北斗和GPS雙模接收機(jī)干擾抑制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張建立，楊祖芳 ，潘偉，鄭建生,3

1.武漢大學(xué) GNSS中心， 武漢 430079 2.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院， 武漢 430065 3.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 武漢 430072

北斗和GPS雙模接收機(jī)干擾抑制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張建立1，楊祖芳2,*，潘偉1，鄭建生1,3

1.武漢大學(xué) GNSS中心， 武漢 430079 2.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院， 武漢 430065 3.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 武漢 430072

目前北斗/GPS雙模接收系統(tǒng)的抗干擾研究還比較少，主要是針對(duì)GPS的抗干擾研究。北斗和GPS接收機(jī)易被干擾，為了改善強(qiáng)干擾環(huán)境下接收機(jī)的性能，研究不同陣列、不同算法對(duì)接收機(jī)抗干擾性能的影響,在GPS的抗干擾研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套北斗和GPS雙模接收系統(tǒng)的抗干擾平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能使北斗和GPS雙模接收機(jī)在-30 dBm強(qiáng)干擾的環(huán)境下搜到6顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和5顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星，并正常定位，說(shuō)明該系統(tǒng)能達(dá)到干擾抑制的目的。該系統(tǒng)也可推廣至多種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾平臺(tái)。

北斗；全球定位系統(tǒng)；干擾抑制；雙模接收機(jī)；抗干擾平臺(tái)

近年來(lái)，隨著導(dǎo)航技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越多，電子對(duì)抗也被越來(lái)越多地出現(xiàn)在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)中。在GNSS中,北斗定位系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)最常見(jiàn)的兩種定位系統(tǒng)。壓制式干擾會(huì)影響北斗和GPS接收機(jī)的正常工作，使得接收機(jī)的接收性能明顯下降。隨著北斗衛(wèi)星近幾年的發(fā)展，采用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位和導(dǎo)航也越來(lái)越普遍，GPS和北斗雙模接收機(jī)也越來(lái)越多。這對(duì)GNSS抗干擾研究提出了新的問(wèn)題。而且傳統(tǒng)的接收機(jī)采用單天線結(jié)構(gòu)，這種接收機(jī)的抗干擾性能很差，不能在強(qiáng)干擾環(huán)境下完成定位。因此,無(wú)論是從GPS和北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)角度，還是為了完成從GPS到中國(guó)北斗系統(tǒng)的平滑過(guò)渡,研究北斗/GPS雙模接收系統(tǒng)，同時(shí)支持GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)就變得非常重要而且迫切。目前，陣列天線結(jié)構(gòu)的接收機(jī)已經(jīng)成為導(dǎo)航領(lǐng)域解決抗干擾問(wèn)題的優(yōu)選技術(shù)。

本文用四陣元圓心陣陣列研究在北斗和GPS雙模接收機(jī)在北斗B1頻率和GPS L1頻率雙頻點(diǎn)的干擾下的干擾抑制算法的實(shí)現(xiàn)和硬件驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 算法設(shè)計(jì)

目前，在抗干擾算法中用的最多的是線性約束最小方差(LCMV)算法，該算法是通過(guò)最小均方差(LMS)算法改進(jìn)而來(lái)的1]。功率倒置算法配合LCMV算法能很好地在干擾方向形成零陷。

1.1 算法模型2]

功率倒置是指將輸入陣列中的信號(hào)按功率大小進(jìn)行抑制，由其波形圖可以看出信號(hào)強(qiáng)度越大，則抑制深度越大，所以抑制干擾就是根據(jù)干擾強(qiáng)度大于衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)而抑制干擾信號(hào)。其中功率倒置函數(shù)表示為：

(1)

式中：W是根據(jù)輸入信號(hào)陣列計(jì)算的權(quán)值。

功率倒置算法權(quán)向量的求解是建立在簡(jiǎn)單約束LCMV準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上的，線性約束最小方差準(zhǔn)則不需要知道衛(wèi)星信號(hào)和干擾的方向，方法比較簡(jiǎn)單。它盡可能地保證了接收到的有用衛(wèi)星信號(hào)無(wú)失真通過(guò)并且盡可能抑制干擾信號(hào)。最小方差誤差準(zhǔn)則即為誤差函數(shù)均方差最小化，其函數(shù)表示為：

(2)

天線陣列輸出功率可表示為：

(3)

式中：RX=E{XXH}，為輸入數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣。構(gòu)建拉格朗日函數(shù)得：

(4)

式中：λ為朗格拉日常數(shù)。令WL(W)=0,可得：

(5)

式(5)是利用功率倒置算法求出的最佳權(quán)向量。求出權(quán)值W后，再將輸入信號(hào)X與權(quán)值W相乘得到結(jié)果Y，則Y就是抑制干擾后的衛(wèi)星信號(hào)，X與Y的差即是抑制的干擾信號(hào)。

1.2 陣列模型

在陣列模型選擇上，通過(guò)比較四陣元線陣、四陣元圓陣和四陣元圓心陣三種陣列模型仿真結(jié)果來(lái)說(shuō)明各種陣列的抑制效果。這三種陣列模型如圖1～圖3所示。

圖1 四陣元線陣模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of linear array model

圖2 四陣元圓陣模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of circle array model

圖3 四陣元圓心陣模型結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the circle with center array model

根據(jù)這三種模型的結(jié)構(gòu)用Matlab仿真，干擾方向和數(shù)目等其他條件相同。仿真條件：在各種陣列模型的仿真中，GPS有用信號(hào)是通過(guò)C/A碼調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)，其中心頻率f0=1 575.42MHz，北斗有用信號(hào)是通過(guò)北斗偽隨機(jī)碼碼調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)，其中心頻率f1=1 561.098MHz，干擾為兩個(gè)靜態(tài)窄帶單頻干擾頻率分別為f0=1 575.42MHz和f1=1 561.098MHz，正好對(duì)應(yīng)GPS的L1頻段和北斗的B1頻段，輸入信號(hào)的信干比為-80dB，噪聲為高斯白噪聲，信噪比為-30dB。相對(duì)四元均勻線陣，陣元之間的距離是中心頻率f0波長(zhǎng)的一半，GPS有用信號(hào)入射角為90°，北斗有用信號(hào)入射角為60°干擾分別從40°和50°入射;相對(duì)四元均勻圓陣和圓心陣，GPS有用信號(hào)入射角為90°方位角為0°，北斗有用信號(hào)入射角為60°方位角為80°，干擾分別從入射角40°方位角為100°和入射角50°方位角為160°入射。仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 四陣元線陣模型仿真結(jié)果Fig.4 Result of linear array model simulation

圖4可以看出四陣元的線陣能在干擾方向形成較深的零陷，但是線性陣列只能在仰角方向形成零陷，這影響接收機(jī)接收非干擾方向的衛(wèi)星信號(hào)。

圖5 四陣元圓陣模型仿真結(jié)果Fig.5 Result of circle array model simulation

圖5可以看出四陣元圓形陣列能在仰角和方位角三維空間上形成零陷，雖然也能在干擾方向上形成較深的零陷，但是在非干擾方向也形成了較淺的零陷，這將導(dǎo)致非干擾方向的有用信號(hào)被抑制。

圖6 四陣元圓心陣模型結(jié)果Fig.6 Result of the circle with center array model simulation

而圖6可以看出圓心陣相較于圓陣效果有明顯提升，既零陷較為集中。通過(guò)以上仿真和效果分析，能夠說(shuō)明這三種陣列從效果上四陣元圓心陣干擾抑制效果最好。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)需要完成衛(wèi)星信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和衛(wèi)星信號(hào)的輸出等多個(gè)任務(wù)。按照功能主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)模塊。硬件平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Structure chart of system

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集通信模塊主要完成衛(wèi)星信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換。衛(wèi)星信號(hào)包含GPSL1頻段信號(hào)和北斗B1頻段信號(hào)。GPSL1頻段的頻率是1 575.42MHz，北斗B1頻段的頻率是1 561.098MHz。BD/GPS天線頻率是1 575.42MHz/1 561MHz帶寬10MHz，符合BD/GPS雙模接收機(jī)要求。該模塊首先四陣元天線接收信號(hào)，在采用4路正交下變頻，分別將1 575.42MHz的GPS信號(hào)下變頻到15.42MHz，將1 561.098MHz的北斗信號(hào)下變頻到1.098MHz，這樣可以將兩個(gè)不同頻點(diǎn)的衛(wèi)星信號(hào)下變頻到都可處理的范圍。再將8路模擬信號(hào)用31MHz時(shí)鐘采樣到數(shù)字信號(hào)，同時(shí)完成A/D轉(zhuǎn)換，其中A/D采樣是被FPGA控制。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后直接給到FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過(guò)干擾抑制算法處理后的信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，然后再正交上變頻成射頻信號(hào)。分別將1.098MHz的信號(hào)上變頻到北斗B1頻段信號(hào)，將15.42MHz的信號(hào)上變頻到GPSL1頻段信號(hào)，最后再將抑制處理后信號(hào)傳給北斗/GPS雙模接收機(jī)完成定位。

本設(shè)計(jì)中FPGA采用Altera公司的StratixⅢ 系列高性能FPGA芯片EP3SE110F115213N作為核心處理器，F(xiàn)PGA上掛載的三態(tài)門、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取器(SynchronousDynamicRandomAccessMemory，SDRAM)、靜態(tài)隨機(jī)存取器(StaticRandomAccessMemory，SRAM)、快閃式存儲(chǔ)器(FlashMemory)由Avalon總線調(diào)度完成。8路獨(dú)立12位A/D采用AnalogDevice公司AD9233芯片進(jìn)行A/D采樣，D/A采用AnalogDevice公司D/A轉(zhuǎn)換芯片AD9777，4路正交下變頻模塊的芯片采用AD8347作為主模塊，兩路正交上變頻模塊的上變頻芯片采用ADL5375,實(shí)現(xiàn)正交信號(hào)調(diào)制到射頻頻段輸出。基帶信號(hào)也可通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出給頻譜分析儀，或經(jīng)上變頻芯片后輸出給頻譜分析儀，還可將基帶數(shù)據(jù)通過(guò)通用串行總線(UniversalSerialBus，USB)傳給上位機(jī)做后處理。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要做抗干擾的算法，這里采用功率倒置算法，數(shù)據(jù)采集模塊出來(lái)的8路數(shù)字信號(hào)由FPGA做卷積自相關(guān)，再交由DSP做矩陣求逆和計(jì)算權(quán)值，然后再返回FPGA與8路信號(hào)相乘完成干擾抑制。

由于衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)速率很高，并且數(shù)據(jù)由八路數(shù)據(jù)組成，計(jì)算量很大，所以數(shù)據(jù)采集和處理由FPGA和DSP共同完成。本設(shè)計(jì)中FPGA負(fù)責(zé)信號(hào)的高速采集，DSP負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)處理。在選用處理器時(shí)，在滿足抗干擾算法的實(shí)時(shí)性要求的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮處理器的功耗、體積、成本等多種因素，最終采用了TI公司的TMS320C6713B芯片作為硬件平臺(tái)的核心處理器。

由于DSP芯片內(nèi)部RAM存儲(chǔ)空間有限，需要使用外部SDRAM芯片作為DSP的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。SDRAM芯片用Micron的MT48LC4M32B2芯片，其存儲(chǔ)空間為128Mbit,32位總線。滿足處理器對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求。C6713B芯片內(nèi)部ROM存儲(chǔ)空間有限，需要擴(kuò)展外部Flash存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)程序的存儲(chǔ)。上電后，DSP運(yùn)行引導(dǎo)程序?qū)lash內(nèi)的程序加載到DSP的RAM中，從而實(shí)現(xiàn)程序的運(yùn)行。Flash芯片選用SST公司的SST39VF1601芯片，存儲(chǔ)空間為16Mbit，F(xiàn)lash存儲(chǔ)占用DSP存儲(chǔ)CE1空間，SST39VF1601片選信號(hào)與DSP芯片的TEC1n連接。

DSP芯片外圍存儲(chǔ)設(shè)備的片選信號(hào)、讀寫信號(hào)先寫到FPGA內(nèi)部，然后與DSP連接，這樣設(shè)計(jì)不僅可以簡(jiǎn)化電路圖PCB布局，便于電路系統(tǒng)調(diào)試，更有助于提高穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊間系統(tǒng)用DSP與FPGA相連，在FPGA中用三態(tài)橋控制FPGA和DSP的連接，DSP與FPGA引腳相連情況如圖8所示。A2-A21是地址信號(hào)，D0-D31是數(shù)據(jù)信號(hào),CS_N是使能信號(hào)，WR_N是寫使能信號(hào)，OE_N是讀使能信號(hào)。

圖8 DSP與FPGA接口Fig.8 Interface of DSP and FPGA

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，構(gòu)建成了衛(wèi)星抗干擾驗(yàn)證平臺(tái)。為了測(cè)試該平臺(tái)的性能，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1 575.42MHz的信號(hào)和1 561.098MHz的信號(hào)作為干擾，在做干擾實(shí)驗(yàn)前先做了無(wú)干擾是接收機(jī)的搜星能力實(shí)驗(yàn)。無(wú)干擾時(shí)軟件截圖如圖9所示。

圖9 無(wú)干擾接收機(jī)搜星圖Fig.9 Figure of no interference

從圖9可以看出接收機(jī)在無(wú)干擾下未加算法時(shí)搜到導(dǎo)航衛(wèi)星情況，紅色衛(wèi)星代表北斗衛(wèi)星，綠色代表GPS衛(wèi)星。接收機(jī)能收到北斗導(dǎo)航衛(wèi)星10顆，GPS導(dǎo)航衛(wèi)星8顆，并能正常定位。

接著做加干擾的實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在不加抗干擾算法的情況下接收機(jī)搜星情況如表1所示。

表1 接收機(jī)搜星境況(不加干擾抑制算法)

表1說(shuō)明接收機(jī)在無(wú)干擾情況下搜星效果很好，北斗和GPS兩種衛(wèi)星都能搜到并完成定位；在-40dBm頻率為1 575.42MHz的強(qiáng)干擾下接收機(jī)只能搜到7顆北斗衛(wèi)星，不能搜到GPS衛(wèi)星，但能完成定位，說(shuō)明頻率為1 575.42MHz的干擾主要影響GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的L1頻段的信號(hào),對(duì)北斗B1頻段的信號(hào)影響不大；在-40dBm頻率為1 561.098MHz的強(qiáng)干擾下接收機(jī)只能搜到1顆北斗衛(wèi)星，GPS導(dǎo)航衛(wèi)星也有影響，能搜到7顆GPS衛(wèi)星，能利用GPS導(dǎo)航衛(wèi)星完成定位，說(shuō)明頻率為1 561.098MHz的干擾主要影響北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的B1頻段的信號(hào),對(duì)GPSL1頻段的信號(hào)也有影響；在-40dBm頻率為1 575.42MHz和-40dBm頻率為1 561.098MHz的強(qiáng)干擾下接收機(jī)不能搜到北斗衛(wèi)星，也不能搜到GPS衛(wèi)星，不能完成定位。結(jié)果如圖10所示。

圖10 雙干擾接收機(jī)搜星圖Fig.10 Figure of double interference

實(shí)驗(yàn)表明：北斗/GPS接收機(jī)在-40dBm頻率為1 575.42MHz強(qiáng)干擾下接收機(jī)不能搜到GPS衛(wèi)星和-40dBm頻率為1 561.098MHz的強(qiáng)干擾下接收機(jī)不能搜到北斗衛(wèi)星。經(jīng)抗干擾硬件平臺(tái)處理后的北斗/GPS接收機(jī)搜星情況如表2所示。

表2 接收機(jī)搜星情況(加算法)

表2表明，經(jīng)抗干擾硬件平臺(tái)處理后,北斗/GPS接收機(jī)在干擾強(qiáng)度為-20dBm、頻率為1 575.42MHz的強(qiáng)干擾下接收機(jī)已經(jīng)完全不能搜到GPS衛(wèi)星，-20dBm頻率為1 561.098MHz的強(qiáng)干擾接收機(jī)已經(jīng)完全不能搜到北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，但干擾強(qiáng)度為-30dBm時(shí)BD/GPS接收機(jī)能搜到北斗衛(wèi)星6顆，GPS衛(wèi)星5顆，并能正常定位。干擾強(qiáng)度為-30dBm能搜星時(shí)軟件截圖如圖11所示。

圖11 -30 dBm接收機(jī)搜星圖Fig.11 Figure of -30 dBm receiver searching

從圖11可以看出，在-30dBm頻率為1 575.42MHz強(qiáng)干擾和-30dBm頻率為1 561.098MHz的強(qiáng)干擾下BD/GPS接收機(jī)搜到北斗衛(wèi)星6顆、GPS衛(wèi)星5顆并能正常定位。

硬件平臺(tái)將抑制后的基帶信號(hào)從15.42MHz上變頻到1 575.42MHz，圖12(a)代表未抑制的效果，圖12(b)代表抑制后的效果。對(duì)比這兩幅圖，可以看出抗干擾算法是有效的，1 575.42MHz處的干擾尖峰基本消除。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了提高GNSS接收機(jī)的抗干擾性能，適應(yīng)BD/GPS雙頻接收機(jī)的抗干擾要求，本文針對(duì)功率倒置算法和陣列模型做了研究和比較，將四陣元圓心陣的抗干擾算法應(yīng)用在北斗和GPS雙模接收機(jī)上，并通過(guò)硬件驗(yàn)證平臺(tái)將其實(shí)現(xiàn)。在此目的下，分析了編程的框架，詳細(xì)說(shuō)明了其工作原理，搭建驗(yàn)證平臺(tái)，完成了抗干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，在該系統(tǒng)未加干擾抑制算法時(shí)，接收機(jī)在干擾強(qiáng)度為-40dBm時(shí)已經(jīng)完全不能搜索到衛(wèi)星，而在運(yùn)行算法系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，接收機(jī)能夠在-30dBm的強(qiáng)干擾環(huán)境下進(jìn)行干擾抑制，使接收機(jī)能夠搜到北斗衛(wèi)星6顆，GPS衛(wèi)星5顆，能夠正常定位。

圖12 抑制前后效果對(duì)比Fig.12 Contrast before and after inhibition

這說(shuō)明四元圓心陣列形成的干擾平臺(tái)能夠使北斗GPS雙模接收機(jī)在強(qiáng)干擾下正常工作，達(dá)到了抑制干擾的目的。

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(編輯：高珍)

Design and implementation of interference suppression algorithm for BeiDou and GPS dual-frequency receiver

ZHANG Jianli1，YANG Zufang2,*，PAN Wei1，ZHENG Jiansheng1,3

1.GNSSCenter,WuhanUniversity,Wuhan430079,China2.SchoolofInformationEngineering,WuhanTechnologyandBusinessUniversity,Wuhan430065,China3.SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430079,China

BeiDou and GPS receivers are susceptible to interference. In order to improve the performance of the receiver under strong jamming environment,the effects of different arrays and different algorithms on the anti-jamming performance of the receiver were studied.An anti-jamming platform for BeiDou and GPS dual-mode receiving system was designed and implemented on the basis of GPS anti-interference research. The experimental results show that by this system,the BeiDou and GPS dual-mode receivers can search up to 6 BeiDou navigation satellites and 5 GPS navigation satellites,and locate under the environment of -30 dBm strong interference.The system can also be extended to a variety of satellite navigation receivers anti-jamming platform.

BeiDou; GPS; interference suppression; dual-mode receiver; anti-interference platform

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0007

2016-07-12；

2016-11-24；錄用日期：2016-02-15；

時(shí)間：2017-02-16 18:43:03

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170216.1843.011.html

國(guó)家自然科學(xué)基金(GNSS接受系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的干擾抑制技術(shù)研究，61273053)；武漢工商學(xué)院2016年度科研基金(GPS C/A碼導(dǎo)航電文采集系統(tǒng)，A2016008)

張建立(1990-)，男，碩士研究生,zhangjianli900423@163.com，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信抗干擾

*通訊作者：楊祖芳(1981-)，女，講師,yzf2110@163.com，研究方向?yàn)殡娮泳€路與嵌入式系統(tǒng)

張建立，楊祖芳，潘偉，等.北斗和GPS雙模接收機(jī)干擾抑制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)，2017,37(1)：117-123.ZHANGJianli，YANGZufang，PANWei，etal.DesignandimplementationofinterferencesuppressionalgorithmforBeiDouandGPSdual-frequencyreceiverJ].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017，37(1):117-123(inChinese).

TN927.2

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