北斗B1信號干擾檢測方法研究*

劉瑞華 梁欣萌 王 晶

1.中國民航大學電子信息工程學院，天津300300 2.民航航空器適航審定技術重點實驗室，天津300300

0 引言

隨著北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)的快速發展，確保北斗信號服務質量成為北斗系統面臨的一項重大挑戰。干擾監測技術主要包含干擾檢測、干擾識別、干擾測向和干擾源定位4種關鍵技術。干擾檢測是干擾監測的前期工作，只有完成干擾的存在性檢測才能進行識別、測向和干擾源定位等后續工作[1]。關于干擾檢測的理論方面，常用的檢測方法包括能量檢測法[2]、匹配濾波器檢測法[3]、循環平穩特征檢測法[4]、連續平均消除法[5]等。本文在研究一般干擾頻點檢測方法的基礎上，針對北斗B1信號特征提出了改進的干擾檢測方法。

1 北斗B1信號干擾檢測方法

1.1 檢測信號模型

干擾條件下，接收到的檢測信號包括有用信號、噪聲和干擾信號[6-11]。檢測信號可表示為：

r(t)=s(t)+n(t)+J(t)

(1)

其中，s(t)表示有用信號，n(t)表示噪聲，J(t)表示干擾信號。

根據信號的帶寬特征，分為窄帶和寬帶干擾兩類。干擾信號帶寬小于有用信號帶寬的10%稱為窄帶干擾，否則稱為寬帶干擾[6]。單頻干擾、部分頻帶干擾屬于窄帶干擾，而脈沖干擾、寬帶調頻干擾、匹配波干擾等屬于寬帶干擾。當窄帶干擾的干擾帶寬接近無窮小時，稱之為單頻干擾，單頻干擾是窄帶干擾的極限形式。

本文使用高增益天線采集的北斗B1信號，已完成對射頻信號的低噪放和下變頻處理，得到的是數字中頻信號[12]。北斗B1信號采集系統的采樣頻率為240MHz，頻點為1561.098MHz的射頻信號變成了頻點為40.258MHz的數字中頻信號。設數字中頻信號用r(n)表示：

r(n)=s(n)+n(n)+J(n)

(2)

對r(n)做FFT變換，FFT點數為N：

k=0,1,2,…,N-1

(3)

R(k)=S(k)+N(k)+J(k)

(4)

其中，S(k)、N(k)、J(k)分別表示s(n)、n(n)、J(n)的FFT變換。

從濾波器的角度看，FFT運算可以看成是將信號通過一組歸一化中心頻率為2πk/N，k=0,1,2,…,N-1的窄帶濾波器，R(k)表示第k個濾波器的輸出[13-14]。衛星信號經擴頻后功率很小，幾乎淹沒在白噪聲中，信號可近似看做高斯白噪聲加單頻干擾通過窄帶濾波器。假設單頻干擾信號的中心頻率正好處于濾波器的中心頻率，則干擾可完全通過窄帶濾波器，高斯白噪聲信號轉變為窄帶高斯白噪聲。此時接收信號可表示為噪聲信號和單頻干擾之和。設R(k)的包絡為A(k)，則A(k)表示為：

k=0,1,2,…,N-1

(5)

1.2 一般干擾頻點檢測方法

一般干擾頻點檢測方法[8]的檢測流程如圖1所示。對數字中頻信號r(n)進行FFT變換，設置適當的檢測門限對各個頻點的譜線值進行判決，得出檢測結果。

圖1 一般干擾頻點檢測流程

正弦信號和窄帶高斯信號之和的包絡服從萊斯分布，也叫廣義瑞利分布，對信號做FFT變換不會改變信號的包絡分布，故R(k)的包絡A(k)服從廣義瑞利分布，其概率密度函數為：

(6)

式中，σ2為噪聲方差，PJ為單頻干擾功率，I0(·)為修正的0階第一類貝塞爾函數。

假設噪聲方差σ2恒定，當干擾很小時，包絡A(k)的概率密度函數和期望可近似為：

(7)

(8)

當干擾很大時，包絡A(k)的概率密度函數和期望可近似為：

(9)

(10)

檢測門限值使用僅噪聲情況下期望的虛警率和信號的統計特性先驗計算。當干擾不存在時，接收信號FFT變換后的包絡A(k)服從瑞利分布，A(k)的分布函數表示為：

(11)

則：

(12)

對于檢測門限，CME算法要求大多數包絡譜線值均小于干擾檢測門限，設此時干擾檢測的虛警概率為Pf，T為檢測門限值，那么包絡譜線將有F(T)=1-Pf的概率小于檢測門限T。T由式(13)計算得到：

(13)

其中，Am為包絡A(k)的譜線總和，a為檢測門限因子：

(14)

由公式(14)得不同虛警概率對應的檢測因子如表1所示。虛警概率越小，檢測因子越大[9]。

表1 檢測門限因子

一般干擾檢測方法中包括單門限檢測與雙門限檢測2種基本方法[11]，不同在于單門限檢測只需設定一個虛警概率，而雙門限檢測需要設定高低2個不同的虛警概率對應高低兩個不同的檢測門限，先使用低檢測門限檢測，再使用高檢測門限做進一步檢測[15]。

1.3 分段干擾頻點檢測方法

對于北斗B1信號，若檢測整段頻譜內的干擾，計算量大，檢測性能低，結果不準確。北斗B1信號1dB工作帶寬為4.092MHz，3dB工作帶寬為16MHz。帶外干擾對于北斗B1信號的影響較小，所以只需要對3dB工作帶寬內的信號進行干擾檢測，這樣可以提高檢測效率，且不用檢測帶外干擾，大大優化了檢測性能。

根據北斗B1信號的信號體制[16]，在3dB帶寬內存在1個主瓣和對稱的6個旁瓣。對于40.258MHz的數字中頻信號，采用分段檢測法對信號3dB帶寬(32.258MHz～48.258MHz)分7段進行干擾檢測，頻段劃分如表2所示。

表2 北斗B1信號干擾檢測頻段劃分

分段干擾檢測方法的流程為：

圖2 分段干擾檢測流程

1)設定兩個空子集I(n)和J(n)，I(n)為非干擾頻點子集，J(n)為干擾頻點子集；

2)對接收信號r(t)取N點的FFT運算，根據式(12)求R(n)的包絡A(n)，N取240000，同時取北斗B1信號3 dB工作帶寬頻段內包絡譜線Ab(n)；

3)將包絡譜線劃分為七段，逐段檢測；

4)由Ab1(n)的包絡譜線得初始檢測門限；

5)將Ab1(n)的譜線值與步驟4中的初始檢測門限值比較，若譜線值大于初始檢測門限，將譜線值及對應位置更新為干擾頻點子集J(n)中，其余譜線更新到非干擾頻點子集I(n)；

6)由步驟5中的I(n)得出新的干擾檢測門限，將I(n)中的譜線值與新的檢測門限對比，若譜線值大于檢測門限，將譜線值及對應位置更新到干擾頻點子集J(n)，同時相應位置的I(n)置為0；

7)重復步驟6，直到沒有譜線可更新到干擾頻點子集中。若非干擾頻點子集I(n)有p條譜線，則干擾頻點子集J(n)中有N-p條譜線；

8)假設采用雙門限檢測，則對中的條譜線求均值，計算得到高檢測門限，將步驟(7)中干擾頻點子集中的譜線與高檢測門限對比，將最終大于檢測門限的譜線更新到，剩余譜線更新到非干擾頻點子集中；

9)此時的干擾頻點子集J(n)為信號第1個頻段32.258MHz～34.2588MHz內的檢測結果。

10)重復步驟4～9對其他6個頻段進行檢測，更新后的干擾頻點子集J(n)為最終檢測結果。

2 仿真校驗

2.1 檢測性能分析

整段檢測與分段檢測的檢測結果對比如圖3所示，黑色譜線表示接收信號原始包絡譜線，譜線上標注的圓點表示干擾頻點。

可以看出，整段檢測將有用信號錯誤檢測為干擾信號，檢測效果差，檢測結果不準確；分段檢測方法可以檢測出譜線中異常突起的位置，檢測效果相對較好，檢測結果較為準確。

表3為單門限、雙門限與分段、整段檢測對于不同采樣時長的北斗B1信號15次處理的平均檢測時間對比，結果表明：分段檢測所需時間較短，檢測效率較高，且數據采樣時間越長差異越明顯。

圖3 整段檢測與分段檢測結果對比

表3 檢測時間對比

2.2 干擾數據處理

北斗B1射頻信號經過低噪放之后與信號源產生的干擾信號通過合路器疊加輸入到下變頻器中，再通過北斗信號采集系統進行采集，產生干擾數據。

信號采樣時間是1000ms，CME和FCME分段檢測算法的虛警率為1×10-5，基于雙門限檢測的虛警率分別為1×10-5和0.005，FFT變換采樣點數為240000。對疊加不同干擾信號的MEO-3號衛星進行干擾檢測。

單門限分段檢測算法對于單個頻點的干擾信號的檢測效果較好，但在干擾信號帶寬較寬的情況下容易漏檢。雙門限分段檢測的檢測算法在干擾較弱或只有單個頻點干擾的情況下，容易將正常頻點的信號檢測為干擾信號，檢測效果不佳，但在干擾帶寬較寬、干擾信號功率較大的情況下，效果優于單門限分段檢測算法。

2.3 北斗B1信號數據處理

對高增益天線采集的北斗B1信號離線數據進行干擾檢測，數據采樣率為240MHz，中心頻率為40.258MHz。采集若干顆衛星信號數據，對比其信號質量并對部分衛星信號做干擾檢測處理。信號的采樣時間是1000ms，CME和FCME分段檢測算法的虛警率為1×10-5，基于雙門限檢測的兩個虛警率分別為1×10-5和0.005，FFT變換采樣點數為240000。圖6和圖7為GEO-1號衛星的干擾檢測結果。

圖4 單門限分段干擾檢測結果

圖5 雙門限分段干擾檢測結果

圖6 GEO-1號衛星單門限干擾檢測結果

圖7 GEO-1號衛星雙門限干擾檢測結果

從圖7看出，GEO-1號衛星有載波泄露現象，在第一旁瓣出現碼頻泄露，但沒有對信號造成過大影響。而雙門限分段檢測算法出現了較大的虛檢情況。

3 結論

本文針對北斗B1信號提出的分段干擾檢測方法，檢測效果好，檢測效率有所提高。實際測試中，使用矢量信號源作為干擾源產生干擾信號，與北斗B1信號進行疊加，驗證了分段干擾檢測方法的有效性。實驗結果表明：單門限分段檢測算法對于單個頻點的干擾信號的檢測效果較好，但在干擾信號帶寬較寬的情況下容易發生漏檢現象;雙門限分段檢測算法在干擾帶寬較寬、干擾信號功率較大的情況下，檢測效果優于單門限分段檢測算法。