一種虛假衛星星曆的檢測方法與流程
2023-05-18 08:01:45 1
本發明涉及衛星定位導航領域，特別是涉及一種虛假衛星星曆的檢測方法。
背景技術：
在衛星定位導航領域，由導航衛星向地面定位導航接收機發出的無線電信號中包含導航電文，而導航電文中包含衛星星曆。衛星星曆是以克卜勒定律的6個軌道參數之間的數學關係確定衛星的時間、坐標、方位、速度等各項參數，具有極高的精度。因此，地面定位導航接收機接收到衛星星曆後，就可以對運行的導航衛星精確計算、預測、描繪，跟蹤其時間、位置、速度等運行狀態。而只有藉助於衛星星曆，地面定位導航接收機才能準確實時的計算衛星所處的空間位置，由此才能保證定位、測速、授時的準確性。
但在實際的生產生活中，存在虛假衛星星曆的現象，就是通過播報虛假衛星星曆來使地面導航接收機加以接收，從而會造成錯誤的定位。因此，對虛假衛星星曆的檢測成為地面導航接收機不得不面臨的一項重要工作。
但是，虛假衛星星曆的隱蔽性也在不斷增強，特別是存在逐步拉偏式的虛假衛星星曆，這種虛假衛星星曆在被導航接收機剛接收後，其對衛星空間位置的計算與真實衛星星曆的計算結果在更新起始時刻非常接近，因此，難以判斷出這種虛假衛星星曆。但隨著時間的推移，這種虛假衛星星曆採用漸進拉偏的方法，通過局部的、微調式的方式更改星曆參數，逐步偏離真實衛星星曆。因此，對虛假星曆的檢測判斷不能僅靠一次檢測、短時間內檢測就能正確檢測出來的。
現有技術中對虛假衛星星曆的檢測還存在漏檢、誤檢的現象，使得虛假衛星星曆能夠輕易蒙蔽過關而取代真實的衛星星曆。為此，需要進一步提高對虛假衛星星曆的檢測準確度。
技術實現要素：
本發明主要解決的技術問題是提供一種虛假衛星星曆的檢測方法，解決現有欺騙幹擾檢測技術中對漸進式修改衛星軌道參數的虛假衛星星曆難以檢測，確保真實衛星星曆使用安全等問題。
為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是：提供一種虛假衛星星曆的檢測方法，由導航接收機接收導航電文，並從該導航電文中得到衛星星曆，使用衛星先驗星曆，該導航接收機存儲並使用真實的衛星先驗星曆；獲取衛星新星曆，該導航接收機從接收到的導航電文中得到衛星新星曆；計算衛星空間位置，從該衛星先驗星曆和該衛星新星曆中確定至少兩個比較曆元時刻，分別基於該衛星先驗星曆和該衛星新星曆，計算在該比較曆元時刻所對應的同一顆衛星的先驗星曆空間位置和新星曆空間位置；星曆虛假判斷，將該先驗星曆空間位置和該新星曆空間位置對應進行誤差比較，若該誤差結果均大於或等於預設檢測門限，則該衛星新星曆為虛假星曆，若該誤差結果均小於該預設檢測門限，則該衛星新星曆為真實星曆，若該誤差結果中既有小於預設檢測門限又有大於或等於該預設檢測門限，則該衛星新星曆有待進一步檢測。
在本發明虛假衛星星曆的檢測方法的另一個實施例中，在該星曆虛假判斷中若該衛星新星曆為真實星曆，則繼續進行星曆更新判斷，若該衛星先驗星曆還處於其星曆更新周期內，則不用該衛星新星曆替換該衛星先驗星曆，繼續使用該衛星先驗星曆，若該衛星先驗星曆到達其星曆更新時刻，則使用經過最近一次該星曆虛假判斷中確認為真實星曆的該衛星新星曆來替換該衛星先驗星曆。
在本發明虛假衛星星曆的檢測方法的另一個實施例中，該比較曆元時刻包括該衛星新星曆的啟用時刻和該衛星新星曆的停用時刻。
在本發明虛假衛星星曆的檢測方法的另一個實施例中，該檢測門限為15米。
在本發明虛假衛星星曆的檢測方法的另一個實施例中，該星曆更新周期為1小時或2小時。
本發明的有益效果是：本發明提供的虛假衛星星曆的檢測方法利用衛星先驗星曆和衛星新星曆分別計算在新星曆數據有效期內多個比較曆元時刻，衛星所在先驗星曆空間位置和新星曆空間位置，將先驗星曆空間位置和新星曆空間位置的距離差與預設門限進行比較，若比較結果均大於或等於預設的門限，則衛星新星曆為虛假星曆，若比較結果均小於預設的門限，則衛星新星曆為真實星曆。本發明還對檢測為真實星曆的衛星新星曆的更新時刻進行優化。本發明提供的基於多曆元時刻的衛星虛假星曆的檢測方法，對檢測逐步拉偏式的虛假衛星星曆效果明顯，無需定位，對單星即可進行檢測，不用增加硬體成本，有利於提高正確檢測概率,也可用於衛星星曆故障檢測。
附圖說明
圖1是衛星廣播下發衛星星曆的曆元時刻示意圖；
圖2是本發明虛假衛星星曆的檢測方法一實施例的流程圖；
圖3是本發明虛假衛星星曆的檢測方法另一實施例的流程圖。
具體實施方式
為了便於理解本發明，下面結合附圖和具體實施例，對本發明進行更詳細的說明。附圖中給出了本發明的較佳的實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，並不限於本說明書所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。
需要說明的是，除非另有定義，本說明書所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是用於限制本發明。
下面結合附圖，對本發明的各實施例進行詳細說明。
圖1顯示了導航衛星廣播下發衛星星曆的曆元時刻示意圖。正常情況下，t0時刻是衛星星曆的一個星曆更新曆元時刻，衛星廣播下發新的衛星星曆。再經過一個周期後，在t1時刻，這也是衛星星曆的一個星曆更新曆元時刻，衛星將取代t0時刻下發的衛星星曆，更新為新的衛星星曆下發，而t0時刻下發的衛星星曆可以視為t1時刻下發的衛星星曆的先驗星曆。圖1中還顯示了在星曆更新曆元時刻t0與t1之間還有t01、t02、t03……t0n等曆元時刻，在t01、t02、t03……t0n等這些曆元時刻，衛星重複播發t0時刻的衛星星曆。星曆更新曆元時刻t0與t1之間的這段時間周期我們稱之為星曆更新周期。實際應用中，星曆更新周期較為穩定，例如gps的星曆更新周期為2個小時，北鬥導航系統的星曆更新周期為1個小時。
當導航接收機接收來自衛星廣播下發的衛星星曆時，由於導航接收機開機、復位等操作具有隨機性，導航接收機接收的衛星星曆不一定正好是在t0等星曆更新曆元時刻，而是有可能是在t01、t02、t03……t0n等衛星星曆重複播發的這些時刻。正常情況下，導航接收機接收的這些衛星星曆都是真實星曆。
對於存在虛假衛星星曆的欺騙幹擾現象，我們需要提供儘可能可靠的檢測方法，提高對虛假衛星星曆的檢測概率。
圖2顯示了本發明虛假衛星星曆的檢測方法的一實施例。由導航接收機不斷接收導航電文，並從該導航電文中得到衛星星曆。
首先，在步驟s1，使用衛星先驗星曆，導航接收機存儲並使用真實的衛星先驗星曆。
步驟s1表明導航接收機處於正常的工作狀態，當前正在使用真實的衛星先驗星曆。
然後，在步驟s2，獲取衛星新星曆，導航接收機從接收到的導航電文中得到衛星新星曆。
這裡的導航電文既可能是真實的導航電文，也可能是虛假的導航電文。因此，衛星新星曆也可能是虛假的衛星星曆，需要對其進行檢測。衛星新星曆的到來時機也具有隨機性，比如可能在圖1所示的t0與t1之間的任一時刻被導航接收機所接收。
接著，在步驟s3，計算衛星空間位置，從衛星新星曆中找到至少兩個比較曆元時刻，分別基於該衛星先驗星曆和衛星新星曆，計算在比較曆元時刻所對應的同一顆衛星的先驗星曆空間位置和新星曆空間位置。
具體而言，從衛星新星曆m1中選擇兩個比較曆元時刻tx1和tx2(也可以是兩個以上的比較曆元時刻，在衛星新星曆有效期內選擇，曆元時刻的間隔越大越好)，這裡的比較曆元時刻主要是用於選擇在不同的曆元時刻，比較基於衛星先驗星曆和衛星新星曆計算的衛星空間位置的差異。並且，可以選擇同一顆衛星sa1，根據該衛星先驗星曆m1，該衛星sa1在曆元時刻tx1和tx2的先驗星曆空間位置分別對應是sma1(xm1，ym1，zm1)、sma2(xm2，ym2，zm2)。也從衛星新星曆q1中對應找到這兩個曆元時刻tx1和tx2，也選擇同一顆衛星sa1，根據該衛星新星曆q1，該衛星sa1在曆元時刻tx1和tx2的新星曆空間位置分別是sqa1(xq1，yq1，zq1)、sqa2(xq2，yq2，zq2)。其中，(xm1，ym1，zm1)、(xm2，ym2，zm2)、(xq1，yq1，zq1)、(xq2，yq2，zq2)分別表示該衛星在空間直角坐標系的中三維坐標。
優選的，對於兩個比較曆元時刻tx1和tx2對應優選為該衛星新星曆m1的啟用時刻和該衛星新星曆m1的停用時刻。衛星新星曆m1的啟用時刻是指該衛星新星曆m1作為衛星新星曆更新替代之前的衛星星曆而開啟使用的曆元時刻，衛星新星曆m1的停用時刻是指該衛星新星曆m1被衛星更新星曆所替代而停止使用的曆元時刻。
進一步的，在步驟s4，星曆虛假判斷，將先驗星曆空間位置和新星曆空間位置對應進行誤差比較，若誤差結果均大於或等於預設檢測門限，則衛星新星曆為虛假星曆，若誤差結果均小於預設檢測門限，則衛星新星曆為真實星曆，若誤差結果中既有小於預設檢測門限又有大於或等於該預設檢測門限，則衛星新星曆有待進一步檢測。
具體而言，根據前述內容，比較先驗星曆空間位置sma1(xm1，ym1，zm1)和新星曆空間位置sqa1(xq1，yq1，zq1)的誤差，即這兩個衛星空間位置的距離lmq1，lmq1＝|sma1(xm1，ym1，zm1)-sqa1(xq1，yq1，zq1)|，再比較先驗星曆空間位置sma2(xm2，ym2，zm2)和新星曆空間位置sqa2(xq2，yq2，zq2)的誤差，即這兩個衛星空間位置的距離lmq2，lmq2＝|sma2(xm2，ym2，zm2)-sqa1(xq2，yq2，zq2)|。然後，再與檢測門限比較，預設的檢測門限設為ck1。若lmq1大於或等於ck1，並且lmq2也大於或等於ck1，則表示新星曆與先驗星曆偏差較大，衛星新星曆為虛假星曆；若lmq1小於ck1，並且lmq2也小於ck1，則表示新星曆與先驗星曆偏差較小，衛星新星曆為真實星曆；另外一種情況是，lmq1小於ck1，lmq2大於或等於ck1，或者，lmq1大於或等於ck1，lmq2小於ck1，針對這種誤差結果中既有小於預設檢測門限又有大於或等於該預設檢測門限的情況，則不能表明新星曆與先驗星曆的偏差情況，則對衛星新星曆有待進一步檢測。優選的，檢測門限設ck1為15米。
由步驟s3和s4可以看出，從衛星先驗星曆中選擇了兩個比較曆元時刻，還可以選擇更多的比較曆元時刻，分別在這些比較曆元時刻，將衛星先驗星曆中某一顆衛星的空間位置與衛星新星曆中該衛星的空間位置進行比較，我們可以稱之為多曆元時刻的空間位置比較。這種方式，與單一曆元時刻空間位置比較而言能夠明顯提高對虛假星曆的檢測概率。這是因為虛假星曆在剛被導航接收機接收時，其衛星星曆中的星曆參數與先驗星曆中的星曆參數比較接近，因此從衛星空間位置的偏差難以判斷衛星新星曆的真假。而隨著時間的推移，虛假星曆的欺騙作用開始發揮，其衛星星曆與真實的衛星星曆逐步偏開，因此在後續的時間中選擇某一曆元時刻，再將先驗星曆計算的衛星空間位置與衛星新星曆計算的衛星空間位置進行比較，則容易發現這種較大偏差，因此能夠提高對虛假衛星星曆的檢測概率。當然，若選擇的曆元時刻進一步增多，則有利於進一步提高檢測的精準度。
以下表1顯示了一個實施例中星曆中的6個軌道參數的數據改變對衛星位置誤差的影響。以第一行為例，其中的半長軸對應的「更改bit位」是「10(0->1)↑」，其中的「10」表示是以二進位10個bit來表示參數半長軸對應的數值，「(0->1)」表示該10bit數據的最後一位由0更改為1，「↑」表示引起位置誤差的增大。其它參數對應的「更改bit位」做類似理解。由表1可以看出，當更改這些軌道參數對應二進位數據的最後一位時，在衛星新星曆的啟用時刻偏差不大，但隨曆元時刻的推移，虛假衛星位置與真實位置之間的偏差比較明顯，例如在10分鐘時偏差為10.0807米，30分鐘時偏差為10.6152米，60分鐘時12.4704米。
表1星曆軌道參數的數據篡改對衛星位置偏差的影響
圖3顯示了本發明虛假衛星星曆的檢測方法的另一實施例。與圖2相比較，圖3中進一步增加了步驟s5，即星曆更新判斷，前提是在星曆虛假判斷s4中若衛星新星曆為真實星曆，若衛星先驗星曆還處於其星曆更新周期內，則不用衛星新星曆替換衛星先驗星曆，繼續使用衛星先驗星曆，若衛星先驗星曆到達其星曆更新曆元時刻(如圖1中的t1)，則使用經過最近一次在步驟s4星曆虛假判斷中確認為真實星曆的衛星新星曆來替換衛星先驗星曆。結合前述步驟s4和圖1所示內容，若導航接收機所使用的先驗星曆仍然處於曆元時刻t0時刻與t1時刻之間，即當前使用的先驗星曆還處於該先驗星曆的星曆更新周期內，即便在步驟s4中檢測出導航接收機所接收的衛星新星曆為真實星曆，也不必在該更新周期內用衛星新星曆替換先驗星曆，而是繼續使用該先驗星曆，直到到達該先驗星曆的下一個星曆更新曆元時刻，使用經過最近一次步驟s4的星曆虛假判斷中確認為真實星曆的衛星新星曆來替換該衛星先驗星曆。
步驟s5中之所以對判斷為真實星曆的衛星新星曆不立刻去更替已有的先驗星曆，這是由於在先驗星曆下一個星曆更新曆元時刻到來之前，該先驗星曆仍能夠滿足使用要求。再就是新的衛星星曆可能一直處於不斷的更新中，如果在步驟s4中出現誤判、誤檢的情況，將原本是虛假星曆的衛星新星曆誤判為真實星曆，然後直接替換已有的先驗星曆，這樣先驗星曆就被替換成虛假星曆，而後續的衛星新星曆也是虛假星曆，這兩個虛假星曆具有延續性和相關性，則難以通過比較虛假星曆中的衛星位置誤差來識別這個虛假星曆，而導航接收機將植入該虛假星曆，被該虛假星曆所控制，失去了導航定位的安全性。
由此可見，本發明提供的虛假衛星星曆的檢測方法利用衛星先驗星曆和衛星新星曆分別在多個比較曆元時刻，計算衛星所在的先驗星曆空間位置和新星曆空間位置，將先驗星曆空間位置和新星曆空間位置的距離差與預設門限進行比較，若比較結果均大於或等於預設的門限，則衛星新星曆為虛假星曆，若比較結果均小於預設的門限，則衛星新星曆為真實星曆。本發明還對檢測為真實星曆的衛星新星曆的更新時刻進行優化。本發明提供的基於多曆元時刻的衛星虛假星曆的檢測方法，無需定位，單星即可進行檢測，對檢測逐步拉偏式的虛假衛星星曆效果明顯，不用增加硬體成本，有利於提高正確檢測概率，也可用於衛星星曆故障檢測。
以上該僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均包括在本發明的專利保護範圍內。