頻信號，并進行定位解算。

進一步的，地面控制器包括順次相連的GNSS信號生成器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、上變頻器、功率放大器。

進一步的，地面控制器包括GNSS信號生成器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、若干上變頻器、合路器和功率放大器，GNSS信號生成器的輸出端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端，若干上變頻器的輸入端均連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端，若干上變頻器的輸出端均連接合路器的輸入端，合路器的輸出端連接功率放大器的輸入端。

進一步的，GNSS信號生成器包括碼成模塊、載波生成模塊、導(dǎo)航電文模塊和衛(wèi)星軌道模塊。

城市定位中，當(dāng)車輛行駛在較長的隧道或地下通道時，由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號完全被遮擋，慣性導(dǎo)航在一定時間內(nèi)會發(fā)生隨機游走，從而出現(xiàn)較大的定位誤差，這種情況下難以實現(xiàn)車輛定位。本發(fā)明則很好的解決了信號盲區(qū)內(nèi)車輛無法進行定位的問題。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點和有益效果：

(1)利用轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾技術(shù)原理或自主式欺騙干擾技術(shù)原理產(chǎn)生偽衛(wèi)星信號，并根據(jù)偽衛(wèi)星信號進行車輛定位，所得定位結(jié)果與真實值相近。

(2)本發(fā)明尤其適用于城市隧道、地下通道等衛(wèi)星導(dǎo)航信號被完全遮擋的信號盲區(qū)內(nèi)車輛的定位。

附圖說明

圖1是本發(fā)明應(yīng)用環(huán)境下的場景圖；

圖2是實施例中基于轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的定位方法中轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號產(chǎn)生的原理圖；

圖3是本發(fā)明中基于轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的定位方法的具體流程圖；

圖4是實施例中基于自主式欺騙干擾的定位方法中自主式欺騙干擾信號產(chǎn)生的原理圖。

具體實施方式

以下對具體實施方法和說明書附圖作進一步的詳細(xì)說明。

參照圖1，為本發(fā)明基于轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾技的定位方法的應(yīng)用場景圖，包括地面控制器、若干信號轉(zhuǎn)發(fā)器以及設(shè)于信號盲區(qū)行駛車輛上的用戶接收機。地面控制器接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并通過數(shù)控延遲技術(shù)調(diào)制衛(wèi)星導(dǎo)航信號的時延獲得延時信號，將延時信號傳送到各信號轉(zhuǎn)發(fā)器，信號轉(zhuǎn)發(fā)器將延時信號在山體隧道、地下通道等信號易被遮擋的信號盲區(qū)內(nèi)播發(fā)，有效干擾區(qū)域內(nèi)的用戶接收機接收到播發(fā)的延時信號，并進行定位解算。

本發(fā)明所基于的原理如下：

(1)根據(jù)所在地區(qū)可見衛(wèi)星情況選擇幾何分布以及幾何精度因子較好的四個或四顆以上的衛(wèi)星，設(shè)地面控制器為A點，則各衛(wèi)星到A點的偽距觀測量方程見式(1)：

式(1)中：

表示第i顆衛(wèi)星到A點的偽距觀測量；

c表示光速；

Δt_d表示采用公式(1)解算出的本地時鐘與衛(wèi)星時鐘之間的偏差；

(X_i,Y_i,Z_i)為第i顆衛(wèi)星的坐標(biāo)；

(X_A,Y_A,Z_A)為A點的坐標(biāo)。

用戶接收機的鐘差Δt_d和A點坐標(biāo)可通過四個或四個以上的方程聯(lián)立解算出來。

(2)由于地面控制器和信號轉(zhuǎn)發(fā)器間存在轉(zhuǎn)發(fā)距離，信號轉(zhuǎn)發(fā)器的坐標(biāo)可通過已知條件求出，假設(shè)已知信號轉(zhuǎn)發(fā)器的坐標(biāo)為(X_Bj,Y_Bj,Z_Bj)，因此，各衛(wèi)星到信號轉(zhuǎn)發(fā)器的偽距觀測量如下：

其中，(X_Bj,Y_Bj,Z_Bj)表示第j個信號轉(zhuǎn)發(fā)器的坐標(biāo)；

Δt_d'代表采用公式(2)解算出的本地時鐘和衛(wèi)星時鐘之間的偏差；

表示第i顆衛(wèi)星到第j個信號轉(zhuǎn)發(fā)器的偽距觀測值。

(3)根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙的轉(zhuǎn)發(fā)原理，依據(jù)式(1)和(2)得到第j個信號的時延：

本實施例中至少選擇4顆衛(wèi)星，即本實施例中，i＝1,2,3,4。第j個信號即第第j個信號轉(zhuǎn)發(fā)器接收的信號。

從理論上來看，從式(3)可以得出，根據(jù)信號轉(zhuǎn)發(fā)器的位置即可得到衛(wèi)星導(dǎo)航信號的時延。

根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)原理，可得到定位方程的偽距觀測值，如下：

式(4)中，表示第j個信號轉(zhuǎn)發(fā)器接收的延時信號的偽距。

由式(4)可得到，對GNSS信號的轉(zhuǎn)發(fā)會帶來接收機的授時誤差，該授時誤差與轉(zhuǎn)發(fā)距離有關(guān)，為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾條件下的授時誤差。

見圖2，地面控制器包括信號接收模塊和時延調(diào)制模塊，信號接收模塊用來接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，從較低的信噪比中提取、放大信號，以保證信號不發(fā)生失真；提高輸出信號的信噪比，并將模擬信號轉(zhuǎn)化為中頻數(shù)字信號，在時延調(diào)制模塊中加入時延調(diào)制參數(shù)以控制時延。之后通過DAC轉(zhuǎn)化、上變頻到衛(wèi)星導(dǎo)航信號的頻率，生成轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號，并播發(fā)?；贕NSS定位原理可以看出，衛(wèi)星導(dǎo)航信號經(jīng)干擾轉(zhuǎn)發(fā)后，增加了傳播延遲，改變了衛(wèi)星導(dǎo)航信號的偽距，相當(dāng)于將衛(wèi)星導(dǎo)航信號傳播到了之前所達不到的區(qū)域?；谵D(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的定位方法的具體流程見圖3。本發(fā)明中，信號盲區(qū)每相隔一定距離設(shè)置一信號轉(zhuǎn)發(fā)器，各信號轉(zhuǎn)發(fā)器和地面控制器間形成一信號通道，時延調(diào)制模塊分別控制各信號通道的時延。

見圖4，本發(fā)明基于自主式欺騙干擾的定位方法中，地面控制器不用接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，其利用自主式欺騙干擾技術(shù)自主產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號。地面控制器包括順次相連的GNSS信號生成器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、上變頻器、功率放大器。其中，GNSS信號生成器進一步包括碼生成模塊、載波生成模塊、導(dǎo)航電文模塊和衛(wèi)星軌道模塊。導(dǎo)航電文模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)碼與碼生產(chǎn)模塊產(chǎn)生的偽碼進行異或相加獲得結(jié)合碼，再將結(jié)合碼通過載波生成模塊調(diào)相調(diào)制到載波上，從而形成衛(wèi)星信號。衛(wèi)星軌道模塊用來提供衛(wèi)星軌道參數(shù)，便于衛(wèi)星定位。

GNSS衛(wèi)星發(fā)送CDMA碼分多址的擴頻信號，GNSS信號生成器根據(jù)不同的GNSS衛(wèi)星產(chǎn)生相對應(yīng)的PRN碼，將實時導(dǎo)航電文擴頻到PRN碼上再調(diào)制到載波，獲得各衛(wèi)星的中頻數(shù)字信號。其中，實時導(dǎo)航電文由導(dǎo)航電文模塊通過外部網(wǎng)絡(luò)實時更新獲得。數(shù)模轉(zhuǎn)換器將中頻數(shù)字信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，獲得中頻模擬信號。上變頻器將中頻模擬信號的頻率調(diào)制到GNSS信號的標(biāo)稱頻率值，獲得GNSS射頻信號，GNSS射頻信號經(jīng)功率放大后通過發(fā)射天線發(fā)送。

本發(fā)明基于自主式欺騙干擾的定位方法支持多頻點信號，因此可以產(chǎn)生多個標(biāo)稱頻率的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，設(shè)置多個上變頻器分別對不同頻點的衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行上變頻，采用合路器將多個上變頻器輸出的GNSS射頻信號進行合成，最后由設(shè)于信號盲區(qū)的發(fā)射天線發(fā)送至用戶接收機。

無論是基于轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾還是基于自主式欺騙干擾的定位方法，信號傳播過程中都會產(chǎn)生多路徑現(xiàn)象，而欺騙式信號的發(fā)送位于隧道、地下通道等這種多路徑效應(yīng)明顯的環(huán)境，信號的傳播路徑比較低，因此，多路徑誤差是一個需要解決的主要誤差源。車載的用戶接收機接收到的反射波和直接波，除了存在相位延遲外，信號強度也會減少。由于隧道、地下通道內(nèi)環(huán)境基本保持不變，多路徑干擾也會重復(fù)。因此，本發(fā)明可采用利用信噪比改進多路徑方法，即基于用戶接收機接收信號的信噪比，通過分離多路徑信號和直達信號，得到多路徑對直達信號的影響來改正觀測量，達到消除和減弱多路徑的目的。