专利摘要
一种检测卫星时钟异常的方法,是将卫星信号解码后获取报文信息并发至CPU,由CPU判断报文信息中解读出的信息流是否正确,正确则控制时间处理模块用1PPS驯服PPS,并通过建立加权最小二乘估计模型估计出1PPS与世界标准时间之间的标准差及PPS的累积误差,估计出的标准差与GPS/BDS接收机的标准差设定值进行比较,小于设定值则由时间处理模块对PPS进行误差修正,并对修正后的PPS的时间间隔误差进行连续性和趋势性判断,无误则卫星时钟正常,输出修正后的PPS。本方法通过多环节检测,可有效识别卫星时钟是否异常,实现高精度时钟信号输出,防范卫星时钟异常对时间同步装置输出时间的影响。
权利要求
1.一种检测卫星时钟异常的方法,其特征在于,该方法步骤如下:
步骤1:GPS/BDS接收机对接收的卫星信号解码后输出报文信息和1PPS信号,并将报文信息传送至CPU,1PPS发送至时间处理模块;
步骤2:CPU接收GPS/BDS接收机发送的报文信息后,解读该报文信息并根据解读出的信息流对卫星时钟进行判断,当信息流正确时,则卫星时钟正常;否则卫星时钟异常;
步骤3:时间处理模块接收GPS/BDS接收机发送的1PPS,并由CPU控制1PPS是否驯服PPS,在CPU判断报文信息正常的情况下,用1PPS驯服PPS,同时建立加权最小二乘估计模型,估计出1PPS与世界标准时间之间的标准差,并将该标准差与阈值即GPS/BDS接收机的标准差设定值进行比较,若该标准差不小于阈值,则卫星时钟为异常,时间处理模块发出告警信号至CPU,CPU控制时间处理模块中止1PPS对PPS的驯服;若该标准差小于阈值,则由时间处理模块对PPS进行修正,然后对修正后的PPS的时间间隔误差进行连续性判断,若修正后的PPS的时间间隔误差不在1us内,则修正后的PPS的时间间隔误差不具连续性,卫星时钟异常;若修正后的PPS的时间间隔误差在1us内,则具有连续性,继续对修正后的PPS的时间间隔误差进行趋势性判断,即判断于修正后的PPS的时间间隔误差在1us内的条件下在不同时间窗下检查修正后的PPS的跳变是否存在持续累积增加或者减少的趋势,若是持续累积增加或减少,则修正后的PPS异常,卫星时钟存在安全风险,时间同步装置的输出时间以本地时钟为基准;否则,卫星时钟正常,卫星授时正常,将修正后的PPS发送至输出模块输出。
2.如权利要求1所述的一种检测卫星时钟异常的方法,其特征在于,所述步骤3中的建立加权最小二乘估计模型估计出1PPS与世界标准时间之间的标准差的计算过程如下:
(1)GPS/BDS接收机产生的秒脉冲与世界标准时间之间存在随机误差ε,ε服从正态分布:ε~N(0,δ
(2)在时间序列X∈N,x=1,2,3,4...n下,基于世界标准时间,设定GPS/BDS接收机输出的第i个秒脉冲
(3)对f(x
(4)测量PPS与1PPS之间的偏差y
(5)根据方差
3.如权利要求1所述的一种检测卫星时钟异常的方法,其特征在于,所述步骤3中对PPS进行修正的过程为:
(1)在时间序列x∈N下,设定本地高精度晶振输出第i个秒脉冲
(2)对f(x
(3)根据
4.如权利要求1所述的一种检测卫星时钟异常的方法,其特征在于,所述步骤3中修正后的PPS的时间间隔误差的计算过程如下:
(1)在时间序列x∈N下,设定输出第i个修正后的秒脉冲
(2)在时间序列x∈N下,设定输出的第i+1个修正后的秒脉冲
(3)则输出的第i+1个修正后的秒脉冲与输出第i个修正后的秒脉冲的时间间隔误差
(4)对f(x
(5)根据t
5.如权利要求1所述的一种检测卫星时钟异常的方法,其特征在于,所述步骤2中的信息流包括定位数据的有效性、锁定卫星数及秒级以上时间。
说明书
技术领域
本发明涉及卫星授时系统,具体涉及一种检测卫星时钟异常的方法。
背景技术
近年来,全球卫星定位系统潜藏的安全缺陷日益凸显。利用民用全球卫星导航系统采用明文传输导航电文,对欺骗攻击缺乏加密认证机制的缺陷,伊朗于2011年通过发布虚构卫星导航电文,诱骗降落捕获了一架美军无人机。后续研究表明,对基于GPS全球定位系统进行自动驾驶的邮轮、自动驾驶汽车等也能发起虚构导航电文进行卫星时钟同步攻击。此外,必须运行在统一时间基准上的电力监控系统同样可能遭受卫星时钟同步攻击。
究其原因,卫星时钟同步攻击可行性与现有卫星授时有着紧密的联系。传统上,时间同步装置优先采用GPS/BDS(北斗卫星)卫星为主时钟源,并以其为基准时钟对本地时钟进行定时,从而使得系统输出精准时间;失去GPS/BDS信号时,时间同步装置采用本地时钟信号为时间基准进行守时。
目前针对时间同步攻击威胁,电力系统发布新规范明确要求对卫星时钟进行连续性检测,连续性检测要求时钟差值在1us内;若大约1us,则判断GPS/北斗卫星时钟信号存在异常。新规范可以防止时间误差在1us以上的时钟攻击,但是针对时间误差在1us内的持续时钟攻击却不能有效的防范,即:如果每次攻击偏差在允许范围内,则通过持续的攻击可使系统时间误差值累积大于其允许值。以WAMS广域测控系统为例,如按每秒偏差0.2us进行持续攻击(在新规范的时间偏差允许范围内),持续600s同步时间攻击可造成0.12ms时间偏差,从而造成2.16°功角差,从可导致错误控制决策。
发明内容
本发明的目的是,克服上述现有技术的不足,提出了一种检测卫星时钟异常的方法,能有效识别异常卫星时钟,防止因GPS/BDS持续性欺骗干扰造成时间同步装置输出错误的时钟信息。
为达上述目的,本发明采用以下技术方案实现:一种检测卫星时钟异常的方法,该方法步骤如下:
步骤1:GPS/BDS接收机对接收的卫星信号解码后输出报文信息和1PPS信号,并将报文信息传送至CPU,1PPS发送至时间处理模块;
步骤2:CPU接收GPS/BDS接收机发送的报文信息后,解读该报文信息并根据解读出的信息流对卫星时钟进行判断,当信息流正确时,则卫星时钟正常;否则卫星时钟异常;
步骤3:时间处理模块接收GPS/BDS接收机发送的1PPS,并由CPU控制1PPS是否驯服PPS,在CPU判断报文信息正常的情况下,用1PPS驯服PPS,同时建立加权最小二乘估计模型,估计出1PPS与世界标准时间之间的标准差,并将该标准差与阈值即GPS/BDS接收机的标准差设定值进行比较,若该标准差不小于阈值,则卫星时钟为异常,时间处理模块发出告警信号至CPU,CPU控制时间处理模块中止1PPS对PPS的驯服;若该标准差小于阈值,则由时间处理模块对PPS进行修正,然后对修正后的PPS的时间间隔误差进行连续性判断,若修正后的PPS的时间间隔误差不在1us内,则修正后的PPS的时间间隔误差不具连续性,卫星时钟异常;若修正后的PPS的时间间隔误差在1us内,则具有连续性,继续对修正后的PPS的时间间隔误差进行趋势性判断,即判断于修正后的PPS的时间间隔误差在1us内的条件下在不同时间窗下检查修正后的PPS的跳变是否存在持续累积增加或者减少的趋势,若是持续累积增加或减少,则修正后的PPS异常,时间同步装置的输出时间以本地时钟为基准。否则,卫星时钟正常,卫星授时正常,将修正后的PPS发送至输出模块输出。
上述步骤3中的建立加权最小二乘估计模型估计出1PPS与世界标准时间之间的标准差的计算过程如下:
(1)GPS/BDS接收机产生的秒脉冲与世界标准时间之间存在随机误差ε,ε服从正态分布:ε~N(0,δ2),其中,δ为标准差,δ2为方差;
(2)在时间序列X∈N,x=1,2,3,4...N下,基于世界标准时间,设定GPS/BDS接收机输出第i个秒脉冲 并设定本地高精度晶振输出第i个秒脉冲 f(xi)为晶振累积误差函数,x=i;则晶振秒脉冲PPS与GPS/BDS秒脉冲1PPS的偏差
(3)对f(xi)进行加权最小二乘法估计,令 其中,W为加权系数,W∈(0,1);然后对S求关于f(xi)参数的偏导后得到标准方程组,再对标准方程组求解即可得到f(xi)的表达式,则在时间序列下,给定X计算得到f(xi)的值;
(4)测量PPS与1PPS之间的偏差yi,根据yi=f(xi)+εi,计算随机误差εi;
(5)根据方差 计算δ2,再计算标准差δ。
上述步骤3中对PPS进行修正的过程为:
(1)在时间序列x∈N下,设定本地高精度晶振输出第i个秒脉冲 f(xi)为晶振累积误差函数,i=x,
(2)对f(xi)进行加权最小二乘法估计,令 其中,W为加权系数,W∈(0,1);然后对S求关于f(xi)参数的偏导后得到标准方程组,再对标准方程组求解即可得到f(xi)的表达式,则计算得到f(xi);
(3)根据 计算 即为修改正后的PPS。
上述步骤3中修正后的PPS的时间间隔误差的计算过程如下:
(1)在时间序列x∈N下,设定输出第i个修正后的秒脉冲 f(xi)为晶振累积误差函数,x=i;
(2)在时间序列x∈N下,设定输出的第i+1个修正后的秒脉冲
(3)则输出的第i+1个修正后的秒脉冲与输出第i个修正后的秒脉冲的时间间隔误差 则ti=f(xi+1)-f(xi);
(4)对f(xi)进行加权最小二乘法估计,令 其中,W为加权系数,W∈(0,1);然后对S求关于f(xi)参数的偏导后得到标准方程组,再对标准方程组求解即可得到f(xi)的表达式,则在时间序列下,给定X计算得到f(xi);同理计算得到f(xi+1);
(5)根据ti=f(xi+1)-f(xi)计算ti。
上述步骤2中的基本信息包括定位数据的有效性、锁定卫星数及秒级以上时间。基本信息正确是指定位数据显示“A”时有效、锁定卫星数达到四颗以上且秒级以上时间信息一致。
本发明通过构建加权最小二乘法误差估计模型并选取相关的特征值(如GPS/BDS输出秒脉冲误差的标准差)与GPS/BDS接收机的标准差设定值进行比较进而判断卫星时钟是否异常;在输出前增设输出时间跳变及趋势性判断,对输出时间进行有效的检测;在判断GPS/BDS卫星信号失步或者异常时,通过构建的加权最小二乘法误差估计模型对本地高精度晶振秒脉冲PPS进行补偿(修正),实现精确授时。
本发明的有益效果:本发明通过分析电力系统中现有卫星授时系统中存在的安全隐患,结合时间同步的原理,通过多环节检测的方法识别卫星时钟是否异常,实现高精度时钟信号输出。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是本发明的检测方法流程图。
图2是本发明中1PPS随机误差统计图(横坐标表示1PPS)。
图3是本发明中1PPS正常情况下修正后的PPS的时间间隔误差统计图。
图4是本发明中1PPS异常情况下修正后的PPS的时间间隔误差统计图。
图3和图4中的横坐标表示修正后的PPS。
具体实施方式
本发明的一种检测卫星时钟异常的方法,是结合卫星授时原理,于时间同步装置中采用CPU分段对卫星时钟进行检测。
本发明为一种检测卫星时钟异常的方法,结合参见图1,其检测步骤具体如下:
步骤1:GPS/BDS接收机对接收的卫星信号解码后输出报文信息和1PPS信号,并将报文信息传送至CPU,1PPS发送至时间处理模块;
步骤2:CPU接收GPS/BDS接收机发送的报文信息后,解读该报文信息并根据解读出的信息流(包括定位数据有效性、锁定卫星数、秒级以上时间等)对卫星时钟进行判断,当定位数据显示“A”时有效、锁定卫星数达到四颗以上且秒级以上时间信息一致时,判断该报文信息信号正常,则卫星时钟正常;否则卫星时钟异常,卫星时钟存在安全风险,时间同步装置的输出时间以本地时钟为基准;
步骤3:时间处理模块接收GPS/BDS接收机发送的1PPS信号,并由CPU控制1PPS是否驯服PPS;在CPU判断报文信息正常的情况下,用1PPS驯服PPS;时间处理模块同时估算1PPS与世界标准时间之间的标准差,并将估算出的标准差与阈值(即GPS/BDS接收机的标准差设定值δ设)进行比较,若该标准差不小于阈值,则卫星时钟为异常,时间处理模块发出告警信号至CPU,CPU控制时间处理模块中止1PPS对PPS的驯服;若该标准差小于阈值,则由时间处理模块对PPS进行修正。
上述提及的用1PPS驯服PPS(即本地高精度晶振秒脉冲,称为PPS)的过程为本领域内的常规技术。
上述提及的1PPS与世界标准时间之间的标准差的估算,是根据GPS/BDS接收机的随机误差和本地高精度晶振的累积误差的特点,建立加权最小二乘估计模型进行的,具体如下:
GPS/BDS接收机产生的秒脉冲与世界标准时间之间存在随机误差ε,ε服从正态分布:ε~N(0,δ2),其中,δ为标准差,δ2为方差,δ和δ2能反映随机误差的离散程度。不同档次的GPS/BDS接收机,标准差设定值δ设不同(标准差设定值δ设由GPS/BDS接收机产品说明书中得知)。
在时间序列x∈N(x=1,2,3,4...N)下,基于世界标准时间,设定GPS/BDS接收机输出的第i个秒脉冲 其中,εi~N(0,δ2),为随机误差;并设定本地高精度晶振输出的第i个秒脉冲 为晶振累积误差函数,可以是直线模型,也可为一元多次模型,具体根据晶振精度需求而定;上二式中,i∈N(i=1,2,3,4...N),x=i。故晶振秒脉冲与GPS/BDS秒脉冲的偏差 偏差yi能通过电子器件鉴相器等测量得到。
分析时间序列X与偏差序列yi的相关特性,对f(xi)进行加权最小二乘法估计,令 其中W为加权系数,W∈(0,1),W根据本地高精度晶振应用环境及自身物理特性确定。然后对S求关于f(xi)参数的偏导后得到标准方程组,再对标准方程组求解得到f(xi)的表达式,则在时间序列下,给定X计算出f(xi)(f(xi)的计算过程为现有技术)。
根据yi=f(xi)+εi,则可计算得到随机误差εi。
根据方差 (现有技术),由此可计算得到δ2,从而得知标准差δ。
上述提及的对PPS进行修正的过程为:
在时间序列x∈N(x=1,2,3,4...N)下,设定本地高精度晶振输出第i个秒脉冲 f(xi)为晶振累积误差函数,i=x。而按步骤3中构建的加权最小二乘法估计模型能计算得到f(xi)值的表达式,从而在时间序列下,给定X则能计算得到f(xi)的值,从而计算得到 即修正后的PPS。
然后,时间处理模块对修正后的PPS的时间间隔误差进行连续性判断,若修正后的PPS的时间间隔误差不在1us内,则修正后的PPS的时间间隔误差不具连续性,卫星时钟异常;若修正后的PPS的时间间隔误差在1us内,则具有连续性,继续对修正后的PPS的时间间隔误差进行趋势性判断,即判断于修正后的PPS的时间间隔误差在1us内的条件下在不同时间窗下检查修正后的PPS的跳变是否存在持续累积增加或者减少的趋势,若是持续累积增加或减少,则修正后的PPS异常,卫星时钟存在安全风险,时间同步装置的输出时间以本地时钟为基准。否则,卫星时钟正常,卫星授时正常,将修正后的PPS发送至输出模块输出,由输出模块输出修正后的PPS。
上述提及的修正后的PPS的时间间隔误差是利用本地高精度晶振秒脉冲具有累积误差以及GPS秒脉冲具有随机误差的特点进行计算,从而能获取更精确的时间信息。修正后的PPS的时间间隔误差的具体计算过程如下:
(1)在时间序列x∈N下,设定输出第i个修正后的秒脉冲 f(xi)为晶振累积误差函数,x=i;
(2)在时间序列x∈N下,设定输出的第i+1个修正后的秒脉冲
(3)则,输出的第i+1个修正后的秒脉冲与输出第i个修正后的秒脉冲的时间间隔误差 则ti=f(xi+1)-f(xi);
上述提及的连续性判断是判断修正后的PPS的时间间隔误差是否在1us内。若修正后的PPS的时间间隔误差不在1us内,则卫星时钟异常;若在1us内,则进行趋势性判断。
趋势性判断则是于修正后的PPS的时间间隔误差在1us内的条件下在不同时间窗下检查修正后的PPS的跳变是否存在持续累积增加或者减少的趋势。若是持续累积增加或减少,则修正后的PPS异常,卫星时钟存在安全风险,时间同步装置的输出时间以本地时钟为基准。否则,卫星时钟正常,卫星授时正常,将修正后的PPS发送至输出模块输出,由输出模块输出修正后的PPS。
于修正后的PPS的时间间隔误差在1us内的条件下,在不同时间窗下修正后的PPS的跳变应具有随机性。在正常情况下,PPS的时间间隔误差呈点状分布,在不同时间窗下(如在30min、60min、90min…下)的跳变应呈上下跳变(在坐标中表示即为正负跳变),这样就不存在持续累积增加或者减少的趋势的情况。本发明对输出时间(即修改后的PPS)的时间间隔误差进行趋势性判断,能防止更精确化的攻击。
实施例1
在正常情况下采集38000个GPS接收机解码卫星信号后产生的1PPS,利用本发明方法计算其与世界标准时间之间的随机误差,结果如图2所示,GPS接收机产生的1PPS均值为0,随机误差范围在-60ns到60ns之内,与实际1PPS随机误差的正态分布情况相符,表明本发明通过构建时间序列下加权最小二乘法模型进行随机误差的估算的可行性。同时,计算出的修正后的PPS的时间间隔误差如图3所示,其时间间隔误差在1us内,显示跳变无趋势性变化:无持续增加或减少的情况。
通过脉冲增减控制器给GPS接收机产生的1PPS注入一个纳秒级的正值偏差,再利用本发明方法计算修正后的PPS的时间间隔误差如图4所示,由于注入的偏差较小,其可绕过连续性判断检测,但是PPS的跳变存在持续累积增加的趋势,此时认为1PPS异常。可见采用本方法在对输出时间连续性判断的同时进行对PPS跳变的趋势性判断,能识别出卫星异常。
一种检测卫星时钟异常的方法专利购买费用说明
Q:办理专利转让的流程及所需资料
A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。
1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2:按规定缴纳著录项目变更手续费。
3:同时提交相关证明文件原件。
4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q:专利转让变更,多久能出结果
A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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