技术领域
[0001] 本
发明涉及信息安全及GNSS导航技术领域，具体涉及微、轻型小无人机的GNSS反欺骗系统及欺骗信号检测与导航方法。
背景技术
[0002] GNSS全称为Global Navigation Satellite System(全球导航卫
星系统)，泛指迄今世界上所有的卫星
导航系统，如美国的GPS系统、中国的北斗系统、欧洲的GALILEO系统、俄罗斯的GLONASS系统等。其基本的工作原理，是通过部署导航卫星
星座，向地表附近用户播发导航测距信号，用户通过接收至少4颗卫星的信号，基于球面交回原理解算其自身的
位置和时间。
[0003] 在GNSS应用日趋普及的同时，也悄然出现了GNSS干扰技术和相应的装备。最传统的GNSS干扰手段是在GNSS信号频段上发播大功率的压制信号，迫使用户接收机不能正常工作。压制式干扰虽然能够有效拒止正常的GNSS信号，但用户能够直接感受到
干扰信号的作用，转而可以采取其他的导航手段进行导航。在传统的压制性
电磁干扰的
基础上，近年来发展出了基于单站或多站伪
卫星信号源的欺骗式干扰技术。单伪卫星站配置下的技术途径是，首先实现伪卫星站与GNSS系统之间的高
精度(ns级)时间同步，然后参考真实卫星的信号格式，仿造一组(多颗卫星)完整导航卫星的信号，再向用户进行发送，诱骗用户卫星导航接收机
锁定到虚假的卫星信号上，进而达到欺骗的目的。多伪卫星站配置下的技术途径是，实现伪卫星与GNSS系统、以及多个伪卫星之间的高精度(ns级)时间同步，然后参考真实卫星的信号格式，每个伪卫星站仿造一颗导航卫星的信号，再向用户进行发送，诱骗用户卫星导航接收机锁定到虚假的卫星信号上，达到欺骗的目的。2013年，由美国德克萨斯大学分校托德·汉弗莱斯(Todd Humphreys)教授带领的无线导航实验室，通过使用GPS信号干扰设
备，利用GPS固有
缺陷，向白玫瑰号超级游艇的导航系统发射错误GPS数据。致使这艘承载着百余人性命的游艇，在没有任何警报，没有任何提示的情况下，完全被操控者玩弄于鼓掌之间。无独有偶，2016年，两艘载有10名海军的美国巡逻艇因驶入伊朗
水域，被伊朗军方扣押。
针对此次事件，美方似乎没有官员能对那些训练有素的士兵偏离航向的原因做出合理解
释。但总不免令人猜测，是伊朗利用GPS缺陷向美方巡逻艇发出GPS欺骗攻击，诱使船只偏离航向的可能性非常高。
[0004] GNSS干扰技术的发展，反过来又促进了抗干扰技术的不断进步。针对压制性干扰，陆续出现了时域抗干扰技术、频域抗干扰技术、
空域抗干扰技术、空时联合抗干扰技术等。针对欺骗性干扰，出现了基于信号强度(
信噪比)检测、到达
角检测、时间检测、星历数据核实、多频点信号互相关检测、惯性导航辅助检测、速度检核等多种干扰监测方法。但这些方法都需要设计和建造特殊的用户终端加以实现，且只关注了如何发现欺骗式干扰，对在可靠地检测干扰的同时，尽最大可能向用户提供正确导航服务方面的针对性设计较少。
[0005] 近年来，民用无人机的生产和应用在国内外蓬勃发展，特别是以低空、慢速飞行为特征的轻小型(微型、轻型)无人机数量快速增加，占到民用无人机的绝大多数。《民用航空器系统驾驶员管理暂行规定》规定，对于民用无人机按照空机
质量划分为以下4类：(1)微型无人机：0千克＜微型无人机≤7千克(2)轻型无人机：7千克＜轻型无人机≤116千克(3)小型无人机：116千克＜小型无人机≤5700千克(4)大型无人机：5700千克＜大型无人机。其中微型和轻型无人机的作业飞行在很大程度上依赖GNSS系统所提供的导航服务，涉及到无人机飞行过程中
起飞、巡航、返回、高度控制、降落等各个环节。与其他GNSS用户一样，无人机同样面临GNSS干扰的威胁。尤其是无人机飞行在空中，一旦因为受到欺骗，获得错误的
定位和测速结果，而无人机自身却浑然不知，就可能导致一些严重的后果。因此，发展针对无人机用户的反欺骗干扰技术，具有重要的意义。对于轻小无人机来说，其所能承载的电源功率能
力较低、
载荷重量和尺寸容纳能力都十分有限，并且造价也比较低。现有的专用反欺骗设备造价一般都很高昂，重量、功耗、尺寸也都比较大，难以直接用于满足微型和轻型无人机的应用需求。
发明内容
[0006] 有鉴于此，本发明提供了微、轻型无人机GNSS反欺骗系统及欺骗信号检测与导航方法，能够基于通用低成本的GNSS接收模
块，实现无人机GNSS导航，并可以有效区分GNSS欺骗信号与正常的GNSS信号，本发明适用于微型和轻型无人机。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案为；
[0008] 轻型无人机GNSS反欺骗系统，包括GNSS信号分集接收阵列以及计算单元。
[0009] GNSS信号分集接收阵列包括3个GNSS接收单元。
[0010] GNSS接收单元由1个GNSS接收模块以及与其对应的1个GNSS天线组成，其中3个GNSS天线在无人机上按品字形非共线固定安装，3个GNSS天线两两之间的间距在设定的数值范围内，GNSS天线采集GNSS卫星信号，并通过射频
电缆向其对应的GNSS接收模块发送
GNSS卫星信号；
[0011] GNSS接收模块对GNSS卫星信号进行捕获、
跟踪，生成伪距观测原始数据和载波
相位观测原始数据、以及星历数据。
[0012] 伪距和载波相位观测原始数据和星历数据发送至计算单元。
[0013] 计算单元接收伪距观测原始数据或者载波相位观测原始数据、以及星历数据，进行欺骗信号检测和导航，包括：区分欺骗信号和非欺骗信号对应的数据，向无人机发出警报信号，并在非欺骗信号数量达到设定个数的情况下，计算无人机定位结果以及
姿态结果。
[0014] 本发明还提供了微、轻型无人机GNSS反欺骗系统的欺骗信号检测与导航方法，采用上述微、轻型无人机GNSS反欺骗系统，计算单元获取伪距观测数据或者载波相位观测数据、以及星历数据，其中的3个GNSS天线分别记为1号天线、2号天线和3号天线，采用如下步骤进行欺骗信号检测和导航：
[0015] 第一步，根据星历数据，计算卫星位置；并获取所有可视卫星的载波相位观测值。
[0016] 从N颗可视卫星中，4颗一组进行分组组合，任意两个分组间的可视卫星不重复，获得M个分组，取第k分组，执行第二步和第三步，k初始值为1,取值范围为[1,M]。对于总卫星数N不是4的整数倍的情况，用星历计算卫星在用户粗位置对应的站心
坐标系下的仰角，排除仰角最低的1～3颗卫星，不参与分组。欺骗组合数目Mcheat和非欺骗组合数目Mnon-cheat初值都取为0，进入第二步。
[0017] 第二步，针对第k分组构建双差载波相位观测方程组，求解基线长度估计量。
[0018] 第三步，将基线长度估计量与实际安装时的基线长度之间的差距作为检验量，检验量不超过检验
门限时，第k分组为非欺骗组合，Mnon-cheat加1；否则第k分组为欺骗组合，Mcheat加1。
[0019] 当k＝M时执行第四步，否则k自增1，返回第二步。
[0020] 第四步，获得欺骗组合的个数为Mcheat，非欺骗组合的个数为Mnon-cheat。
[0021] 当Mnon-cheat≠0时，对于Mcheat个欺骗组合中的每一个分组中的4颗卫星，总共4·Mcheat个卫星，记为可能的欺骗卫星。
[0022] 从Mnon-cheat个非欺骗组合中选取一组最优的非欺骗卫星组合，选取的规则是，解算基线长度与真实基线长度之间的差异Δdnon-cheat＝Δd12+Δd13+Δd23最小。
[0023] 从当前Mcheat个欺骗卫星组合中，逐个选择可能的欺骗卫星，替代最优非欺骗卫星组合中的一颗卫星，形成新的卫星组合，将该新的卫星组合重新构建观测方程组，重新求解基线长度估计量，并进一步判断该新的卫星组合是否为欺骗组合，若是，则当前可能的欺骗卫星为欺骗卫星；否则，当前可能的欺骗卫星为非欺骗卫星，继续选取下一个可能的欺骗卫星继续进行判断；直至遍历所有的可能的欺骗卫星，最终区分出所有的欺骗卫星与非欺骗卫星。在分别
鉴别所有的可能欺骗卫星的基础上，进一步鉴别第一步中未分组的1～3颗卫星，完成对所有卫星的鉴别。
[0024] 第五步，利用非欺骗卫星对应的伪距观测量或载波相位观测量，以及相应的星历数据，进行定位和定姿，并将定位结果传送给无人机进行导航；同时，将欺骗卫星的信息，一并传送给无人机，对无人机进行欺骗信号报警。其中，定姿方法可基于鉴别出的非欺骗卫星观测量，采取传统的载波相位定姿
算法。
[0025] 进一步地，第一步，具体为：
[0026] 预先已知无人机粗位置(x0,y0,z0)；(x0,y0,z0)为无人机的空间坐标。
[0027] 通过星历数据计算出全部N颗可视卫星的位置(xa，ya，za)，a＝l～N，为第a颗可视卫星的空间坐标。
[0028] 获取N颗可视卫星对应的载波相位观测值为： 为第a颗可视卫星对应的载波相位观测值。
[0029] 进一步地，第二步，具体为：
[0030] 针对第k分组构建观测方程组，其中第k分组中的4颗可视卫星编号分别为(k1,k2,k3,k4)，计算双差观测量：
[0031]
[0032] 其中，{·}表示在四舍五入取整操作；{·}＝·-[·+1/2]； 为j号天线相对于i号天线在第a颗可视卫星和第r颗可视卫星之间的载波相位双差观测量，
Ambiguityij,a,r为 的整周模糊度；其中i和j均为1～3之间的整数编号值；a和r均为1
～N之间的整数编号值。
[0033] 对1号天线和2号天线构成的基线建立双差载波相位观测方程组：
[0034]
[0035] 对1号天线和3号天线构成的基线建立双差载波相位观测方程组：
[0036]
[0037] 对2号天线和3号天线构成的基线建立双差载波相位观测方程组：
[0038]
[0039] 其中，λ为GNSS系统的
波长；(Δxij,Δyij,Δzij)为i号天线和j号天线构成的基线在三维空间坐标系中的三轴坐标差；(lx,a,ly,a,lz,a)为第a颗可视卫星信号相对用户粗位置的来向矢量，在三维空间坐标系中的三个坐标轴方向的投影。
[0040] 根据(2)式和(3)式所示的方程组，分别解算(Δx12,Δy12,Δz12)和(Δx13,Δy13,Δz13)；获得8组基线解；对每一组基线解，求解基线长度估计量
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 进一步地，第三步具体为：
[0045] 将得出的8组基线长度估计量，与实际安装时的基线长度进行比较，构建检验量：
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 设定基线长度检验门限T；其中d12、d13、d23为真实的基线长度，|·|为取绝对值操作；将检验量与T进行比较判决。
[0050] 若Δd12、Δd13和Δd23三个中的任何一个检验量超过检验门限T，第k分组记为欺骗组合。
[0051] 若Δd12、Δd13和Δd23三个均没有超出检核门限，则第k分组记为非欺骗组合。
[0052] 进一步地，第四步中，若Mnon-cheat＝0，则对所有N颗可视卫星，改变分组方式进行重组，形成重组组合，每获得一组重组组合即构建观测方程组，求解基线长度估计量并进一步判断该重组组合是否为欺骗组合，直至有一组重组组合为非欺骗组合之后，按照Mnon-cheat≠0的情况执行第四步。
[0053] 进一步地，第五步中定位的具体步骤为：
[0054] 非欺骗卫星数量Nnon-cheat≥4的情况下，针对1～3号天线对应的点位，分别列出伪距定位观测方程；
[0055] 1号天线对应的伪矩定位观测方程是：
[0056]
[0057] 其中，ρi,a表示由GNSS信号分集接收机阵列输出，对应于第i号天线和第a颗卫星的伪距观测量； 对应于根据无人机粗位置(x0,y0,z0)、通过星历数据计算出的可视卫星位置，计算出的i号天线与第a颗可视卫星之间的初始距离；(Δx1,Δy1,Δz1)为在无人机粗位置(x0,y0,z0)基础上拟求解的无人机位置矢量改正量，(ΔT1,ΔT2,ΔT3)为1～3号天线分别对应的GNSS接收机钟差；c为光速。
[0058] 2号天线对应的观测方程是：
[0059]
[0060] 3号天线对应的观测方程是：
[0061]
[0062] 其中，(Δx12,Δy12,Δz12)为1号天线与2号天线之间的基线向量；(Δx13,Δy13,Δz13)是1号天线与3号天线之间的基线向量；
[0063] 将(21)式、(22)式和(23)式联立，构成联合三个天线的伪距定位方程组，运用最小二乘
迭代求解算法，解出1号天线对应的无人机位置。
[0064] 进一步地，第五步中定位的具体步骤为：
[0065] 非欺骗卫星数量Nnon-cheat>4的情况下，对1～3号天线对应的点位，分别列出载波
相位差分定位观测方程。
[0066] 其中双差载波相位观测量是：
[0067]
[0068] 其中，下标中的1、2、3表示三个天线，下标b表示地面基准站；下标中的a和r分别表示第a颗卫星和第r颗卫星；{·}表示在四舍五入取整操作；[·+1/2]的基础上，进行的取小数操作，相互之间的数学关系是：{·}＝·-[·+1/2]； 为已知量，是地面基准站b观测到的第a颗和第r颗卫星对应的载波相位原始观测量； 和
是三个天线分别观测第a颗和第r颗卫星获得的载波相位原始观测量； 和
分别是在原始观测量基础上，构造的载波相位双差观测量。
[0069] 1号天线对应的载波相位差分定位观测方程是：
[0070]
[0071] 其中， 对应于根据无人机粗位置、基准站已知位置，以及从星历计算出的卫星位置计算得出的双差初始距离， 对应于通过(24)式计算出的双差整周模糊度；
(Δx1,Δy1,Δz1)是在无人机粗位置基础上，地面基准站与无人机1号天线之间基线的改正向量。
[0072] 2号天线对应的载波相位差分定位观测方程是：
[0073]
[0074] 3号天线对应的载波相位差分定位观测方程是：
[0075]
[0076] 其中，Ambiguity12,ar和Ambiguity13,ar为无人机上1、2号天线和1、3号天线之间的载波相位整周模糊度。
[0077] 通过(24)式得到方程组左端的观测量，并将(25)式、(26)式与(27)式联立，构成特定观测历元下的观测方程组，将持续多个历元的观测方程组联立，根解出对应于1号天线的无人机位置参数。
[0078] 有益效果：
[0079] 1、本发明提供的微、轻型无人机GNSS反欺骗系统利用基于通用GNSS接收单元和计算单元组成的
硬件系统，其硬件结构简单明了，在功耗、体积、重量等方面对无人机的要求低，具有成本低、易实现、易在无人机上部署等特点，尤其适用于微型和轻型无人机。
[0080] 2、本发明在上述微、轻型无人机GNSS反欺骗系统的基础上给出了一种欺骗信号检测与导航方法，利用了现有欺骗式干扰技术中，欺骗信号实际来向难以完全与星历指示的信号来向相匹配的漏洞，基于简单的三天线阵列和相应的通用观测数据，进行欺骗信号检测，能够从接收到的GNSS信号中有效地鉴别欺骗信号和非欺骗信号，实现无人机GNSS导航，并可以有效区分GNSS欺骗信号与正常的GNSS信号。
[0081] 3、本发明给出欺骗信号检测与导航方法，利用了无人机实际飞行过程中，由于欺骗信号发播视距受遮挡、发播功率
波动、发播天线指向不准、欺骗信号不
覆盖全部正常卫星信号等原因，无人机上的GNSS模块有可能间隙性锁定正常卫星信号的有利条件，及时地利用了正常卫星的信号，进行姿态测量、伪距定位和载波相位定位，一体化地实现了反欺骗、姿态测量、伪距定位、载波相位差分定位的功能。
[0082] 4、本发明给出了姿态测量、伪距定位和载波相位定位观测方程组，有效地综合利用了三个天线对应的GNSS接收机单元测量得到的伪距和载波相位数据，基于三个天线分集安装带来的多径误差独立性，以及随机误差的独立性，能有效提升姿态测量、伪距定位和载波相位定位的性能。各项功能的计算过程互相承接，共用计算过程中的各种中间结果，计算效率高，有利于在无人机这种低承载能力的平台上实现。
附图说明
[0083] 图1为本发明
实施例给出的微、轻型无人机GNSS反欺骗系统组成
框图。
[0084] 图2为本发明实施例给出的应用于微、轻型无人机GNSS反欺骗系统的欺骗信号检测与导航方法
流程图。
具体实施方式
[0085] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0086] 本发明提供了微、轻型无人机GNSS反欺骗系统，如图1所示，包括GNSS信号分集接收阵列以及计算单元。
[0087] GNSS信号分集接收阵列包括3个GNSS接收单元。
[0088] GNSS接收单元由1个GNSS接收模块以及与其对应的1个GNSS天线组成，其中3个GNSS天线在无人机上按品字形非共线固定安装，3个GNSS天线两两之间的间距在设定的数值范围内，GNSS天线采集GNSS卫星信号，并通过射频电缆向其对应的GNSS接收模块发送
GNSS卫星信号。
[0089] 具体地，3个GNSS天线在轻小型无人机上课按照圆周品字形固定安装在圆形金属天线托盘上。其中3个GNSS天线间距为GNSS系统L1频点信号的半波长(若为GPS系统，则λ/2≈9.5cm，λ为GPS系统L1频点信号的波长，λ≈19.04cm)，用以简化后续计算中双差载波相位观测量整周模糊度的标定过程，并将金属托盘半径控制在7cm以内，确保对无人机载荷安装面积的占用最小。
[0090] 本发明所提供的反欺骗系统，后续需要进行欺骗信号的检测与导航，因此需要至少3个GNSS接收单元才可完成，综合考虑载荷与功耗，本发明实施例选取3个GNSS接收单元。要将3个GNSS天线安装在无人机上，考虑占地面积等因素，圆周品字形的安装可以使得占地面积最小，因此本发明实施例中给出的3个GNSS接收单元，以及3个GNSS天线的圆周品字形安装设计代价最小，特别适合搭载用于轻小型无人机。
[0091] GNSS接收模块对GNSS卫星信号进行捕获、跟踪，生成伪距观测原始数据或者载波相位观测原始数据、以及星历数据；
[0092] 伪距和载波相位观测原始数据和星历数据发送至计算单元；
[0093] 计算单元接收伪距观测原始数据或者载波相位观测原始数据、以及星历数据，进行欺骗信号检测和导航，包括：区分欺骗信号和非欺骗信号对应的数据，向无人机发出警报信号，并在非欺骗信号数量达到设定个数的情况下，计算无人机定位结果以及姿态结果。
[0094] 计算单元中使用伪矩观测原始数据或者载波相位观测原始数据均可以结合星历数据进行欺骗信号检测和导航，其中载波相位观测原始数据相比伪矩观测原始数据其在进行解算时精确度更高。
[0095] 基于上述轻小行无人机的GNSS反欺骗系统的硬件结构，本发明实施例还提供了欺骗信号检测与导航方法，在该方法中，计算单元获取伪距观测数据或者载波相位观测数据、以及星历数据，其中的3个GNSS天线分别记为1号天线、2号天线和3号天线，该方法采用如下步骤进行欺骗信号检测和导航，具体流程如图2所示：
[0096] 第一步，根据星历数据，计算卫星位置；并获取所有可视卫星的载波相位观测值。
[0097] 具体地，预先已知无人机粗位置(x0,y0,z0)；(x0,y0,z0)为无人机的空间坐标；
[0098] 通过星历数据计算出全部N颗可视卫星的位置(xa，ya，za)，a＝l～N；(xa,ya,za)为第a颗可视卫星的空间坐标；
[0099] 获取N颗可视卫星对应的载波相位观测值为： 为第a颗可视卫星对应的载波相位观测值。
[0100] 从N颗可视卫星中，4颗一组进行分组组合，任意两个分组间的可视卫星不重复，可最大程度减少分组数量，共获得M个分组，取第k分组，执行第二步和第三步，k初始值为1,取值范围为[1,M]。
[0101] 在进行4颗一组的分组组合时，对于N不是4的整数倍的情况，则采用星历数据计算可视卫星在用户粗位置对应的站心坐标系下的仰角，排除仰角最低的1～3颗卫星，不参与分组。
[0102] 第二步，针对第k分组构建双差载波相位观测方程组，求解基线长度估计量。
[0103] 针对第k分组构建观测方程组，其中第k分组中的4颗可视卫星编号分别为(k1,k2,k3,k4)，计算双差观测量：
[0104]
[0105] 其中，{·}表示在四舍五入取整操作；[·+1/2]基础上，进行的取小数操作，相互之间的数学关系是：{·}＝·-[·+1/2]； 为j号天线相对于i号天线在第a颗可视卫星和第r颗可视卫星之间的载波相位双差观测量，Ambiguityij,a,r为 的整周模糊度；
其中i和j均为1～3之间的整数编号值；a和r均为1～N之间的整数编号值。由于天线间距不超过λ/2，当 时，Ambiguity在0或-1中取值，当 时，Ambiguity在0或1中取
值。
[0106] 对1号天线和2号天线构成的基线建立双差载波相位观测方程组：
[0107]
[0108] 对1号天线和3号天线构成的基线建立双差载波相位观测方程组：
[0109]
[0110] 对2号天线和3号天线构成的基线建立双差载波相位观测方程组：
[0111]
[0112] 其中，λ为GNSS系统的波长(若为GPS系统，λ≈19cm，为GPS系统L1频点的波长)；(Δxij,Δyij,Δzij)为i号天线和j号天线构成的基线在三维空间坐标系中的三轴坐标差；(lx,a,ly,a,lz,a)为第a颗可视卫星信号相对用户粗位置的来向矢量，在三维空间坐标系中的三个坐标轴方向的投影。
[0113] 根据(2)式和(3)式所示的方程组，分别解算(Δx12,Δy12,Δz12)和(Δx13,Δy13,Δz13)；由于每一个双差载波相位观测量都存在整周模糊组合，共获得8组基线解；对每一组基线解，求解基线长度估计量
[0114]
[0115]
[0116]
[0117] 其中 也可由(4)式解出，但通过(7)式求解一般更为简单。
[0118] 第三步，将基线长度估计量与实际安装时的基线长度之间的差距作为检验量，检验量不超过检验门限时，第k分组为非欺骗组合，否则第k分组为欺骗组合。
[0119] 当k＝M时执行第四步，否则k自增1，返回第二步。
[0120] 将得出的8组基线长度估计量，与实际安装时的基线长度进行比较，构建检验量：
[0121]
[0122]
[0123]
[0124] 设定基线长度检验门限T，一般的载波相位观测随机误差水平在1/100·λ左右，相应的检核门限可设为T＝λ/10左右；其中d12、d13、d23为真实的基线长度，|·|为取绝对值操作；将检验量与T进行比较判决。
[0125] 若Δd12、Δd13和Δd23三个中的任何一个检验量超过检验门限T，即判定该第k分组中的4颗卫星中，至少有一个欺骗信号，第k分组记为欺骗组合；
[0126] 若Δd12、Δd13和Δd23三个均没有超出检核门限，则第k分组记为非欺骗组合。
[0127] 针对8组不同的整周模糊度Ambiguity组合，同一基线得出的8组基线长度检验量，只有一组有可能通过检验。
[0128] 第四步、获得欺骗组合的个数为Mcheat，非欺骗组合的个数为Mnon-cheat。
[0129] 若Mnon-cheat＝0，则对所有N颗可视卫星，改变分组方式进行重组，形成重组组合，每获得一组重组组合即构建观测方程组，求解基线长度估计量并进一步判断该重组组合是否为欺骗组合，直至有一组重组组合为非欺骗组合之后，按照Mnon-cheat≠0的情况执行本步骤。
[0130] 当Mnon-cheat≠0时，对于Mcheat个欺骗组合中的每一个分组中的4颗卫星，总共4·Mcheat个卫星，记为可能的欺骗卫星。
[0131] 从Mnon-cheat个非欺骗组合中选取一组最优的非欺骗卫星组合，选取的规则是，解算基线长度与真实基线长度之间的差异Δdnon-cheat＝Δd12+Δd13+Δd23最小。
[0132] 从当前Mcheat个欺骗卫星组合中，逐个选择可能的欺骗卫星，替代最优非欺骗卫星组合中的一颗卫星，形成新的卫星组合，将该新的卫星组合重新构建观测方程组，求解基线长度估计量，并进一步判断该新的卫星组合是否为欺骗组合，若是，则当前可能的欺骗卫星为欺骗卫星；否则，当前可能的欺骗卫星为非欺骗卫星，继续选取下一个可能的欺骗卫星继续进行判断；直至遍历所有的可能的欺骗卫星，最终区分出所有的欺骗卫星与非欺骗卫星。在分别鉴别所有的可能欺骗卫星的基础上，进一步鉴别第一步中未分组的1～3颗卫星，完成对所有卫星的鉴别。
[0133] 第五步，利用非欺骗卫星对应的伪距观测量或载波相位观测量，以及相应的星历数据，进行定位和定姿，并将定位结果传送给无人机进行导航；同时，将欺骗卫星的信息，一并传送给无人机，对无人机进行欺骗信号报警。
[0134] 本发明所涉及无人机反欺骗定姿
数据处理方案通过嵌入式
软件方式，在硬件配置方案中的欺骗信号检测与导航计算单元中实现。详细解释如下：
[0135] 基于前述欺骗干扰识别的结果，在非欺骗卫星信号数量Nnon-cheat≥4的情况下，首先任选一个天线，进行标准的伪距单点定位(具体算法可参见相关文献，这里不再赘述)，单点定位结果作为无人机的粗位置，计算(lx,ly,lz)。在此基础上，根据(1)式计算双差载波相位观测量，并进一步构建由(Nnon-cheat-1)个方程构成的双差方程组。
[0136] 针对1号对2号天线基线的方程组是：
[0137]
[0138] 针对1号对3号天线基线的方程组是：
[0139]
[0140] 其中方程左端的载波相位双差观测量依据(1)式获得。
[0141] 采用最小二乘法，从(11)式和(12)式分别解算(Δx12,Δy12,Δz12)和(Δx13,Δy13,Δz13)，分别重新记作(x12，0,y12，0,z12，0)和(x13，0,y13，0,z13，0)，并令：
[0142] (x23，0,y23，0,z23，0)＝(x13，0-x12，0,y13，0-y12，0,z13，0-z12，0) (13)[0143] 表示对两两基线坐标的初次(第0次)迭代结果，用于在此基础上进行精细迭代计算。注意到，由于整周模糊度的影响，每一个载波相位双差观测量都有两种可能的取值，在通过(11)式和(12)式计算基线向量解时，需确定整周模糊度Ambiguity。鉴于本发明设计的特殊天线布局，(1)式对应的整周模糊度Ambiguity只在(0,1)或(0,-1)中取值，能够比较容易地确定整周模糊度，具体算法在此不再赘述。
[0144] 进一步引入天线布局的先验信息约束。以两两天线之间的基线长度d为已知观测量的观测方程是：
[0145]
[0146] 对(14)式在(x12，0,y12，0,z12，0)、(x13，0,y13，0,z13，0)和(x23，0,y23，0,z23，0)附近进行线性化：
[0147]
[0148] 其中，
[0149]
[0150] 将(11)式、(12)式分别改写成：
[0151]
[0152] 将(15)式、(17)式和(18)式联立，并代入前面已求得的整周模糊度Ambiguity，形成新的观测方程组。对方程组进行最小二成求解，求解过程中注意合理设置观测误差矩阵，可一并求得(δx12,δy12,δz12)、(δx13,δy13,δz13)和(δx23，0,δy23，0,δz23，0)。进一步求得新的基线解算值(x12,1,y12,1,z12,1)、(x13，1,y13，1,z13，1)和(x23，1,y23，1,z23，1)：
[0153]
[0154] 将新的解算值用作初值，进一步进行迭代，直到解算值达到稳定后，作为最终的基线解算值输出，重新记为：
[0155]
[0156] 从基线解算值(Δx12,Δy12,Δz12)、(Δx13,Δy13,Δz13)和(Δx23,Δy23,Δz23)出发，根据坐标轴旋转和坐标系变换的通用规则，最终求得无人机在站心坐标系下的
俯仰角、
横滚角和
偏航角，具体公式不再赘述。
[0157] 值得说明的是，Ambiguity12,ar和Ambiguity13,ar可在天线间基线的解算过程中一并解得，并进一步用到本
说明书后面接着给出的无人机载波相位差分定位方法中。
[0158] 本发明实施例给出一种非欺骗卫星不少于4颗时的伪距定位数据处理方案，应用于第五步的定位。
[0159] 伪距定位是GNSS定位的基本方式，进一步可细分为基于观测伪距的直接定位和基于基准站辅助的伪距差分定位两种模式。以下描述的方案，对以上两种伪距定位模式都适用。非欺骗卫星数量Nnon-cheat≥4的情况下，针对1～3号天线对应的点位，分别列出伪距定位观测方程；
[0160] 1号天线对应的伪矩定位观测方程是：
[0161]
[0162] 其中，ρi,a表示由GNSS信号分集接收机阵列输出，对应于第i号天线和第a颗卫星的伪距观测量； 对应于根据无人机粗位置(x0,y0,z0)、通过星历数据计算出的可视卫星位置，计算出的i号天线与第a颗可视卫星之间的初始距离；(Δx1,Δy1,Δz1)为在无人机粗位置(x0,y0,z0)基础上拟求解的无人机位置矢量改正量，(ΔT1,ΔT2,ΔT3)为1～3号天线分别对应的GNSS接收机钟差；c为光速；
[0163] 2号天线对应的观测方程是：
[0164]
[0165] 3号天线对应的观测方程是：
[0166]
[0167] 其中，(Δx12,Δy12,Δz12)为1号天线与2号天线之间的基线向量；(Δx13,Δy13,Δz13)是1号天线与3号天线之间的基线向量；
[0168] 将(21)式、(22)式和(23)式联立，构成联合三个天线的伪距定位方程组，运用最小二乘迭代求解算法，解出1号天线对应的无人机位置。
[0169] 本发明实施例同时给出一种非欺骗卫星多于4颗时的载波相位差分定位数据处理方案，应用于第五步的定位。
[0170] 基于前述欺骗干扰识别的结果，利用三个天线对应的载波相位观测数据，可实现载波相位差分定位。定位的具体步骤为：
[0171] 非欺骗卫星数量Nnon-cheat>4的情况下，对1～3号天线对应的点位，分别列出载波相位差分定位观测方程；
[0172] 其中双差载波相位观测量是：
[0173]
[0174] 其中，下标中的1、2、3表示三个天线，下标b表示地面基准站；下标中的a和r分别表示第a颗卫星和第r颗卫星；{·}表示在四舍五入取整操作；[·+1/2]的基础上，进行的取小数操作，相互之间的数学关系是：{·}＝·-[·+1/2]； 为已知量，是地面基准站b观测到的第a颗和第r颗卫星对应的载波相位原始观测量； 和
是三个天线分别观测第a颗和第r颗卫星获得的载波相位原始观测量； 和
分别是在原始观测量基础上，构造的载波相位双差观测量；
[0175] 1号天线对应的载波相位差分定位观测方程是：
[0176]
[0177] 其中， 对应于根据无人机粗位置、基准站已知位置，以及从星历计算出的卫星位置计算得出的双差初始距离， 对应于通过(24)式计算出的双差整周模糊度；(Δ
x1,Δy1,Δz1)是在无人机粗位置基础上，地面基准站与无人机1号天线之间基线的改正向量；
[0178] 2号天线对应的载波相位差分定位观测方程是：
[0179]
[0180] 3号天线对应的载波相位差分定位观测方程是：
[0181]
[0182] 其中，Ambiguity12,ar和Ambiguity13,ar为无人机上1、2号天线和1、3号天线之间的载波相位整周模糊度；可结合(24)式给出的观测量构建方程，通过定姿过程中给出的无人机上两两天线基线的矢量解，以及无人机与GNSS卫星间的几何关系求得，具体算法在此不再赘述。(Δx12,Δy12,Δz12)、(Δx13,Δy13,Δz13)是定姿步骤中解算出的三个天线之间基线向量的结果，在此已成为已知量，如(20)式所示。另外，需要特别指出的是，(26)式和(27)式中等号右端的第一项都是 而不是 或 同样，(26)式和(27)式中等号右端的整周模糊度未知量都是 而不是 或
[0183] 通过(24)式得到方程组左端的观测量，并将(25)式、(26)式与(27)式联立，构成特定观测历元下的观测方程组，将持续多个历元的观测方程组联立，据传统已有的载波相位差分解算通用方法，即可解出对应于1号天线的无人机位置参数。
[0184] GNSS欺骗原理的核心是仿造正常GNSS卫星的信号，使GNSS用户接收机锁定到仿造的信号上，使得GNSS用户获得错误的位置信息。对正常GNSS卫星信号的仿造，无非是以下几个方面：一是对信号格式(含信号的调制方式、电文格式、信号功率、信号的时延、信号的多普勒频移等等)的综合仿造，二是对不同卫星信号的来向仿造。
[0185] 在欺骗的实施方式上，一般分为实时接收真实信号-转发式发播、自主生成仿造GNSS信号-发播、实时接收-信号改造-发播三种方式。对信号格式的仿造，主要体现在上述三种方式的前半部分，而对信号来向的仿造，主要体现在信号的发播环节。在信号发播的方式上，一般有两种方式，一是在同一个地点，统一仿造GNSS信号，向GNSS用户进行发播；二是利用多个处在不同位置的发射点，协同发播欺骗信号。其中第二种方式发播方式，需要在多个地理位置上进行高精度的协同，随着背景技术的不断发展，多点协同发播欺骗信号，已经逐渐成为欺骗技术的发展方向。从目前的欺骗技术发展情况看，即使采用多点发播的方式来仿造信号来向，尚难以做到信号来向与信号电文中的卫星星历位置的良好匹配，是现有GNSS欺骗技术的突出弱点，值得在反欺骗技术中加以利用。
[0186] 与GNSS信号仿造技术相对应，在反欺骗方面，信号级的反欺骗的技术途径(对于基于其他外部辅助信息，如惯性测量信息等的反欺骗措施，这里不再讨论)，无非是识别信号格式和信号来向两种。随着数据处理芯片、高精度时钟、
微波电子技术等背景技术的发展，对GNSS信号格式的仿真，目前已达到很高的水平，并且会变得越来越逼真。从反欺骗的角度看，单纯通过识别信号格式来检测是否受到了欺骗，难度将会越来越大。从发展趋势上看，将信号格式识别与信号来向识别相结合起来的反欺骗措施，有着巨大的发展前景。
[0187] 本发明核心物理本质是，从卫星在天空中的位置(GNSS SkyMap)维度，通过比对星历数据所表征的GNSS SkyMap，与实际物理信号所表征的GNSS SkyMap，通过两者之间的一致性，来分辨欺骗信号。
[0188] 综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
