文貴宏,李 曉,吳仁彪,劉海濤

(中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室,天津300300)

0 引 言

GPS是具有海、陸、空全方位實時三維(時間、速度、方位)導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它是美國從上世紀70年代初開始規(guī)劃研制,歷時20余年,耗資200余億美元。作為一種通用的導航定位系統(tǒng),GPS有著許多其他導航系統(tǒng)無可比擬的特性,在民用和軍用定位與導航中獲得了廣泛的應用。但是由于信號到達地面時極其微弱,GPS極易受到環(huán)境和人為的干擾。有關研究表明[1]:一個發(fā)射功率為1W的GPS干擾機可使100 km范圍內民用/粗捕獲碼的(C/A碼)的接收機失靈,而10 km的干擾機就可使10 km的精碼(P碼)接收機失靈;在二次海灣戰(zhàn)爭中[2-3],伊拉克使用了俄制GPS接收機對美國的GPS系統(tǒng)實施了有效干擾,使美國的巡航導彈發(fā)生了不同程度的偏離,有的甚至落到土耳其境內。因此,提升GPS的抗干擾能力已成為當前研究的一個熱點。

目前,大量GPS抗干擾研究工作僅針對一兩種算法進行比較研究,算法性能主要通過仿真數據驗證比較,且不同研究工作所使用的仿真環(huán)境及參數差異較大,因此,無法對該領域內的抗干擾算法有一個準確、完整的認識。本課題組在國家863項目支持下,研究實現了多種抗干擾算法,并已獲授權國家發(fā)明專利3項,申請國家發(fā)明專利9項,在此基礎上,設計實現了衛(wèi)星導航系統(tǒng)自適應抗干擾軟件[4]研發(fā)平臺。該研發(fā)平臺集成了數據產生單元、自適應抗干擾算法單元、GPS軟件接收機單元及定位結果顯示單元;它可仿真驗證、評測不同類型抗干擾算法對GPS接收機捕獲、跟蹤及定位性能影響;此外,借助該平臺可開展GPS抗干擾接收機工程設計、實現及算法優(yōu)化等方面的工作。

介紹了自適應抗干擾研發(fā)平臺的組成與功能,并對平臺所集成的算法思想及特點做了簡單介紹,最后,用仿真數據與實測數據對其中的幾種算法進行了驗證。實驗結果表明:自適應抗干擾研發(fā)平臺對仿真數據及實測數據定位誤差均在可接受范圍內。

1 系統(tǒng)組成

圖1為自適應抗干擾研發(fā)平臺框圖,平臺主要由數據產生單元、抗干擾算法單元、GPS軟件接收機單元、定位結果顯示單元組成。

1.1 數據產生單元

自適應抗干擾研發(fā)平臺的數據產生單元包括實際數據采集模塊和仿真數據生成模塊。實際數據采集模塊主要由采集前端、A/D轉換器和干擾源構成。采集前端采用加拿大Novatel公司生產的SUPERSTARII GPS接收機OEM板卡;A/D轉換器采用臺灣凌華公司的PCI-9812采集卡,采集卡具有四個輸入通道,其最高采樣頻率可達20 MHz,采樣位寬為14 Bit,中頻頻率為4.309 MHz;干擾源為惠普8657B型信號發(fā)生器,產生一個頻率為 1575.42 MHz的調頻信號,利用天線發(fā)送到GPS接收天線附近。仿真數據生成模塊可根據需要,通過選擇衛(wèi)星星號、改變信噪比、改變干擾源類型、選擇陣列類型來生成所需的陣列數據。

圖1 自適應抗干擾研發(fā)平臺框圖

1.2 抗干擾算法單元

自適應抗干擾研發(fā)平臺集成了十種抗干擾算法,十種抗干擾算法分為三類:時域抗干擾算法、空域抗干擾算法、空時域抗干擾算法。時域算法包括自適應FIR濾波器;空域抗干擾算法包括:空域最小功率算法;空域CAPON算法;空域解重擴算法;通用的多類干擾抑制算法;C2AB算法;常規(guī)多波束形成算法?？諘r域抗干擾算法包括:空時最小功率算法;空時CAPON算法;空時解重擴算法。限于篇幅,這里僅簡單介紹各個算法的基本思想及特點。

1)自適應FIR濾波器

自適應FIR濾波器是在保證某一支路加權值為常數的條件下,使橫向濾波器輸出功率最小。該算法具有無須知曉干擾信號的先驗信息,就可以在干擾頻率處形成零陷,達到抑制干擾的目的。它具有運算復雜度低、運算速度快的優(yōu)點,算法的不足之處在于不能抑制同頻干擾。

2)空域最小功率法[5]

空域最小功率法是直接將陣列的輸出作為誤差信號,追求均方誤差最小從而使列輸出最小。其優(yōu)點在于不需要預先知道信號結構和方向就可在強干擾的情況下獲取微弱的有用信號,算法流程比較簡單。但該算法對信號不形成增益,并且,對信號有一定的衰減。

3)空域CAPON算法

空域CAPON算法的基本思想是在保證有用信號無失真通過的條件下使輸出功率最小化。該算法流程比較簡單,對信號能形成增益,抗干擾能力較強,抗干擾后的數據定位精度高;不足之處在于需要知道衛(wèi)星信號來向。

4)空域解重擴算法[6]

解重擴算法的基本思路是在接收端對發(fā)射信號進行自適應波束形成時,發(fā)射信號在時間周期內的信號波形可以利用該發(fā)射信號的擴頻碼對檢測出的數據進行重新擴頻來得到。解重擴算法的優(yōu)點在于不需要知道任何信號的先驗信息就可以有效的去除干擾,抗干擾能力較強;但算法流程比較復雜。

5)通用的多類干擾抑制算法[7-8]

該算法的基本思想是將陣列接收數據向干擾正交補空間投影以抑制欺騙式干擾和壓制式干擾,并對投影后的無干擾數據進行低副瓣常規(guī)波束形成來減輕多徑干擾的影響,達到同時抑制多類干擾的目的。該算法能夠同時抑制欺騙式干擾、壓制式干擾和衛(wèi)星多徑信號干擾,并對GPS信號提供信號處理增益,不足之處在于,需要已知信號來向信息,并且需要采用較大陣列,一般適用于多類干擾共存的地面場景中的GPS干擾抑制。

6)C2AB算法[9-11]

C2AB算法的基本思路是先利用干擾正交補空間投影方法抑制干擾,采用CLEAN算法估計衛(wèi)星來向信息,從而獲得靜態(tài)加權矢量,對陣列數據加權來增強GPS信號。本算法適用于衛(wèi)星來向未知的環(huán)境;由于是估計信號來向,其抗干擾能力相對較差。

7)常規(guī)多波束形成算法[12-13]

常規(guī)多波束形成算法的基本思路是先利用干擾正交補空間投影方法抑制干擾,根據俯仰角(-60°,60°)之間假定的衛(wèi)星來向獲得靜態(tài)加權矢量,對陣列數據加權來增強GPS信號。本算法不需要知道信號來向,僅適用于小陣元數的情況。

8)空時最小功率算法

空時最小功率算法的基本思想與空域最小功率算法相同,但具有更多空域時域自由度,能夠更有效地消除干擾,但不足之處與空域最小功率法相同,即不能夠在信號方向形成增益。

9)空時解重擴算法[14]

算法基本原理與空域解重擴算法基本相同,但具有更多空域時域自由度,能夠更有效的消除干擾。由于STAP的結構使之在處理帶寬上不能有一致的頻率響應[12],會造成接收到的衛(wèi)星信號失真,使陣列輸出和本地信號間的互相關函數出現主瓣展寬,互相關峰值偏移等現象,影響GPS信號的捕獲及用戶位置的確定。為了補償這種影響,必須對信號進行均衡處理,才可能做到全盲自適應處理,提高算法的魯棒性。本平臺采用同態(tài)濾波[15]、權值約束[16]、最小二乘逆濾波[17]三種均衡方法,文獻[12]對三種均衡方法的性能做了深入的分析研究。

10)空時CAPON算法

基本原理與空域CAPON算法基本相同,但具有更多空域時域自由度,能夠更有效的消除干擾。空時CAPON算法存在與空時解重擴相同的問題,即由于STAP的結構會造成接收到的衛(wèi)星信號失真,影響GPS信號的捕獲及用戶位置的確定。因此,自適應抗干擾研發(fā)平臺采用同態(tài)濾波、權值約束、最小二乘逆濾波三種均衡方法對空時CAPON算法進行均衡。

1.3 GPS軟件接收機單元

該單元對抗干擾后的基帶信號進行捕獲、跟蹤與定位處理,最后,獲取GPS終端的位置信息。捕獲過程利用具有快速算法的FFT在頻域內完成,主要功能是搜索GPS信號中存在的衛(wèi)星星號,并得到其載波初始頻率與C/A碼碼相位;跟蹤環(huán)利用捕獲得到的碼起始相位和載波頻率作為跟蹤環(huán)的起始值,通過碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)(Costa環(huán))進行跟蹤,實現本地參考信號對輸入信號的準確同步,從而對GPS信號進行解擴和解調,獲得進一步精確的載波頻率、C/A碼相位以及準確的導航電文;定位過程從跟蹤解調后的導航數據中提取衛(wèi)星星歷并計算偽距信息,通過最小二乘法計算出用戶位置。

1.4 顯示單元

GPS軟件接收機單元得到的定位結果轉換成NMEA-0183格式,并通過計算機串行口發(fā)送出去。顯示單元從計算機串行口讀取定位信息并顯示在以下圖形界面中。

圖2 顯示單元的圖形界面

2 數據測試驗證

只介紹三種算法的驗證結果。對仿真數據選擇空域最小功率法、空域解重擴抗干擾算法與空域CAPON算法;對實采數據選用空域最小功率算法、C2AB算法及空域解重擴算法進行抗干擾處理。

2.1 仿真數據驗證

利用仿真數據生成模塊所生成的衛(wèi)星數據參數為采樣率為6 MHz,中頻為4.309 MHz;干擾信號為窄帶干擾,干擾來向為-20°,信噪比SNR為-18 dB,干噪比JNR為20 dB;經緯度設為北緯39°、東經50°;加入四顆衛(wèi)星的信號,衛(wèi)星星號分別為1#、13#、20#、22#;其信號來向分別為-40°、10°、40°、70°。選用空域最小功率算法、空域解重擴抗干擾算法與空域CAPON算法進行抗干擾處理。

圖3為三種方法的陣列方向圖,從圖中可以看出,空域最小功率算法在干擾方向形成零陷,在衛(wèi)星信號方向上沒有增益;空域解重擴算法在干擾方向形成零陷,并在衛(wèi)星信號方向上形成增益;空域CAPON算法在干擾方向上形成零陷,并在衛(wèi)星信號方向上形成增益。圖3說明了三種算法都對干擾進行了抑制,空域解重擴算法和空域CAPON算法對信號形成了增益。

圖3 三種抗干擾算法的陣列方向

圖4 空域最小功率法抗干擾前后的頻譜圖

圖4為空域最小功率法抗干擾前后的頻譜圖,從圖中可以看出,抗干擾之前信號在中頻上有一個干擾,經過抗干擾處理,干擾得到了有效的抑制。

固定其他參數,改變隨機噪聲,多次計算得到統(tǒng)計定位誤差如表1所示。

表1 仿真數據定位誤差(二維平面誤差)

從實驗結果可以看出,研發(fā)平臺對仿真數據的定位誤差較小。

2.2 實測數據驗證

利用實際數據采集模塊采集數據,實采數據采樣率為5.714 MHz,中頻為4.309 MHz,干噪比為15 dB。選用空域最小功率算法、C2AB算法及空域解重擴算法進行抗干擾處理。圖5為空域最小功率法抗干擾前后的頻譜圖,從圖中可以看出,帶干擾的衛(wèi)星信號經過抗干擾處理后,干擾信號得到了有效的抑制。表2所示為實測數據的定位誤差,從實驗結果可以看出,研發(fā)平臺對實采數據的定位誤差較小。

圖5 空域最小功率法抗干擾前后的頻譜比較

表2 實采數據定位誤差(二維平面誤差)

3 結 論

介紹了衛(wèi)星導航自適應抗干擾研發(fā)平臺的功能及其組成,重點介紹了十類自適應抗干擾算法的基本思想及抗干擾性能。最后,通過計算機仿真及實采數據驗證了自適應抗干擾研發(fā)平臺的抗干擾性能。自適應抗干擾研發(fā)平臺對GPS抗干擾算法的工程設計實現具有重要意義,相關研究也可應用于伽利略等衛(wèi)星導航系統(tǒng)與北斗二代導航系統(tǒng)。

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