頻域空時域級聯導航抗干擾技術研究*

徐 娟,姚如貴,陳 赟,王 伶,張兆林

(1 長安大學電子與控制工程學院, 西安 710064;2 西北工業大學電子信息學院, 西安 710072)

頻域空時域級聯導航抗干擾技術研究*

徐 娟1,姚如貴2,陳 赟2,王 伶2,張兆林2

(1 長安大學電子與控制工程學院, 西安 710064;2 西北工業大學電子信息學院, 西安 710072)

衛星導航接收機接收到的衛星信號非常微弱,極易受到外界的干擾,需要采用抗干擾技術。聯合域抗干擾技術因其自由度高、抗干擾效果好,廣泛應用于衛星導航接收機中。從聯合域角度出發,結合頻域濾波算法與空時自適應陣列處理技術,設計了一種頻域空時域級聯導航抗干擾技術,可以有效抑制衛星導航中復雜多變的干擾。仿真結果驗證了所提抗干擾技術的有效性,及其在相干干擾情況下的優越性。

衛星導航;抗干擾;頻域空時域級聯;迭代門限;相干干擾

0 引言

衛星導航定位技術在現代軍事、民用領域中發揮越來越重要的作用。但衛星信號極其微弱,極容易受到各種自然或人為的干擾而無法提供服務[1]。因此,需要引入干擾抑制技術來提高衛星導航系統的抗干擾能力。

針對強窄帶干擾和相干干擾,可以采用時域預測技術[2]、變換域技術[3-4]和碼輔助技術[5]。其中,文獻[3-4]提出一種基于迭代門限的頻域干擾抑制技術,自適應計算干擾判決門限,可以有效、徹底的抑制強窄帶干擾。但是,上述技術無法完成寬帶干擾的抑制。

聯合空時二維域的導航抗干擾技術具有較強的抗窄帶、寬帶干擾能力,可以克服單維域抗干擾技術的不足,尤其針對寬帶干擾抑制[6]?？諘r自適應濾波技術利用天線陣和延遲抽頭獲取空、時樣本,自適應增強信號、抑制干擾。但是空時自適應抗干擾技術無法抑制相干干擾[7]。

針對窄帶相干干擾、寬帶干擾的特點,如何運用頻域和空時域的聯合處理方法抑制復雜多變的干擾是文中研究的重點。

1 基于迭代門限的頻域抗多窄帶干擾技術原理

導航信號是擴頻信號,其頻譜在很寬的頻帶內是平坦的,具有類似白噪聲的特性[8]。若在某個頻點出現特別大的幅值,可以認為該頻點受到強干擾?；谶@種思想,可以在頻域進行干擾抑制。對接收信號進行FFT變換,在頻域對干擾進行判決和抑制,然后再將干擾抑制后的頻域信號經過IFFT變換到時域。作者在文獻[3-4]中研究了一種基于優化迭代門限的頻域導航抗干擾算法,可以自適應調整干擾判決門限進行干擾抑制。

假設接收信號模型為x(l)=s(l)+n(l)+j(l),其中,s(l)=±1為擴頻信號,n(l)為下變頻后在信號頻帶內的高斯白噪聲信號,j(l)為窄帶干擾信號。接收信號經過加窗和N(N=512)點FFT得到的離散譜線為X(k)=S(k)+N(k)+J(k),S(k)、N(k)和J(k)分別對應擴頻信號、白噪聲和窄帶干擾信號的頻譜,k=0,1,…,N-1。下面簡單描述基于迭代門限的干擾抑制算法。

1)對接收信號x(l)進行FFT變換,得到的頻域信號X(k),計算其均值M1為:

(1)

2)設置干擾檢測門限T1=K·M1,其中最優門限系數K=4,已在文獻[4]中給出證明。

(2)

4)利用第一次迭代干擾抑制后的信號Xi(k)分別計算均值M2和第二次干擾判決門限T2,如式(3)和式(4)所示,θk為X1(k)的幅角;并根據式(5)進行第二次干擾判決與抑制,得到X2(k)。

(3)

T2=K·M2

(4)

(5)

5)之后再進行的迭代干擾判決和抑制過程與第二次相似。一般情況下,三次迭代即可完成較為徹底的干擾抑制。

基于迭代門限的頻域抗干擾算法可以適用于無干擾或者干擾強度多變的情形。由于優化了門限系數(k=4),可以確保在無干擾環境下不損失有用信號;當干擾存在或者很強時,通過多次迭代使得干擾判決門限收斂,確保干擾被有效濾除。

2 空時自適應抗干擾技術原理

空時自適應抗干擾技術可以有效抗寬帶或窄帶干擾,已成為下一代衛星導航接收機主流抗干擾技術。圖1給出了基于LCMV準則的空時二維自適應導航抗干擾實現框圖,主要包括天線陣、下變頻、A/D采樣、抗干擾處理部分和導航接收機。各陣元接收數據經延遲后得到空時二維數據,與自適應權矢量組合后的輸出即為空時抗干擾的輸出[9-10]。

圖1 空時抗干擾系統結構

設N為陣元數,M為延遲抽頭數。每個時間延遲單元的時延為T,根據Nyquist原理要求T≤1/B,B為處理帶寬。設NM×1維空時二維權矢量Wstap=[w11,w21,…,wN1,w12,w22,…,wN2,…,w1M,w2M,…,wNM]T,NM×1維接收數據矢量X=[x11,x21,…,xN1,x12,x22,…,xN2,…,x1M,x2M,…,xNM]T,接收數據協方差矩陣可以表示為Rstap=E(XXH)∈CNM×NM?；贚CMV準則的空時抗干擾算法可以歸結為如下約束優化問題:

(6)

根據Lagrange乘子法,優化問題(6)的解[11]為:

(7)

其中:μ為一常數[9];Astap=At?As為空時二維導向矢量,At和As分別為時域和空域導向矢量,?為Kronecker積。時域導向矢量At可由延遲抽頭數M、衛星信號下變頻后的中頻頻率fi和采樣時鐘頻率fs共同確定。

(8)

空域導向矢量As則可由延遲抽頭數M、波達方向角θ、陣元間距d和波長λ共同確定。

(9)

由文獻[9]可知,空時自適應處理也存在不足之處。由于多徑傳播、電磁干擾等因素的影響,接收信號存在相干性。當空間存在相干干擾源時,最優波束形成準則下的統計協方差矩陣的特征值不能正確反映干擾源的真實情況,造成自適應權矢量估計的困難,不能達到抗干擾的目的[7]。針對這種相干干擾源存在的情況,文中提出一種頻域空時域級聯的衛星導航抗干擾技術,同時有效的抑制強窄帶干擾、寬帶干擾以及相干干擾。

3 頻域空時域級聯導航抗干擾技術

結合頻域和空時域抗干擾技術的優點,本節提出一種頻域空時域級聯抗干擾算法。根據窄帶干擾帶寬窄而功率大的特點,采用基于迭代門限的頻域抗多窄帶干擾技術,有效抑制窄帶干擾;然后級聯采用空時自適應處理技術抑制寬帶干擾及剩余的其他干擾,算法的實現流程如圖2所示。

圖2 頻域空時域級聯抗干擾算法流程圖

操作步驟描述如下:

1)對被噪聲和干擾污染的導航信號x(l)(l=0,1,…,N-1)進行FFT變換,得到頻域信號X(k);

2)對頻域信號X(k)進行基于迭代門限的頻域多窄帶干擾抑制(算法見第1節),濾除強窄帶干擾和部分寬帶干擾,得到信號X3(k);

3)對X3(k)進行IFFT變換,得到頻域干擾抑制后的時域信號xf(l);

需要說明的是,頻域干擾抑制是針對每個陣元接收信號進行獨立抗干擾處理(圖2中實心背景框對應的處理),而空時自適應干擾抑制則是針對頻域處理后的多陣元信號及其延遲信號構成的二維信號進行聯合處理。

4 仿真分析

4.1 寬帶干擾及窄帶干擾的抑制情況

在(70°,90°)方向上施加中心頻率為46.52MHz、帶寬為10MHz的寬帶干擾,在(40°,180°)方向上施加中心頻率為46.52MHz、帶寬為2MHz的窄帶干擾,信干比均為SNR=-30 dB。被干擾和噪聲污染的導航信號經過7陣元天線、下變頻和A/D采樣,得到七路數據。每路數據頻譜特性一致,圖3顯示了一路接收信號頻譜,可見明顯的兩個干擾。

圖3 加干擾后一路數據頻譜

對接收信號進行基于迭代門限的頻域干擾抑制,結果如圖4所示。由圖4(a)可見,頻域抗干擾只能抑制窄帶和部分寬帶干擾,殘余寬帶干擾仍然很大。圖4(b)顯示了頻域干擾抑制后信號與本地碼相關峰特性,未見到明顯的相關峰,接收機將無法進行正常的捕獲。因此,基于迭代門限的頻域干擾抑制算法并不能有效抑制寬帶干擾。

圖4 頻域抗干擾后一路數據功率譜和相關峰

進一步采用空時域自適應抗干擾算法對頻域干擾抑制后的信號進行處理。將頻域干擾抑制處理輸出的7路數據延遲轉化成空時二維數據,進行空時自適應干擾抑制,判斷干擾來向,在干擾方向形成零陷,有效抑制寬帶干擾。圖5是級聯抗干擾對應的方向圖,在寬帶干擾方向(70°,90°)和窄帶干擾方向(40°,180°)處形成明顯零陷,尤其是寬帶干擾方向,零陷較深,干擾信號被全部濾除,有效提高輸出信干噪比。圖6顯示了頻域空時域級聯抗干擾后功率譜和相關峰。對比圖3可以看出寬帶和窄帶干擾被濾除,因此,可以獲得較好的相關峰,驗證了文中所提算法對寬帶干擾優越的抗干擾性能。

圖5 頻域空時域級聯抗干擾方向圖

圖6 頻域空時域級聯抗干擾后功率譜和相關峰

4.2 相干干擾的抑制情況

下面進一步驗證文中所提算法抗相干干擾的優越性。假設在(70°,90°)和(40°,180°)方向上分別施加中心頻率為46.52 MHz的同源點頻干擾。若單純采用空時自適應抗干擾算法,方向圖如圖7所示,形成的零陷偏移到(79°,228°),未在干擾方向形成零陷,干擾抑制失敗。然而若采用頻域空時域級聯抗干擾算法,兩個相干點頻干擾在頻域就被濾除,不會造成空時域的誤判,可以獲得清晰的相關峰,如圖8所示。

圖7 空時自適應抗干擾方向圖

5 結論

導航信號十分微弱,極易受到外界或人為窄帶干

圖8 頻域空時域級聯抗干擾后的相關峰

擾、寬帶干擾以及相干干擾,使得系統無法正常工作。針對多種干擾,文中提出了頻域空時域級聯導航抗干擾方法。根據窄帶干擾帶寬窄、功率大的特點,采用基于迭代門限的頻域抗多窄帶干擾方法對強窄帶干擾進行抑制;采用基于LCMV準則的空時自適應處理技術抑制寬帶干擾及剩余的其他干擾。同時,該方法采用聯合處理,能夠有效抑制相干干擾,一般空時自適應處理方法難以處理這類干擾。結合COMPASS系統進行仿真,結果驗證了文中所提頻域空時域級聯導航抗干擾方法的有效性,及其在相干干擾情況下的優越性,具有較好的工程應用前景。

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Cascaded Frequency and Spatial-time Domain Anti-jamming Technique in Navigation Systems

XU Juan1,YAO Rugui2,CHEN Yun2,WANG Ling2,ZHANG Zhaolin2

(1 School of Electronic and Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2 School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

avigation signal arrives at receiver with low power, and is highly susceptible to intentional or unintentional interference. Therefore, anti-jamming technique has become essential satellite navigation receivers. Due to its high degree of freedom and effectiveness, multi-domain joint processing is widely used. To deal with the complex interference, a cascaded frequency and spatial-time domain anti-jamming technique proposed based on iterative threshold anti-jamming technique on frequency domain and adaptive anti-jamming technique on spatial-time domain. The simulation results validate effectiveness and superiority of our proposed multi-domain anti-jamming technique in the complex interference scenario.

satellite navigation; anti-jamming; cascaded frequency and spatial-time domain; iterative threshold; coherent interference

2014-04-25

國家自然科學基金(61271416);航天支撐基金(2013-HT-XGD);西北工業大學基礎研究基金(JCY20130132);西北工業大學研究生創業種子基金(Z2014143)資助

徐娟(1980-),女,陜西楊凌人,講師,博士,研究方向:高速數據傳輸、干擾抑制等技術研究。

TN915.05-34

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