文档名：基于CSBP的列车卫星定位欺骗干扰检测方法
摘要：随着列车运行控制模式车载自主化、系统智能化发展需求的不断深化,新型列车运行控制系统的设计与运用对列车测速定位自主性、可信性的需求愈发显著.全球导航卫星系统因其具备覆盖范围广、定位精度高、全天候等优势,成为新型列车控制系统实施列车自主定位的重要发展应用方向.卫星导航系统存在显著脆弱性,来自铁路沿线运行环境的干扰会对列车定位感知性能形成严重威胁,因此,准确、及时检测并识别干扰的发生是实施有效防护并确保列车运行安全的关键.欺骗式干扰通过信号转发或者定制生成虚假卫星信号信息,可诱骗接收机终端使其解算出错误的定位结果,具有复杂性、隐蔽性和危害性,对特定设备的影响极大.基于此,研究并提出一种列车卫星定位欺骗干扰检测方法.首先,分析列车卫星定位面临的欺骗干扰特征;其次,提取对欺骗干扰敏感的观测量构建典型特征量;然后,设计包括样本集构建、离线模型训练、在线检测识别等环节的欺骗干扰检测总体方案,提出基于布谷鸟搜索算法改进BP神经网络的卫星定位欺骗干扰检测模型构建方法;最后,搭建列车卫星定位欺骗干扰测试环境,采用多种观测信息及特征实施干扰样本的CS-BP模型训练并将其用于识别特定形式欺骗干扰的存在与特征,结合不同类型欺骗干扰注入测试对所提出检测方法的性能进行验证与对比.研究结果表明:布谷鸟搜索策略能够扩大搜索范围,跳出局部最优并实现快速迭代收敛,且收敛寻优性能受参数条件影响较小;基于布谷鸟搜索改进BP神经网络的建模方法相对常规地图匹配残差门限检测及代表性机器学习方法具有更优建模性能,对不同种类卫星定位欺骗干扰模式的检测准确率更为稳定,在时间敏感度、精确度、F1分数等方面更具优势.研究成果对列车卫星定位及其应用的欺骗干扰检测与干扰防护具有重要支撑意义,可为新型列控系统中卫星定位感知技术的可信应用提供有效途径,能够减少设置应答器、轨道电路等轨旁设备,有效降低建设及维护成本,有效提升车载设备应对复杂定位观测环境的自主性、灵活性及安全性.
Abstract：Withthecontinuousdevelopmentneedoftrainoperationcontrolsystemwiththehigherautonomylevelofthetrain-bornesub-systemandintelligentcapability,thedesignandimplementationofthenoveltrainoperationcontrolsystemsrequiremoreautonomyandcredibilitycapabilitiesoftrainspeedandlocalizationdetermination.ConsideringtheadvantagesoftheGlobalNavigationSatelliteSystem(GNSS)withthewidecoverage,highpositioningaccuracylevelandtheall-weathercapability,satellite-basedpositioninghasbecomeanimportantdevelopmentdirectionfortheimplementationofautonomoustrainpositioninginnoveltraincontrolsystems.Duetothesignificantvulnerabilityofthesatellitenavigationsystems,theinterferencetoGNSSfromtheoperationalenvironmentalongtherailwaylinewillposeaseriousthreattotheperformanceoftrainpositioningandstateperception.Therefore,accurateandtimelydetectionandidentificationoftheexistenceoftheGNSSinterferencehasbeenakeyissuetorealizeeffectiveprotectionagainsttheinterferenceandensurethesafetrainoperation.TheGNSSspoofingattackermaybroadcastfakesatellitesignalinformationthroughsignalretransmissionorcustomizedsignalgeneration,whichcandeceivetheGNSSreceivertocalculatethewrongpositioningresult.Thus,thespoofinginterferenceismorecomplex,convertandhazardous,whichhasasignificantimpactonspecificGNSSdevices.Inthepaper,aspoofingdetectionmethodforGNSS-basedtrainpositioningwasproposed.Firstly,thefeaturesofspoofinginterferencetosatellite-basedtrainpositioningareanalyzed.Secondly,thetypicalfeaturequantitywasestablishedbyextractingspecificGNSSobservationsthataresensitivetotheinterferenceattack.Then,theoverallspoofingdetectionschemewasdesigned,includingsamplesetconstruction,off-linemodeltraining,on-linedetectionandrecognition.Underthisframework,aGNSSspoofingdetectionmodelconstructionmethodwasproposedbasedontheBPneuralnetworkthatisimprovedbytheCuckooSearch(CS)algorithm.Finally,atestenvironmentforspoofinjectiontosatellite-basedtrainpositioningwasbuilt,andavarietyofobservationinformationandcharacteristicsofsatellitepositioningwerefullyusedtoidentifytheexistenceandcharacteristicsofspecificspoofinginterference.Theperformanceoftheproposeddetectionmethodwasexaminedandcomparedthroughspoofinginjectiontests.TheresultsshowedthattheCuckoosearchstrategycanexpandthesearchscope,jumpoutofthelocaloptimalandachievefastiterativeconvergence.TheconvergenceoptimizationperformancebyCSislessaffectedbytheparameterconditions.TheCS-enhancedBPneuralnetworkmodelingsolutioncanachievethehighermodelingperformancethantheconventionalmapmatchingresidualthreshold-basedstrategyandrepresentativeMachineLearning(ML)basedmethods.Thedetectionaccuracyoftheproposedsolutionunderdifferentspoofingattacksismorestable,withbetterperformanceintimesensitivity,accuracyandF1score.Theproposedsolutioniscapableofprovidinggreatsupporttothespoofingdetectionandinterferenceprotectioninsatellite-basedtrainpositioningandthelocation-enabledapplications.Itcanprovideaneffectivewaytoreliablyutilizethesatellite-basedpositioningandperceptiontechnologyinnovelrailwaytraincontrolsystems.Itcanmakeitpossibleofreducingthetracksideequipmentlikebalisesandtrackcircuits,effectivelyreducingthecostofconstructionandmaintenance,andimprovingtheautonomy,flexibilityandsafetyofthetrain-bornesub-systemundercomplicatedtrainpositioningobservationenvironments.
作者：王思昊 刘江 蔡伯根 王剑 陆德彪 Author：WANGSihao LIUJiang CAIBaigen WANGJian LUDebiao
作者单位：北京交通大学电子信息工程学院,北京100044北京交通大学电子信息工程学院,北京100044;北京交通大学北京市电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心,北京100044;北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心,北京100044北京交通大学电子信息工程学院,北京100044;北京交通大学北京市电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心,北京100044
刊名：铁道科学与工程学报
Journal：JournalofRailwayScienceandEngineering
年，卷(期)：2024, 21(1)
分类号：U284
关键词：列车运行控制 列车定位 卫星导航 欺骗干扰 干扰检测
Keywords：trainoperationcontrol trainpositioning satellitenavigation spoofing interferencedetection
机标分类号：U284.482TN967.1TP391.9
在线出版日期：2024年2月26日
基金项目：国家自然科学基金，国家自然科学基金，国家自然科学基金，国家重点研发计划基于CS-BP的列车卫星定位欺骗干扰检测方法[
期刊论文] 铁道科学与工程学报--2024, 21(1)王思昊 刘江 蔡伯根 王剑 陆德彪随着列车运行控制模式车载自主化、系统智能化发展需求的不断深化,新型列车运行控制系统的设计与运用对列车测速定位自主性、可信性的需求愈发显著.全球导航卫星系统因其具备覆盖范围广、定位精度高、全天候等优势,成为新型...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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