郭淑霞，劉孟江，董中要，高 穎

(西北工業(yè)大學(xué)，西安 710065)

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展至今，已經(jīng)具備了全球性、可靠性、高精度、連續(xù)性等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用包括定位導(dǎo)航、授時(shí)校頻、精密測(cè)量等，在事關(guān)國(guó)計(jì)民生的重要行業(yè)中，發(fā)揮著不可替代的作用。目前世界上有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別是美國(guó)的 GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO和中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第一期工程(5GEO+4MEO+3IGSO)已于2012年實(shí)現(xiàn)了亞太地區(qū)覆蓋，并計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

電子、通信等信息技術(shù)的巨大進(jìn)步使得北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境也變得越來(lái)越復(fù)雜，各種電磁設(shè)備工作時(shí)帶來(lái)的電子干擾勢(shì)必會(huì)對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成極大威脅?？偟膩?lái)說(shuō)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上行注入鏈路面臨的干擾分為兩類(lèi):一是來(lái)自復(fù)雜的自然空間電磁環(huán)境;二是來(lái)自復(fù)雜的人為電磁環(huán)境，包括有意干擾和無(wú)意干擾。二者共同構(gòu)成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境。其中又以人為的有意干擾影響最為嚴(yán)重。人為有意干擾根據(jù)干擾類(lèi)型通常有窄帶干擾(Narrow band interference)和寬帶干擾(Broad band interference)等［1］。各種干擾信號(hào)分布于整個(gè)時(shí)域、頻域和空域，這將會(huì)給北斗上行注入鏈路通信帶來(lái)極大危害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法正常進(jìn)行定位、授時(shí)等工作。因此為了保證北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有必要進(jìn)行干擾及干擾抑制技術(shù)的研究。

針對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上行注入鏈路存在的窄帶干擾進(jìn)行了研究。北斗上行鏈路采用的信號(hào)體制為QPSK直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。擴(kuò)展頻譜(Spread spectrum)技術(shù)本身具有信號(hào)頻譜寬、波形復(fù)雜、安全隱蔽等特點(diǎn)，在一定程度上降低了被截獲和干擾的概率，具有一定的抗干擾能力，已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中最基本的抗干擾技術(shù)。但是僅僅依靠擴(kuò)頻技術(shù)還不足以抵抗復(fù)雜電磁環(huán)境下的各種干擾，因此有必要在上行注入鏈路中加入其它的干擾抑制技術(shù)，以保障北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前關(guān)于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)窄帶干擾的研究只是針對(duì)于下行鏈路的用戶(hù)接收機(jī)進(jìn)行的，而沒(méi)有針對(duì)上行注入鏈路進(jìn)行研究。在分析北斗上行注入鏈路信道狀況的基礎(chǔ)上，針對(duì)窄帶干擾采用了時(shí)域處理和變換域處理兩種抑制算法［2］，并進(jìn)行了MATLAB仿真，對(duì)兩種抑制算法進(jìn)行了基于誤碼率和信噪比的性能比較。

2 上行注入鏈路信道分析

上行注入鏈路信號(hào)在地面到衛(wèi)星之間的傳播，主要受到大氣效應(yīng)的影響。大氣效應(yīng)對(duì)上行注入信號(hào)包絡(luò)ra和相位φa的影響都符合正態(tài)分布［3］，即

其中，ma、2分別是相位的均值和方差。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星端接收機(jī)的接收信號(hào)可以表示為視距分量(LOS component)和多徑分量(Multi－path component)之和。

其中，r為接收信號(hào)的幅度，θ為信號(hào)的相位;z為L(zhǎng)OS分量幅度，Φz(mì)為L(zhǎng)OS分量相位;s為多徑分量幅度，Φs為多徑分量相位。

對(duì)于北斗上行注入鏈路所處信道，可以認(rèn)為L(zhǎng)OS分量沒(méi)有被遮擋，zexp(jΦz(mì))為復(fù)常數(shù)，其幅度z和相位Φs只與地面注入站和星端接收機(jī)之間距離有關(guān)，此時(shí)信號(hào)的包絡(luò)服從萊斯分布，LOS分量與多徑分量功率的比值可通過(guò)A2/2b0計(jì)算得到。

3 窄帶干擾分析

窄帶干擾是指功率譜集中在某一中心頻率(通常對(duì)準(zhǔn)干擾對(duì)象的工作頻率)附近的一個(gè)很小的頻帶內(nèi)，同時(shí)頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其中心頻率的信號(hào)，即頻帶較窄。所以，在相同的干擾功率下，窄帶干擾功率譜密度比較高，對(duì)干擾覆蓋帶寬內(nèi)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的上行注入鏈路信號(hào)影響也比較大，尤其是窄帶干擾信號(hào)的頻率與上行注入信號(hào)的頻率相同或者接近時(shí)，對(duì)上行注入鏈路信號(hào)的影響非常大，會(huì)導(dǎo)致誤碼率的急劇增高。圖1給出了多個(gè)瞄準(zhǔn)頻率的窄帶干擾頻譜圖。

窄帶干擾中常見(jiàn)的音頻干擾可用下式表示［4］:

其中Ai為干擾幅度，fi為相對(duì)于擴(kuò)頻信號(hào)載波的頻譜，θi為干擾相位，在［0，2π］上均勻分布，相互獨(dú)立。

可得窄帶干擾自相關(guān)函數(shù)為:

功率譜密度為:

其平均功率為:

圖1 多個(gè)瞄準(zhǔn)頻率的窄帶干擾頻域圖

4 干擾抑制算法

北斗上行鏈路擴(kuò)頻信號(hào)體制的抗干擾技術(shù)主要可分為自適應(yīng)濾波的時(shí)域處理技術(shù)(Adaptive filtering time domain processing)和變換域處理技術(shù)(Transform domain processing)兩類(lèi)［5］。下面主要針對(duì)這兩種常用的干擾抑制技術(shù)進(jìn)行研究和比較。

4.1 時(shí)域自適應(yīng)濾波

由于在北斗上行注入鏈路擴(kuò)頻信號(hào)體制中窄帶干擾的頻率和幅度的隨機(jī)性，因此在星端接收機(jī)中難以實(shí)時(shí)地估計(jì)窄帶干擾的幅頻特性，然后再對(duì)窄帶干擾進(jìn)行有效抑制，因而需要采用自適應(yīng)技術(shù)。自適應(yīng)濾波技術(shù)是通過(guò)特定的自適應(yīng)算法不斷調(diào)整濾波器的抽頭系數(shù)，在時(shí)域或者頻域自動(dòng)跟蹤窄帶干擾的頻幅特性，然后去除接收信號(hào)中的窄帶干擾成分，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的抑制。

自適應(yīng)濾波的時(shí)域處理技術(shù)［6］主要利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上行注入信號(hào)為寬帶信號(hào)，可預(yù)測(cè)性差，而窄帶干擾信號(hào)具有較好的可預(yù)測(cè)性的特點(diǎn)，先得到一個(gè)干擾信號(hào)的估計(jì)副本，然后在星端接收機(jī)的接收信號(hào)中減去估計(jì)副本，從而對(duì)窄帶干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，基本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)為估計(jì)－相減。用于窄帶干擾估計(jì)的濾波器可通過(guò)延遲線抽頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，干擾估計(jì)濾波器根據(jù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不同可以分為線性預(yù)測(cè)濾波器(Linear predictive filter)和線性插值濾波器(Linear interpolation filter)兩種。線性插值濾波器是在線性預(yù)測(cè)濾波器基礎(chǔ)上的改進(jìn)和演化，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的估計(jì)。這是因?yàn)樗鼘?duì)窄帶干擾的估計(jì)不僅利用過(guò)去時(shí)刻的輸入值，還同時(shí)利用將來(lái)時(shí)刻的輸入值。

當(dāng)上行注入信號(hào)的功率和窄帶干擾相比擬時(shí)，由于上行注入信號(hào)的存在，會(huì)嚴(yán)重影響對(duì)窄帶干擾的估計(jì)。這里研究的是在強(qiáng)窄帶干擾情況下的上行注入信號(hào)傳輸，上行注入信號(hào)功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于窄帶干擾功率，上行注入信號(hào)的存在對(duì)窄帶干擾估計(jì)的影響較小，因此采用LMS自適應(yīng)算法可以對(duì)窄帶干擾進(jìn)行有效的抑制，LMS自適應(yīng)濾波的原理如下圖2所示。

圖2 自適應(yīng)濾波原理圖

4.2 變換域處理技術(shù)

與時(shí)域干擾抑制處理方法相比，變換域干擾抑制技術(shù)［7］可以進(jìn)行快速的自適應(yīng)調(diào)整并可以同時(shí)抑制多個(gè)干擾。并且對(duì)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上行注入鏈路來(lái)說(shuō)，干擾環(huán)境復(fù)雜多變，且干擾的統(tǒng)計(jì)特性也難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因而適合采用變換域干擾抑制技術(shù)。干擾抑制原理如圖3所示。變換域處理技術(shù)主要利用上行鏈路注入信號(hào)、窄帶干擾不同的頻域特征來(lái)去除窄帶干擾信號(hào)，上行注入信號(hào)和白噪聲的頻譜相對(duì)比較平坦，而窄帶干擾信號(hào)的頻譜往往表現(xiàn)為很高很窄的沖激，從而可以在變換域識(shí)別存在的窄帶干擾的頻譜，并可以通過(guò)相應(yīng)的處理(比如同過(guò)設(shè)定相應(yīng)的門(mén)限)來(lái)去除窄帶干擾。變換域的干擾抑制根據(jù)域變換方法的不同，有離散傅里葉變換(Discrete Fourier transform，DFFT)、離散余弦變換(Discrete cosine transform，DCT)、小 波 包 變 換(Wavelet packet transform，WPT)等多種方法，在文中采用基于離散傅里葉變換的干擾抑制技術(shù)。

圖3 變換域干擾抑制算法原理框圖

圖3中干擾處理與干擾檢測(cè)是變換域窄帶干擾 抑制的基礎(chǔ)。干擾處理主要是在對(duì)有用信號(hào)影響極小情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)窄帶干擾信號(hào)的抑制，通常采用陷波器(Notch)實(shí)現(xiàn)。這里陷波器采用無(wú)限沖擊響應(yīng)(Infinite impulse response，IIR)數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，其常系數(shù)線性差分方程［8］為:

x(n)為輸入信號(hào)序列，y(n)為輸出信號(hào)序列，ai和 bi為常系數(shù)，K，J為階數(shù)。

對(duì)上式兩邊進(jìn)行z變換，可以得到數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為:

上式中:pi和zi分別為傳遞函數(shù)的極點(diǎn)和零點(diǎn)，濾波器的性能可由傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)確定。因此可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)零點(diǎn)和極點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)帶陷數(shù)字濾波器［9］。

5 仿真分析

最后在高斯信道下，載波頻率1340MHz，碼速率10.23Mcps，信號(hào)帶寬 24MHz，10階 m 序列擴(kuò)頻的條件下進(jìn)行了誤碼率對(duì)信噪比的MATLAB仿真，仿真結(jié)果如圖4－圖6所示。

由圖4可以看出，在加入了窄帶干擾之后，誤碼

圖4 窄帶干擾前后誤碼率變化曲線

圖5 時(shí)域干擾抑制前后誤碼率曲線

6 結(jié) 束 語(yǔ)

在分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上行注入鏈路窄帶干擾的基礎(chǔ)上了，對(duì)干擾進(jìn)行了建模和分析，針對(duì)窄帶干擾提出了時(shí)域自適應(yīng)濾波干擾抑制和變換域干擾算法，并通過(guò)MATLAB進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，這兩種抑制算法都能有效的對(duì)窄帶干擾進(jìn)率變的非常大，已經(jīng)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)正常工作的需求。

由圖5－圖6可以看出，在相同信噪比的情況下，干擾抑制后，信號(hào)的誤碼率明顯低于干擾抑制前的誤碼率，達(dá)到了很好的干擾抑制效果，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。并且通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比可以看出，時(shí)域干擾抑制后的誤碼率曲線略低于變換域處理后的誤碼率曲線，約有1.6dB的誤碼率提高，也就是說(shuō)在北斗上行注入鏈路的條件下，時(shí)域干擾處理技術(shù)的性能略?xún)?yōu)于變換域處理技術(shù)。行抑制，并且在上行注入鏈路條件下，時(shí)域的自適應(yīng)濾波技術(shù)的干擾抑制性能優(yōu)于變換域抑制技術(shù)。研究成果將有助于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上行注入鏈路的抗干擾工程實(shí)踐，在提高系統(tǒng)的魯棒性和安全性能上具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

圖6 變換域干擾抑制前后誤碼率曲線

［1］王立松.衛(wèi)星測(cè)控通信抗干擾技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)，2010.

［2］趙剛.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)實(shí)用仿真技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009:70－75.

［3］PETE R STAVROULAKIS. Interference Analysis and Reduction for Wireless Systems［M］.Artech House Publisheres，2002:173 －176.

［4］R.A.POISEL.Modern Communications Jamming Principles and Techniques［M］.Artech House Publishers，2006:210－219.

［5］W.Hang，W.Zanji，G.Jingbo.Performance of DSSS against repeater jamming［C］.IEEE International Conference on Electronics，Circuits and Systems(ICECS)，2006，858 －861.

［6］F.Shang.On study of the circular rectangle microstrip antenna used for satellite position system［J］.Journal of Xi’an University of Post and Telecommunications，2008，13(3):20－32.

［7］Hui Hu，Kechu Yi.The study of GPS and GPS jamming technology［J］.science and technology，2004(8):4l－44.

［8］M.K.SIMO，J.K.OMURA，R.A.SCHOLTZ，B.LEVITT.Spread Spectrum Communications Handbook［M］.MeGraw Hill，Ihe.，New York，2002:51 －73.

［9］郭淑霞，胡占濤.衛(wèi)星導(dǎo)航上行注入鏈路接收端電磁環(huán)境效應(yīng)預(yù)測(cè)仿真［C］.第四屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)電子文集，武漢，2013.