一种基于阵列天线的姿态确定方法用于电力系统授时应用中的GNSS欺骗缓解

《Applied Sciences》：An Array Antenna-Based Attitude Determination Method for GNSS Spoofing Mitigation in Power System Timing Applications Wenxin Jin, Sai Wu, Guangyao Zhang, Ruochen Si, Ling Teng, Wei Chen, Huixia Ding and Chaoyang Zhu

　　

精确的GNSS授时是电力时间同步系统（PTSS）的基础。然而，传统的变电站基础设施仍然容易受到复杂的欺骗攻击。在这项研究中，提出了一种感知辅助的基于阵列天线的欺骗缓解方法。所提出的架构工作在信号前端，并包含一个专门的欺骗感知路径来估计恶意信号的到达方向（DoA），使自适应零陷导向成为可能，同时保留真实卫星接收。为了为DoA估计提供可靠的空间参考，研究人员为紧凑的10厘米级阵列天线开发了一种统一的高精度姿态确定方法，该方法适用于单频和环境误差条件。该方法整合了基于约束最小二乘模糊度去相关调整（C-LAMBDA）的约束模糊度解算、基于冗余天线单元的垂直精度增强以及迭代精化以减轻厘米级环境偏差。半仿真实验表明，所提出的方法在水平分量上实现了低于5毫米的基线向量均方根误差（RMSE），在垂直分量上约为10毫米。由此产生的姿态精度在航向上达到2°，俯仰角上达到6°，横滚角上达到4°，同时消除了超过80%的系统性环境相位误差，平均收敛在6次迭代内。这些结果满足了有效欺骗抑制和前端信号净化的空间精度要求。因此，为增强PTSS的抗欺骗能力建立了一种稳健的技术方法，无需修改现有基础设施。

论文《An Array Antenna-Based Attitude Determination Method for GNSS Spoofing Mitigation in Power System Timing Applications》发表在《Applied Sciences》，聚焦于电力系统时间同步中的GNSS欺骗威胁及其缓解。研究背景方面，现代电力系统的稳定运行严重依赖精确的时间同步，全球导航卫星系统（GNSS）已成为电力时间同步系统（PTSS）的主要外部授时源。然而，GNSS信号的开放性和低功率特性使PTSS易受欺骗攻击，攻击者通过发射伪造信号操纵授时解，可能导致保护误协调、系统误动甚至区域停电。现有防御策略分为两层：PTSS设备内部的双天线冗余检测和前端时空安全隔离装置（STSID）的隔离模式。但内部检测可被复杂欺骗绕过，STSID的隔离策略在长时间欺骗场景下因内部时钟漂移导致授时精度下降，且两者均难以应对低功率慢拉式欺骗及变电站复杂电磁环境（如多径、窄带/宽带干扰）和无人机反制系统无意引入的欺骗信号。为此，研究人员提出一种感知辅助阵列天线方法，以前端信号净化方式实现欺骗缓解，无需修改下游PTSS设备，并重点解决了紧凑阵列天线在短基线、单频及环境误差条件下的高精度姿态确定难题。

研究人员开展了哪几个主要关键的技术方法：研究人员提出了一个感知辅助的反欺骗阵列天线架构，在常规抗干扰设计基础上增加专用欺骗感知路径，用于估计欺骗信号到达方向（DoA）并反馈至数字波束形成器实现自适应零陷导向。针对紧凑10厘米级阵列天线，开发了统一的高精度姿态确定方法：首先，利用约束最小二乘模糊度去相关调整（C-LAMBDA）算法进行基线向量解算，通过融入已知基线长度约束提升单频短基线下的模糊度固定成功率；其次，引入冗余天线单元，利用共面性约束对基线向量垂直分量进行最小二乘平面拟合校正，增强俯仰和横滚角精度；最后，通过迭代精化过程，基于当前姿态估计卫星在体坐标系中的方位角与仰角，从载波相位观测中扣除预校准的方向依赖相位偏差，逐步消除厘米级环境误差。实验数据来源于Curtin大学公开的多天线GNSS观测数据（约24小时、83745历元），通过几何变换将基线缩放至10厘米尺度，模拟紧凑阵列配置。

研究结果部分，第一小节“短基线下的C-LAMBDA基线解算结果”中，研究人员通过对比C-LAMBDA与标准LAMBDA算法在非常短基线（10厘米级）下的单历元基线向量估计，发现C-LAMBDA（绿色标记）的误差紧密集中在零附近，而标准LAMBDA的浮点解占约70%、固定解存在大量离群点和错误固定，尤其在垂直分量上。C-LAMBDA由于有效利用基线长度约束，显著提升了模糊度固定成功率和解的可靠性，为后续姿态确定提供了高精度几何输入。

第二小节“冗余天线单元增强后的姿态确定结果”中，研究人员评估了引入冗余天线后的基线一致性和姿态精度。基线向量偏差在三个独立基线的所有分量上均紧密围绕零（1厘米参考阈值内），水平面散点分布高度集中。航向角的时间序列展现出一致的高精度，而俯仰和横滚角因GNSS垂直分量固有局限表现出略大的波动，但冗余单元通过平面约束显著改善了垂直分量估计，提升了整体姿态稳定性。

第三小节“迭代精化后的姿态确定结果”中，研究人员引入预定义的方向依赖相位误差模型（幅度±2厘米）模拟环境偏差，并应用迭代精化算法。结果显示平均迭代次数为5.71次，95%的历元在9次内收敛。经迭代处理后，基线向量偏差在水平分量上的均方根误差（RMSE）分别为4.57毫米、3.68毫米和4.43毫米（对应基线1、2、3），垂直分量RMSE分别为11.40毫米、10.76毫米和6.52毫米，与未引入环境误差时的结果相当，验证了鲁棒性。迭代过程消除了约80%的模拟环境相位误差，残差显著减小。最终姿态估计的航向、俯仰和横滚角RMSE分别为2.43°、6.51°和4.71°。

讨论部分分析了冗余天线单元和迭代次数的影响。在理想无误差条件下，4天线配置相比3天线配置，俯仰角精度提升约14%，横滚角提升约30%，航向角无提升（因其主要依赖水平分量）。在存在环境误差且均采用迭代精化时，4天线配置使航向角精度提升约8%，俯仰角约9%，横滚角约25%，表明冗余单元通过几何稳健性进一步增强了迭代误差抑制的效果。迭代次数分析显示，随着迭代次数从1增至19，姿态RMSE和残差误差持续下降，但主要增益集中在前5次迭代，之后曲线趋于平缓。该结果说明设置合理的迭代上限（如20次）可在高精度与计算效率间取得平衡。最后，研究结论部分翻译如下：本文针对电力系统授时应用提出了一种感知辅助的阵列天线欺骗缓解方法，该方法整合了专用反欺骗阵列架构与统一的高精度姿态确定方法，能够在前端抑制欺骗信号的同时保留真实GNSS信号供下游PTSS设备使用。核心贡献在于开发了专门针对紧凑10厘米级阵列天线在单频约束和复杂电力环境下的姿态确定方法。通过整合C-LAMBDA算法进行稳健模糊度解算、冗余天线单元配置用于垂直精度增强、以及迭代精化过程用于环境偏差减轻，所提方法实现了可靠的姿态确定，精度达到航向2.43°、俯仰6.51°和横滚4.71°。这一空间精度水平满足了欺骗DoA估计和自适应零陷导向的精度要求，从而使得利用阵列天线进行有效的欺骗检测和抑制成为可能。结果表明，所提方法提供了一种增强PTSS抗欺骗能力的实用途径，无需修改现有基础设施。未来工作将侧重于使用真实测量数据验证所提方法，并开发反欺骗阵列天线原型模块，与真实PTSS设备的集成将进一步验证系统级功能和鲁棒性。