衛星導航干擾檢測技術研究

李圣軍

摘要：復雜電磁環境會對衛星導航接收機定位性能造成嚴重影響，尤其在干擾情況下，將導致衛星導航接收機無法正常工作。當前，衛星導航接收機干擾檢測技術主要集中在時頻聯合域分析（Joint Time-Frequency Analysis， JTFA）方面，如，短時傅里葉變換（Short-Time Fourier Transform ，ST FT）和Wigner-Ville分布（Wigner–Ville Distribution，WVD），本文聚焦將STFT和WVD，分析其對掃頻干擾的影響。

關鍵詞：全球衛星導航系統;干擾檢測;STFT;WVD

中圖分類號： TP3? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0250-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

全球衛星導航系統在全世界廣泛的應用，如美國的GPS[1]、歐盟的伽利略系統[2]、中國的北斗[3]，高性能的GNSS接收機都致力于增加其完整性、可用性、準確性、和服務的完整性。特別是在生命安全（Safety Of Life，SOL）應用中（例如，在飛機著陸期間需要的準確性）。高精度定位和可靠的SOL服務代表了即將推出的衛星導航系統的主要挑戰。但是由于無線電密切的使用到時頻譜資源的使用相當的飽和，導致GNSS信號容易受到干擾的影響而無法正常[4]，所以干擾檢測和緩解已成為制約GNSS發展的一個重要問題，本文從信號處理在時頻域角度來分析[5]，傳統的短時傅里葉變換和譜圖分析[6]存在時頻分辨率權衡的問題，而時頻分辨率較好的Winger-Ville分布，表現出良好的時頻聚集特性，但是存在交叉干擾項問題。因此本文提出采用分數階時頻分析能夠更好用于衛星導航干擾檢測并抑制噪聲影響。

1 系統模型

系統中需要處理的信號是來自接收機射頻前端下變頻A/D轉換后的中頻數字信號。接收機前端通過天線接收到GPS信號后，首先經過前置濾波器和放大器處理后，再與本地振蕩器產生的正弦本振信號進行混頻而下變頻成模擬中頻信號，然后進行模數轉換形成數字信號中頻信號。再疊加上干擾信號后，形成帶噪信號進入干擾檢測模塊后，最后再被軟件接收機接收。

1.1 GNSS信號模型

在有電磁干擾的環境下GNSS接收機接收到的信號，可以寫為：

其中[rit]表示在視線范圍內接收到來自第[i]個衛星的信號，[Ns]表示衛星的個數，[jt]表示干擾信號，在接收到的信號中由于干擾信號類型不同，[jt]表示也不同。[ηt]表示均值為0的加性高斯白噪聲（AWGN）。不同的衛星導航系統，接受到的[rit]也不同，以本文中討論的GPS L1 信號為例，可以寫成：

其中：

1.2 chirp信號模型

2 時頻變換

時頻分析即時頻聯合域分析是現代信號處理的一個熱點，處理非平穩隨機信號非常有效，其基本思想是通過設計時間和頻率的聯合函數，來同時描述信號在不同時間和頻率的能量密度或強度。而聯合函數被稱為時頻分布，通過時頻分布可以分析信號在各個時刻的幅值和瞬時頻率。

2.1 短時傅里葉變換

時頻分析中最基礎的方法是短時傅里葉變換，其基本思想是“時域局部化”，原理在于對待分析的信號加窗，得到較小的時間間隔，再對每個小間隔進行傅里葉變換，但是窗函數的選擇也面臨問題，時間間隔的大小難以選擇，太大會導致效果不理想，太小會導致加窗后的頻譜與原始信號頻譜不相符，面對這些問題，需要更多的時頻分析方法。短時傅里葉變換是在傅里葉變換的基礎上加窗，假設[wt]為窗函數，[ω=2πf]為角頻率的情況下，[st]的短時傅里葉變換可為

3 實驗結果

在本節，將主要分析新提出的時頻分析檢測方法的性能。在實驗中，采集到的GNSS信號參數如表1所示，表示由恒定的線性調頻干擾破壞的零均值高斯噪聲中的真實GPS L1信號，通常為GNSS接收機干擾檢測的測試平臺。

4 結論

本文提出一種用于衛星導航的分數階時頻分析干擾檢測方法，在干擾場景下對GPS L1信號進行實驗，與WVD、PWVD和譜圖法進行綜合性的性能對比。驗證了WVD具有良好的時頻分辨特性且明顯優于譜圖，但是其自身存在交叉干擾項難以抑制的問題 ，使其難以應用于時頻域的干擾檢測。而譜圖法不存在交叉干擾項問題 ，但是時頻分辨性太差也難用于干擾檢測。為了保持良好的時頻特性且不帶來交叉干擾項問題。

參考文獻：

[1] D. Borio， L. Camoriano， S. Savasta， and L. L. Presti. Time–frequency excision for GNSS application[J]. IEEE Syst. J.， Mar. 2008： 27–37.

[2] X. Ouyang and M. G. Amin.Short-time Fourier transform receiver for nonstationary interference excision in direct sequence spread spectrum communications[J] IEEE Trans. Signal Process， Apr. 2001： 851–863.

[3] 楊朝，徐慨，楊海亮.衛星通信干擾信號的檢測方法[J].指揮控制與仿真，2016，38（6）：125-128.

[4] 李豹，許江寧，朱銀兵，曹可勁，胡彥逢，李松林.衛星導航欺騙干擾技術研究進展[J].海洋測繪，2018，38（3）：69-72.

[5] 戴志春，劉文祥，封欣，孫廣富.衛星導航信號捕獲的一種高效相關算法[J].全球定位系統，2018，43（6）：33-36.

[6] 吳為，賴生建，鄧建華，白志剛，陶煒，吳凌華.一種小型化北斗二代衛星導航系統收發模塊的研制[J].中國測試，2016，42（2）：71-74.

【通聯編輯：張薇】