艦載導(dǎo)航接收機(jī)變換域抗干擾技術(shù)研究

張道成，張正成

（解放軍92785部隊(duì)，秦皇島066200）

0 引 言

人類進(jìn)入了信息社會(huì)后，對(duì)地理信息的需求非常普遍。衛(wèi)星定位系統(tǒng)已成為繼通信、互聯(lián)網(wǎng)之后的第3個(gè)IT新增長(zhǎng)點(diǎn)，全球衛(wèi)星定位技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛。在民用以及軍用領(lǐng)域都大規(guī)模運(yùn)用了全球定位系統(tǒng)（GPS）［1］，在各國(guó)海軍的裝備發(fā)展中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，為在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中有效打擊敵艦提供了不可替代的作用。

1 抗干擾技術(shù)的發(fā)展概況

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，艦艇的及時(shí)定位成為海戰(zhàn)能否勝利的一個(gè)重要因素，但是現(xiàn)實(shí)過(guò)程中，由于接收衛(wèi)星信號(hào)弱，所以非常容易受到干擾。除了在戰(zhàn)爭(zhēng)中可能面對(duì)敵方專門干擾機(jī)的故意干擾，自然界所發(fā)生的一些現(xiàn)象也會(huì)引起信號(hào)干擾。一旦衛(wèi)星信號(hào)被干擾就可能中斷其使用，使定位誤差增大甚至完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能［2］。通常信號(hào)處理干擾抑制技術(shù)可分成3種：時(shí)域的濾波器處理技術(shù)、變換域處理技術(shù)和空域自適應(yīng)濾波技術(shù)。

2 變換域抗干擾技術(shù)原理

變換域抗干擾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于一次變換中能夠同時(shí)抑制多個(gè)干擾且可進(jìn)行快速自適應(yīng)調(diào)整，因而適用于干擾特性未知且統(tǒng)計(jì)特性變化較快的環(huán)境。變換域處理技術(shù)主要利用擴(kuò)頻信號(hào)、背景噪聲和窄帶干擾不同的頻域表現(xiàn)特征來(lái)去除干擾信號(hào)，擴(kuò)頻信號(hào)和白噪聲的頻譜相對(duì)比較平坦，而窄帶干擾信號(hào)的頻譜往往表現(xiàn)為很高很窄，從而可以在頻域識(shí)別存在干擾的譜線，并可以通過(guò)相應(yīng)的處理來(lái)去除干擾。

不同的變換域抗干擾算法的主要區(qū)別在于變換基的選擇、干擾檢測(cè)和譜線處理等。變換基包括Walsh－Hadamard 變 換、Karhumen－Loeve 變 換（KLT）、離散Fourier變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）和小波變換（DWT）等。目前基于DFT的頻域干擾抑制方法應(yīng)用最廣泛，可以處理多干擾的情況，并且能快速適應(yīng)。DFT變換的旁瓣衰減只有－13dB，存在嚴(yán)重的頻譜泄漏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際系統(tǒng)中抗強(qiáng)干擾的要求。通過(guò)時(shí)域加窗可以改善DFT變換的頻譜特性，但同時(shí)會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生失真，引入一定的信噪比損失。

在變換域窄帶干擾抑制技術(shù)中，對(duì)干擾信號(hào)的處理是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。常見(jiàn)的處理方法有域值方法、K譜線方法、中值濾波方法、權(quán)值泄漏方法等等。域值法與K譜線法對(duì)變換域中各分量或者保留，或者剔除。這涉及到干擾域值的估計(jì)問(wèn)題。域值太低，有用信號(hào)損失太大造成嚴(yán)重失真；域值太高，則干擾殘余過(guò)多，造成信噪比下降。

變換域技術(shù)大多屬于開(kāi)環(huán)自適應(yīng)技術(shù)，因而能快速處理干擾，對(duì)干擾統(tǒng)計(jì)特性的變化能做出快速反應(yīng)。與時(shí)域預(yù)測(cè)技術(shù)相比，變換域技術(shù)具有處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，更適用于快速變化干擾情況［3］，由于變化域技術(shù)不可避免的窄帶干擾頻譜泄漏以及變換域中處理干擾時(shí)不可避免地同時(shí)對(duì)有用信號(hào)造成損傷，所以，變換域技術(shù)對(duì)干擾帶寬、樣式和參數(shù)敏感。

3 變換域中的抗干擾研究與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前信號(hào)處理中，由于FFT變換應(yīng)用較多，技術(shù)成熟，在導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾算法中可以直接應(yīng)用，所以變換域采用頻域變換FFT，這就涉及FFT點(diǎn)數(shù)的選取、是否加窗以及門限的選取。

3.1 信號(hào)加窗效果對(duì)比

快速離散傅立葉變換（FFT）隱含了對(duì)長(zhǎng)度為N的截?cái)嘈蛄羞M(jìn)行周期拓展，如果截?cái)嗪笮蛄性谶吔绮贿B續(xù)，經(jīng)過(guò)周期拓展之后的波形在邊界將出現(xiàn)“階躍”，從而導(dǎo)致信號(hào)經(jīng)過(guò)變換之后出現(xiàn)頻譜泄漏，使得窄帶干擾的能量對(duì)臨近的頻譜產(chǎn)生嚴(yán)重的“污染”。減輕FFT變換頻譜泄漏常用的方法是對(duì)截?cái)嗟臄?shù)據(jù)序列加窗，加窗的作用是對(duì)截?cái)嘈蛄械倪吔邕M(jìn)行平滑，但是在降低窄帶干擾旁瓣、取得好的頻譜特性的同時(shí)，也對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生一定的失真，引起擴(kuò)頻信號(hào)的信噪比損失。

從圖1中可以看出，當(dāng)信號(hào)加窗后，頻譜明顯收斂，這對(duì)于頻域抗干擾有著十分重要的意義。頻域抗干擾的主要思想是在選定門限后，將高于門限部分濾除，如果頻譜分散將會(huì)使得濾除信號(hào)過(guò)多，信號(hào)損失嚴(yán)重；加窗后會(huì)帶來(lái)明顯改善。但是加窗也會(huì)帶來(lái)一定問(wèn)題，從時(shí)域圖中可以看出，加窗會(huì)對(duì)時(shí)域信號(hào)產(chǎn)生較嚴(yán)重的畸變，因此采用重疊加窗補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)彌補(bǔ)這一損失。

圖1 信號(hào)加窗效果比對(duì)

3.2 FFT點(diǎn)數(shù)不同

由圖2（b）可以看出，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)越多，干擾頻譜越集中，同時(shí)消耗資源也就越大，4 096點(diǎn)FFT與1 024點(diǎn)FFT從圖2（a）中基本看不出區(qū)別。因此，從節(jié)省資源角度考慮選取1 024點(diǎn)。

3.3 門限選取仿真

最直接的變換域干擾檢測(cè)方法是門限處理法，即設(shè)定一個(gè)干擾檢測(cè)門限，將變換后各子帶的譜線幅度與預(yù)先設(shè)計(jì)的門限進(jìn)行比較，如果譜線幅度大于門限，則認(rèn)為該子帶存在干擾，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的處理；否則認(rèn)為該子帶沒(méi)有干擾，不對(duì)其進(jìn)行處理?；陂T限檢測(cè)的窄帶干擾抑制技術(shù)中，干擾檢測(cè)門限的設(shè)計(jì)是算法的關(guān)鍵。根據(jù)其原理，用譜線幅度平方和的平均值。如果門限選取過(guò)大，可能漏掉一些干擾；如果門限選取過(guò)小，可能誤將信號(hào)當(dāng)干擾去掉，對(duì)信號(hào)損失很大。因此，當(dāng)干擾變化時(shí)，門限也應(yīng)及時(shí)調(diào)整，需實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)更新。FFT抗干擾結(jié)果如圖3所示。

假定導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)帶寬為20MHz，接收機(jī)的熱噪聲為－101dBm。如果導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地面的功率電平為－130dBm，那么接收機(jī)輸入信號(hào)的信噪比就是－29dB。導(dǎo)航信號(hào)頻點(diǎn)民碼長(zhǎng)度為10 230，插值濾波器階數(shù)取31階，當(dāng)只有導(dǎo)航信號(hào)（功率為－130～－110dBm），無(wú)干擾信號(hào)，輸出信噪比與理論信噪比比較情況如圖4所示。

圖2 1 024點(diǎn)FFT與4 096點(diǎn)FFT對(duì)比

圖3 FFT抗干擾結(jié)果

圖4 濾波器輸出信噪比與理論信噪比比較

由圖4可知，在無(wú)干擾情況下，濾波器輸出信噪比與理論信噪比基本一致，比理論值低大約0.3dB，這是由于濾波器的引入會(huì)帶來(lái)噪聲所造成的，所以要比理論值低一些。當(dāng)導(dǎo)航信號(hào)中存在干擾信號(hào)，導(dǎo)航信號(hào)功率為－120dBm，干信比為30～70dB，干擾信號(hào)頻率為46.52MHz，信噪比的改善情況如圖5所示。

圖5 抗干擾后信噪比的改善情況

由圖5可知，隨著干信比的提高，信噪比的改善幅度越來(lái)越大，但是輸出信噪比幾乎保持不變，當(dāng)干信比大于60dB后，稍稍有些下降。造成這種現(xiàn)象的原因是，隨著干信比的提高，信干噪比越來(lái)越小，但由于濾波器的引入，將干擾濾除，使得輸出的信噪比幾乎保持不變，這也就使得信噪比的改善幅度越來(lái)越大。當(dāng)干信比大約為60dB時(shí)，由于濾波抗干擾所能抵抗的干擾大小有限，超過(guò)一定大小，信噪比會(huì)隨之降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用變換域?yàn)V波的原理，實(shí)現(xiàn)了基于艦艇的導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾仿真，試驗(yàn)結(jié)果表明，在采用變換域抗干擾算法后，接收機(jī)的抗干擾能力得到了一定的提升。

［1］Plausinaitis Darius.GPS and others GNSS signals.Department of Electronic Systems［D］.Alborg，Danmark：Alborg University，2006.

［2］張莉敏，石衛(wèi)平.世界衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展與我國(guó)的對(duì)策［J］，2004（2）：127－134.

［3］張春海，薛麗君，張爾揚(yáng).基于自適應(yīng)多門限算法的變換域窄帶干擾抑制［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2006，28（3）：79－83.