基于波达方向姿态反解的GNSS抗干扰抗诱骗方法及系统与流程

本发明涉及卫星导航，更具体地说，它涉及基于波达方向姿态反解的gnss抗干扰抗诱骗方法及系统。

背景技术：

1、全球卫星导航系统（gnss）信号功率微弱，极易受到有意或无意的干扰（jamming）与诱骗（spoofing）攻击，导致接收机性能下降乃至输出错误导航信息，对关键基础设施与安全应用构成严重威胁。主流的抗干扰主要依靠空域自适应波束形成技术，通过对干扰信号来向形成波束图零陷以实现抑制；抗诱骗则主要通过信号层面的特征检测（如功率、相关性、多普勒等）或空域到达角（doa）一致性校验来实现。

2、然而，现有综合抗干扰与抗诱骗方案在实际应用中仍存在显著局限：首先，多数基于空域滤波的方案高度依赖高精度的载体姿态信息作为波束指向基准，为了实现稳定的高性能，通常需要搭载光纤或激光陀螺等高精度惯性测量单元（imu），导致系统成本居高不下且功耗增加，难以在低功耗或成本敏感的民用平台普及；其次，部分抗诱骗方案在工程实现上存在缺陷，例如通过人为在真实卫星预测方向生成主动零陷以抑制真实信号，再通过检测残留信号的相关峰来判断诱骗存在，这种方法不仅可能直接导致正常定位所必需的卫星信号丢失，特别是在信号微弱环境下，而且未能与导航解算形成深度闭环，在持续诱骗或复杂干扰环境下缺乏维持定位能力的机制。此外，当面对高强度或复杂多样的干扰与诱骗时，传统空域滤波方案往往因大量卫星信号被误抑制或无法正确捕获而导致可用卫星数量迅速减少，一旦可用卫星数低于定位解算所需的最小值，或几何精度因子（gdop）恶化，系统将被迫中断定位输出，无法满足高可靠性应用对连续服务的要求。

3、因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的基于波达方向姿态反解的gnss抗干扰抗诱骗方法及系统是目前急需解决的问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于波达方向姿态反解的gnss抗干扰抗诱骗方法及系统，通过构建基于波达方向姿态反解与动态闭环校正的架构，利用gnss星历与导航解算结果计算卫星预测到达方向，以此为主瓣约束并在非卫星方向设置旁瓣抑制约束生成阵列组合权向量，从而在空间域天然压制非卫星方向的干扰与诱骗信号；同时，通过阵列实测到达方向与预测到达方向的残差，结合包含陀螺零偏与加速度计零偏的状态量进行卡尔曼滤波反解载体姿态，降低了系统对初始惯性器件精度的要求，使得采用低成本mems（micro-electro-mechanical system）级imu即可满足波束指向需求。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、第一方面，提供了基于波达方向姿态反解的gnss抗干扰抗诱骗方法，包括以下步骤：

4、针对每一颗待跟踪卫星，基于gnss星历、载体空间位置与时间信息计算该卫星相对于载体的视线单位向量，结合初始载体姿态将所述视线单位向量变换至阵列坐标系，得到各待跟踪卫星在阵列坐标系下的预测到达方向；

5、针对每一颗待跟踪卫星，以所述预测到达方向作为主瓣指向约束构建阵列组合权向量，并在除卫星预测到达方向之外的角域设置旁瓣抑制约束，使阵列波束图在所述角域内的增益不高于预设的旁瓣上限；

6、使用所述阵列组合权向量对阵列多通道信号进行合成，得到对应卫星的定向增强基带信号，并基于所述定向增强基带信号执行捕获、跟踪与测量；

7、基于阵列多通道信号估计各卫星的实测到达方向，计算所述实测到达方向与所述预测到达方向的残差，以所述残差为量测，通过卡尔曼滤波反解得到校正后的载体姿态；所述卡尔曼滤波的状态量包含陀螺零偏、加速度计零偏；

8、基于所述校正后的载体姿态更新所述预测到达方向，并调整所述阵列组合权向量。

9、进一步的，所述计算该卫星相对于载体的视线单位向量，包括：

10、根据所述gnss星历计算卫星在地心地固坐标系下的位置，以及载体在地心地固坐标系下的载体空间位置，将两者作差得到视线向量，对所述视线向量归一化得到视线单位向量；

11、将所述视线单位向量通过坐标变换矩阵转换至当地东北天坐标系，再通过载体姿态矩阵转换至阵列坐标系，得到所述预测到达方向。

12、进一步的，所述除卫星预测到达方向之外的角域为全角域扣除各卫星预测到达方向的角窗圆锥域后的集合；

13、其中，所述角窗圆锥域由所述预测到达方向与任意方向的夹角不大于角窗阈值所限定；

14、以及，所述角窗阈值根据定位/授时不确定度、姿态不确定度、阵列口径与环境噪声中的至少一项自适应调整。

15、进一步的，所述阵列组合权向量通过以下约束优化得到：

16、最小化阵列合成输出功率，同时满足：在预测到达方向保持单位增益，以及在所述除卫星预测到达方向之外的角域内，任意方向的波束增益不高于所述旁瓣上限；

17、当存在已知强干扰方向时，在所述强干扰方向设置零陷约束，使该方向的波束增益为零。

18、进一步的，所述卡尔曼滤波的量测残差权重根据对应卫星方向上相控阵天线的角度测量精度设置：高仰角卫星的残差权重高于低仰角卫星的残差权重。

19、进一步的，该方法还包括：

20、周期性评估卫星跟踪指标，剔除指标低于阈值的卫星，同时在旁瓣抑制域扫描新卫星，验证其空间一致性后纳入可用卫星集合；

21、当可用卫星数量不低于预设最小数量且几何精度因子满足阈值时，输出定位结果。

22、进一步的，该方法还包括：

23、统计预设周期内各卫星的载噪比，当任意卫星的载噪比与当前可用卫星集合中其余卫星的平均载噪比的差值大于预设差值阈值时，将该卫星判定为离群卫星并予以剔除。

24、进一步的，该方法还包括：

25、当检测到卫星信号的载噪比低于预设干扰判定阈值时，判定存在强干扰；

26、响应于存在强干扰，对所述阵列组合权向量进行主瓣展宽处理，以提升主瓣增益；

27、或根据干扰类型自适应调整干扰方向的零陷深度，其中所述干扰类型为窄带干扰或宽带干扰。

28、进一步的，初始化阶段载体处于静止或低动态状态时，还包括：

29、通过惯性测量单元进行惯导粗对准，得到所述初始载体姿态；

30、基于已捕获卫星的实测到达方向与预测到达方向的残差，对所述初始载体姿态进行迭代校正；

31、当所述初始载体姿态的校正量小于预设收敛阈值时，判定初始化完成，并将当前的姿态作为校正后的载体姿态。

32、第二方面，提供了基于波达方向姿态反解的gnss抗干扰抗诱骗系统，包括：

33、方向预测模块，用于针对每一颗待跟踪卫星，基于gnss星历、载体空间位置与时间信息计算该卫星相对于载体的视线单位向量，结合初始载体姿态将所述视线单位向量变换至阵列坐标系，得到各待跟踪卫星在阵列坐标系下的预测到达方向；

34、向量生成模块，用于针对每一颗待跟踪卫星，以所述预测到达方向作为主瓣指向约束构建阵列组合权向量，并在除卫星预测到达方向之外的角域设置旁瓣抑制约束，使阵列波束图在所述角域内的增益不高于预设的旁瓣上限；

35、信号合成模块，用于使用所述阵列组合权向量对阵列多通道信号进行合成，得到对应卫星的定向增强基带信号，并基于所述定向增强基带信号执行捕获、跟踪与测量；

36、姿态反解模块，用于基于阵列多通道信号估计各卫星的实测到达方向，计算所述实测到达方向与所述预测到达方向的残差，以所述残差为量测，通过卡尔曼滤波反解得到校正后的载体姿态；所述卡尔曼滤波的状态量包含陀螺零偏、加速度计零偏；

37、更新控制模块，用于基于所述校正后的载体姿态更新所述预测到达方向，并根据更新后的预测到达方向调整所述阵列组合权向量，以实现gnss抗干扰与抗诱骗。

38、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

39、1、本发明提供的基于波达方向姿态反解的gnss抗干扰抗诱骗方法，通过构建基于波达方向姿态反解与动态闭环校正的架构，利用gnss星历与导航解算结果计算卫星预测到达方向，以此为主瓣约束并在非卫星方向设置旁瓣抑制约束生成阵列组合权向量，从而在空间域天然压制非卫星方向的干扰与诱骗信号；同时，通过阵列实测到达方向与预测到达方向的残差，结合包含陀螺零偏与加速度计零偏的状态量进行卡尔曼滤波反解载体姿态，降低了系统对初始惯性器件精度的要求，使得采用低成本mems级imu即可满足波束指向需求；此外，通过校正后的载体姿态实时更新预测到达方向与权向量，形成从信号处理到姿态解算的深度闭环，确保了在载体机动或长时间运行后，依然能够维持高增益的卫星信号接收和强鲁棒性的抗干扰抗诱骗能力，实现了无需主动抑制真实卫星信号即可抗诱骗，并在恶劣环境下保障定位服务的连续性与高可用性。

40、2、本发明通过允许角窗阈值根据定位/授时不确定度、姿态不确定度、阵列口径与环境噪声中的至少一项自适应调整，能够在误差较大时自动放宽角窗以避免误伤真实卫星，在精度较高时收紧角窗以增强对非卫星方向的抑制，实现了抗干扰性能与卫星捕获率之间的动态平衡，确保了波束形成算法在各种工况下的鲁棒性与有效性。

41、3、本发明通过在阵列组合权向量的约束优化目标中引入最小化阵列合成输出功率的原则，并针对已知强干扰方向叠加零陷约束，确保了在预测到达方向保持单位增益以无失真接收卫星信号的同时，能够利用阵列剩余自由度在非卫星方向域最大限度地压制干扰，并在已知干扰方向形成深零点，从而在保证高信噪比接收的前提下，显著提升了对宽带噪声、扫频干扰及高功率同频干扰的抑制能力，增强了系统在密集干扰环境下的生存性与定位精度。

42、4、本发明通过设计卡尔曼滤波的量测残差权重机制，并结合初始化阶段的惯导粗对准与基于残差的迭代校正机制，充分利用了高仰角卫星受多径效应影响小、阵列测向精度高的特点，赋予其更大的滤波权重，从而有效压制了低精度imu的漂移；同时，通过迭代校正直至姿态收敛，确保了在启动阶段即可获得高精度的初始载体姿态，为后续的动态导航提供了可靠的姿态基准，大幅降低了对高精度惯性器件的依赖，降低了系统成本。

43、5、本发明通过建立周期性评估卫星跟踪指标、剔除低指标卫星、在旁瓣抑制域扫描并验证新卫星以动态维护可用卫星集合的机制，并叠加基于载噪比离群检测的导航卫星校验，能够智能隔离受干扰或欺骗的卫星信号，并主动在抑制域搜寻和验证新的可用卫星，确保当可用卫星数量不低于预设最小数量且几何精度因子满足阈值时持续输出定位结果，实现了卫星资源的动态扩充与优化，极大提升了系统在极端电磁环境下的连续服务能力和抗诱骗鲁棒性。