一种在松GNSS/INS组合导航模式下实现位置精确定点欺骗偏
移方法
技术领域
背景技术
[0002] 目前的欺骗方法主要是针对纯卫星导航终端开展的，对组合导航模式下的欺骗方法考虑不足。为保证军/民用装备系统导航
精度和可用性，一般采用多种导航体制系统配合使用，例如全球卫星导航(Global Navigation Satellite System,GNSS)/惯性
导航系统(Inertial Navigation System,INS)组合导航模式就是常用的组合方式。其中，惯性测量器件(Inertial Measurement Unit,IMU)不受外界干扰，动态噪声小，但存在误差随着时间积累的缺点，而卫星导航虽然能输出稳定的导航
定位结果，但是由于接收无线电
信号，容易受到外界干扰且动态噪声较大，二者的组合便能形成导航定位结果稳定同时动态噪声小的优化导航模式。
[0003] 针对GNSS/INS组合导航系统的欺骗，虽然切入点仍是对卫星导航信号实施接入欺骗，但是为了实现在松GNSS/INS组合导航模式下实现位置精确定点偏移这一攻击目标，所需的虚假
卫星信号需要进行设计构造。因此，本发明将结合理论分析和仿真验证，分析欺骗式干扰对GNSS/INS组合导航位置估计输出结果影响程度的可控性和
稳定性，并据此研究设计一种虚假卫星信号使得GNSS/INS组合导航位置发生精确定点偏移。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种在松GNSS/INS组合导航模式下实现位置精确定点欺骗偏移方法，以滤波稳态增益矩阵各个元素为突破口利用虚假卫星信号实现位置精确定点欺骗偏移，可以有效解决上述问题。
[0005] 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
[0006] 一种在松GNSS/INS组合导航模式下实现位置精确定点欺骗偏移方法，基于滤波稳态增益矩阵各个元素，寻找不同惯性导航精度下虚假卫星信号对GNSS/INS组合导航输出结果影响的共性特征，推断出以稳态增益矩阵各个元素为系数、以过去各个时刻对卫星信号施加的位置偏移为变量的GNSS/INS组合导航位置估计的总偏移量解析表达式，并据此设计虚假卫星信号实现GNSS/INS组合导航位置估计发生精确定点偏移。具体步骤如下：
[0007] (1)采用松组合方式，构建GNSS/INS组合导航系统的
状态空间模型，研究其数据融合
滤波器中稳态增益矩阵的求解过程；
[0008] (2)根据稳态增益矩阵中各个元素与GNSS/INS组合导航估计输出结果、虚假卫星信号之间的函数对应关系，明确稳态增益矩阵中各个元素的物理意义；
[0009] (3)通过对比代入不同惯性导航精度参数之后滤波稳态增益矩阵各个元素的大小关系，找到影响GNSS/INS组合导航位置滤波估计结果的主要观测量；
[0010] (4)假设k时刻对目标卫星接收机施加欺骗式干扰，采用反馈校正方式，研究推导出以稳态增益矩阵元素为系数、以k时刻对卫星信号施加的位置偏移为变量的k时刻GNSS/INS组合导航位置估计输出解析表达式；
[0011] (5)进一步研究推导出以稳态增益矩阵元素为系数、以从k时刻到k+n时刻对卫星信号施加的位置偏移为变量的k+n时刻GNSS/INS组合导航位置估计的总偏移量解析表达式；
[0012] (6)分析欺骗式干扰对松GNSS/INS组合导航位置估计输出结果影响程度的可
操纵性和稳定性，研究设计一种虚假卫星信号使得GNSS/INS组合导航位置估计结果发生精确定点偏移。
附图说明
[0013] 为了更清楚地说明本发明
实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014] 图1稳态增益矩阵各个元素、状态矢量与观测矢量之间的空间对应关系图。
具体实施方式
[0015] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0016] 本发明以稳态增益矩阵各个元素为突破口，研究在松GNSS/INS组合导航模式下实施欺骗攻击的可行性，即验证利用虚假卫星信号实现位置精确定点偏移的可行性分析方法。参照图1所示，具体步骤如下：
[0017] (1)采用松组合方式，构建GNSS/INS组合导航系统的状态空间模型，研究其数据融合滤波器中稳态增益矩阵的求解过程。
[0018] 定义GNSS/INS组合导航系统的状态矢量X为：
[0019]
[0020] 其中，L和λ分别为载体所在的纬度和经度信息，δL和δλ代表其误差信息；VN和VE分别为载体的北向和东向信息，δVN和δVE代表其误差信息；φ、θ和 分别为载体的
横滚角、
俯仰角和航向角误差。
[0021] 当
卫星导航系统提供位置和速度信息时，定义观测矢量Z为：
[0022] Z＝[LINS-LGNSS λINS-λGNSS VN,INS-VN,GNSS VE,INS-VE,GNSS]T
[0023] ＝[δL δλ δVN δVE]T
[0024] 其中，LINS、λINS、VN,INS和VE,INS分别为惯性导航系统解算出的载体纬度、经度、北向速度和东向速度；LGNSS、λGNSS、VN,GNSS和VE,GNSS分别为GNSS系统提供的载体纬度、经度、北向速度和东向速度。
[0025] GNSS/INS组合导航系统的
状态方程和为：
[0026]
[0027] 其中，F和G分别为系统状态矩阵和输入矩阵，其各个参数的取值可参考惯性导航系统的位置误差方程、速度误差方程和
姿态角误差方程；W＝[δωgx δωgy δωgz δfx δfy]T为系统噪声矩阵，δωgx、δωgy和δωgz是惯性导航系统三轴陀螺的噪声，δfx和δfy分别为前向和右向
加速度计噪声； 为观测噪声，nL、nλ、 和 为GNSS系统的位置和速度误差噪声；H为量测矩阵，且
[0028]
[0029] 对式(1)进行离散化处理，使用经典卡尔曼滤波对状态矢量X进行估计，即[0030] 状态一步预测：
[0031] 状态估计：
[0032] 滤波增益矩阵：
[0033] 一步预测均方差阵：
[0034] 估计均方差阵：
[0035] (2)根据稳态增益矩阵中各个元素与GNSS/INS组合导航估计输出结果、虚假卫星信号之间的空间对应关系，如附图1所示。由卡尔曼滤波器特性可知，滤波增益矩阵Kk存在稳态值K∞(7×4矩阵)，其各个元素的物理含义如下：
[0036]
[0037] (3)通过对比代入不同惯性导航精度参数之后滤波稳态增益矩阵各个元素的大小关系，找到影响GNSS/INS组合导航位置滤波估计结果的主要观测量。
[0038] 代入不同精度的惯性器件参数分别为：
[0039] 1.导航级：陀螺零偏稳定性0.01°/h，加表零偏稳定性5×10-5g；
[0040] 2.战术级：陀螺零偏稳定性1°/h，加表零偏稳定性5×10-4g；
[0041] 3.消费级：陀螺零偏稳定性20°/h，加表零偏稳定性5×10-3g；
[0042] 同时在卫星增强系统的辅助下，GNSS的定位精度优于3m，测速精度优于10m/s。
[0043] 利用设定的仿真环境参数，计算并对比稳态增益矩阵K∝的大小，可知当植入的虚假卫星信号存在位置偏移(纬度偏移、经度偏移)和速度偏移(北向速度偏移、东向速度偏移)，影响GNSS/INS组合导航滤波器位置估计值的主要因素：
[0044] 影响纬度估计值的主要因素是纬度偏移(K∞(1,1)＞＞K∞(1,2))和北向速度偏移(K∞(1,3)＞＞K∞(1,4))，且INS系统精度越低时影响强度越大；
[0045] 影响经度估计值的主要因素是经度偏移(K∞(2,2)＞＞K∞(2,1))和东向速度偏移(K∞(2,4)＞＞K∞(2,3))，且INS系统精度越低时影响强度越大。
[0046] (4)假设k时刻对目标卫星接收机施加欺骗式干扰，采用反馈校正方式，研究推导出以稳态增益矩阵元素为系数、以k时刻对卫星信号施加的位置偏移为变量的k时刻GNSS/INS组合导航位置估计输出解析表达式；
[0047] 假设在k时刻对目标接收机施加欺骗式
干扰信号时，GNSS接收机输出的位置和速度为：
[0048]
[0049] 其中， 和 分别为受到欺骗式干扰后GNSS接收机输出的位置和速度信息；(LG)k、(λG)k、(vN,G)k和(vE,G)k分别为正常情况下GNSS接收机输出的位置和速度信息；(δLG)k、(δλG)k、(δvN,G)k和(δvE,G)k分别为施加的偏移位置和速度分量信息。
[0050] 对于长航时、高精度的GNSS/INS组合导航滤波器来说，一般采用的是反馈校正方式，即在利用INS误差估计值修正惯性导航系统后，将INS误差估计值清零，则下一次滤波器计算时的一步预测估计值为零。因此，此时在欺骗式干扰的情况下GNSS/INS组合导航输出的纬度误差估计值 和经度误差估计值 为：
[0051]
[0052] 其中， 和 分别为无欺骗式干扰情况下正确的纬度和经度滤波估计值；ΔLk和Δλk分别为由于欺骗式干扰所引起的纬度和经度偏移量，且
[0053]
[0054] 将组合导航滤波估计输出的纬度误差和经度误差反馈到惯性导航解算结果中，可得到k时刻校正后的位置结果为：
[0055]
[0056] 其中， 和 分别为经过正确修正后的位置结果。
[0057] 从式(5)可知欺骗式干扰对GNSS/INS组合导航滤波器的位置输出估计值是有影响的，而且这种影响的程度与干扰产生的偏移强度是有关的。同时由于不同导航精度下的增益矩阵各个元素都将趋于稳态，因此由稳态增益矩阵元素为系数、干扰产生的偏移强度为变量参数构造的组合导航输出位置偏移具有可操纵性的。
[0058] (5)进一步研究推导出以稳态增益矩阵元素为系数、以从k时刻到k+n时刻对卫星信号施加的位置偏移为变量、构建k+n时刻GNSS/INS组合导航位置估计的总偏移量解析表达式；
[0059] 假设k+1时刻GNSS接收机仍然受到欺骗式干扰，则此时GNSS观测量为：
[0060]
[0061] 利用如步骤(4)所示的相同方法，可递推得到k+n时刻反馈校正后的位置输出结果为：
[0062]
[0063] 其中，ΔLk→k+n和Δλk→k+n分别为从k时刻到k+n时刻施加欺骗式干扰之后所引起总的位置偏移量，且
[0064]
[0065] 即总的位置偏移量为过去各个时刻施加的位置偏移量的线性组合。
[0066] 为进一步分析ΔLk→k+n和Δλk→k+n的稳定性，设每个时刻植入的干扰位置偏移量为单位阶跃函数，则不同导航精度组合导航系统输出位置偏移结果为：
[0067] 1.导航级：位置偏移稳态值为0.999；
[0068] 2.战术级：位置偏移稳态值为0.999；
[0069] 3.消费级：位置偏移稳态值为1.000.
[0070] 由上述结果可知，欺骗式干扰引起的GNSS位置偏移信号融合到组合导航滤波器之后，产生的位置偏移是稳定的。
[0071] (6)欺骗式干扰对松GNSS/INS组合导航位置估计输出结果影响程度的可操纵性和稳定性，证明欺骗攻击方可通过调节欺骗式干扰引起的位置偏差分量使得GNSS/INS组合导航位置估计输出产生其期望的稳定偏移值。
[0072] 具体分析如下：
[0073] 首先对式(8)进一步分析可得：
[0074]
[0075] 相似地，可得
[0076]
[0077] 若设计每个时刻位置偏移量相同，即
[0078]
[0079] 则将上式结合式(9)和式(10)，可得
[0080]
[0081] 根据式(12)可知，当攻击方在攻击开始时刻施加相同的位置偏移信号，则最后GNSS/INS组合导航滤波位置估计也终将会呈现相同的位置偏移效果，即实现利用设计的虚假卫星信号使得GNSS/INS组合导航位置发生精确定点偏移。
[0082] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
