任 萍

(交通運輸部北海第一救助飛行隊，山東 煙臺 265600)

0 引言

民用航空工業(yè)是高風險、高科技產(chǎn)業(yè)，目前，航空飛行安全系統(tǒng)已取得了長足的發(fā)展，但是，航空事故仍然繼續(xù)發(fā)生。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，民航導航通信與導航頻率的干擾是導致航天飛行事故的主要原因之一[1]。伴隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，衛(wèi)星導航在軍事、民用等方面的應用日益廣泛。但是，民航導航通信系統(tǒng)中存在有意和無意的各種干擾，影響了導航系統(tǒng)地面部分的測控、運行控制和用戶正常工作，這嚴重威脅到精確、易用的衛(wèi)星導航連續(xù)性和完整性。民航導航通信干擾檢測系統(tǒng)的設計，能夠為航天飛行和著陸提供穩(wěn)定、可靠的檢測結果。導航一旦失效，對飛行安全和指揮控制構成風險，造成重大損失和后果[2]。

為了探測和減輕民航導航通信系統(tǒng)的干擾，開發(fā)具有工程應用價值的干擾監(jiān)測定位設備是十分必要的。文獻[3]提出基于SCB方差的GNSS欺騙式干擾檢測算法，在對中間欺騙攻擊過程進行分析的基礎上，提出了欺騙信號的檢測碼跟蹤環(huán)路，利用過零S曲線，改變偏差方差值來檢測中間欺騙干擾；文獻[4]提出自適應雙門限協(xié)同干擾檢測算法，該方法通過對各個節(jié)點信號環(huán)境分析，同時結合信息融合算法，及時調(diào)整兩個門限之間距離，由此進行干擾檢測。

上述這兩種方法在測試場地所產(chǎn)生背景噪聲較大時，背景噪聲會與測試的電磁信號重疊，很難從測試結果中精準檢測導航通信干擾?；诖?，提出了基于自適應濾波的民航導航通信干擾檢測系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

基于自適應濾波的民航導航通信干擾檢測系統(tǒng)其硬件結構見圖1，對監(jiān)測測向天線所接收到的空間電磁波信號進行檢測，實現(xiàn)民航導航衛(wèi)星天線定位及導航授時，對監(jiān)測測向主站接收的天線信號進行實時分析，完成對干擾信號的檢測。

圖1 通信干擾檢測系統(tǒng)硬件結構示意圖

由圖1可知，利用頻譜分析和參數(shù)測量的方法，測量干擾源的入射波形，并根據(jù)測量結果確定干擾源；從而實現(xiàn)對導航頻段的實時監(jiān)測。在單一設備中，移動設備可以根據(jù)時間分配結果來定位多個點，在有多個設備的情況下，實現(xiàn)多個設備同時定位。

1.1 多信道檢測接收機

多信道檢測接收機是系統(tǒng)的核心設備，能夠實時記錄測向天線陣發(fā)送的各種信息，這些信息中在保存基本信息外，也記錄了干擾信息，具有實時回放、信息提取等功能。多信道檢測接收機結構，如圖2所示。

圖2 多信道檢測接收機結構

由圖2可知，該天線裝置接收的信號經(jīng)過自適應濾波放大處理后，能夠對中頻信號起到減弱作用，由此輸出的中頻信號不會太強[5-7]。將中頻信號傳送到信號處理單元，經(jīng)過處理后再由PCI接口傳遞給主機進行分析。天線分配單元是由檢測模塊和補償模塊組成的，包含了檢測結果和補償兩部分數(shù)據(jù)。標準頻帶外部設置了時鐘，該時鐘存在一個外部標準頻率輸入接口，負責傳輸來自外部的參考頻率源，而天線分配器負責將天線輸入的信號分配給獨立檢測通道，以供檢測[8-10]。

1.2 測向天線陣

測向天線陣是一種空間信號采集裝置，能夠接收來自其他天線陣元的信號幅值、相位，天線接收的射頻信號經(jīng)過通道接收機變頻處理后，轉換為可采樣的中頻信號，該信號經(jīng)過雙通道采集后，再轉換為基帶數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關運算后得到出波方位[11]。

為了保證兩個接收通道相位是一致的，接收機射頻部分將配置一部校準信號裝置，該裝置每次在采集信號前，都需將校準源打開，并送入天線陣中，測出當前頻率下兩個接收通道的相位差。為了消除固有誤差，需消除兩個相位差，以確保實際測量結果中信號方位正確。

測向天線陣結構，如圖3所示。

圖3 測向天線陣結構

由圖3可知，一組天線可以采用任何形式，每一個陣元具有不同的特性。將每個單元設為全向天線陣元，使其在空間譜估計和測向中均勻分布在一條直線上。陣列天線單元的間距一般為工作波長的一半，這種陣列是均勻陣列[12-14]。每個陣列元素的模式應盡可能一致，每個陣列的元素也應盡量少耦合。例如，在N個陣元天線中，不同天線陣元的輸出結果分別發(fā)送到各自的接收端，且接收結構相同[15-17]。將干擾信號經(jīng)變頻器放大、變頻處理后，經(jīng) A/D轉換器頻率轉換后輸出中頻信號。A/D轉換器指的是將模擬信號轉換為數(shù)字信號的元件，由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，所以任意一個模數(shù)轉換器都需要參考模擬量作為轉換結果。在實際轉換過程中，取樣和保持過程是合并的，而量化和編碼過程是需要轉換的[18]。模數(shù)轉換過程需要經(jīng)過采樣、量化和編碼3個步驟，其中采樣指的是每隔一段時間，使用信號樣值來代替原始連續(xù)信號，也就是將信號離散化；量化指的是將模擬信號的連續(xù)幅度值轉變?yōu)橛邢薹戎?；編碼指的是按照二進制數(shù)字規(guī)律，將其轉換為二值化數(shù)字信號流，由此得到的數(shù)字信號能夠通過電纜進行數(shù)字線路傳輸；控制單元為工控平臺提供電力，同時也為射頻前端和測向天線提供電力[19-20]。當采樣過程中，每個采樣陣子的電平測量結果存在差異，那么需將每個采樣陣子與參考陣子電平差同時存儲在樣本庫中，由此能夠獲取全部電平相關測量結果。

1.3 電子羅盤

電子羅盤內(nèi)設3個磁阻傳感器，負責來自X、Y、Z三個不同方向的電磁干擾。同時還可在各方向實時調(diào)節(jié)傳感器靈敏度，經(jīng)A/D轉換器放大處理后，再傳送到單片機進行處理，得到目標方位角[21]。

三維電子羅盤結構示意圖，如圖4所示。

圖4 三維電子羅盤結構示意圖

由圖4可知，三維電子羅盤是由加速計和磁力計組成的，其中加速計是一種三軸加速計，分為X軸、Y軸和Z軸，通過三軸組成的三維空間，可以對電子指南針的各項運動進行實時監(jiān)控。在實際應用中，一般采用由兩個軸線組成的角來求出電子指南針的轉動角，然后再求出加速度。通過對某一方向上的慣性量的感知，可以得到有關的參數(shù)，并能實時地探測到三維空間中的重力和引力。如果加速表的返回值是1.0，則電子羅盤的感應方向是1 g；當電子羅盤處于靜止狀態(tài)且無工作狀態(tài)時，地球的重力約為1 g；如果縱向豎直持握時，電子羅盤在Y軸上施加的力是1 g。如果某一行為被加速計檢測到大于1 g，則表示此行為為突發(fā)行為，也就是干擾行為。

磁力計可用于測量磁場強度和方向以及目標與東南西北4個方向的夾角，磁場感應是一種矢量，具有大小和方向特征。由于地球重力形式已知信息，所以當目標呈平穩(wěn)運動狀態(tài)時，完全依靠自身采集的信息推算目標除了航向以外的姿態(tài)信息。

將加速計和磁力計結合使用，能夠實現(xiàn)多種情況下獲取完整信息的目的。

在儀器傾斜的情況下，方位角精度會受到很大影響，這種誤差取決于儀器的位置和傾角。為減少這一誤差的影響，采用3軸測角傳感器測量縱搖角和橫搖角，電子指南針將俯仰和橫搖角的數(shù)據(jù)進行轉換和計算，使磁力儀在3個軸上的矢量被“拉”回原位[22]。

1.4 檢測主機

主機采用雙信道方式，通過接收天線信道信號來檢測天線輸出的導航波段信號。該主機在局域和廣域網(wǎng)之間運行，采用局域網(wǎng)技術，信號傳輸速度較高。為了確定雙方傳輸路徑和格式，必須建立專用物理線路，保證數(shù)據(jù)不會丟失且保持原來序列。通過分組交換可將不定長報文分組存儲與轉發(fā)，再進行報文重組，適合大量信號傳輸。以報文或分組為單位的信號傳輸形式，可將時鐘調(diào)整到同一個頻率上，此時數(shù)據(jù)接收方需要不停發(fā)送和接收同步的比特流，為多個用戶共享提供信道。

在同一媒介上，將不同頻帶的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵活l帶上的檢測主機結構，如圖5所示。

圖5 檢測主機結構

由圖5可知，檢測主機是以頻率綜合器所產(chǎn)生的中頻信號為基準，將其他信號均轉換為中頻信號形式加以分析。對采集到的中頻信號進行頻譜分析和相位差計算后，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)接嬎銠C上，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交互和共享。電子羅盤模塊通過串口連接到時鐘模塊，并通過 SPI口控制檢測通道[23]。在數(shù)據(jù)鏈路層上，為了給網(wǎng)絡提供可靠的傳輸服務，分別在無確認的連接服務、有確認的連接服務上，為網(wǎng)絡層提供可靠傳輸信號，供主機檢測。

1.5 GNSS導航衛(wèi)星系統(tǒng)

使用GNSS導航衛(wèi)星系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)精準定位、導航和授時。該系統(tǒng)能夠設置在地球表面任何地點，為用戶提供精準的三維坐標和速度信息。GNSS導航衛(wèi)星系統(tǒng)主要是由地面控制結構、空間控制結構和用戶裝置3個部分組成的，其中地面控制結構是通過負責人管理主控站來控制整個地面工作內(nèi)容的；空間控制結構是通過地面天線向衛(wèi)星傳送報文的，在主控站的控制下，向用戶裝置傳遞相關信息?？臻g控制結構是由多顆GPS衛(wèi)星組成的，在任意地點都能精準觀測到多顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星上都是通過兩個L載頻傳輸信號的。每顆衛(wèi)星都是在完全相同的載波頻率下傳輸信號，其中一個載頻承載了捕獲碼C/A，另一個載頻承載了精密碼P。將導航數(shù)據(jù)報文疊加在一起，形成一個碼集合，使兩個L載承載相同的導航報文。

2 系統(tǒng)軟件部分設計

2.1 基于自適應濾波的通信干擾信號分離處理

對通信干擾數(shù)據(jù)進行自適應濾波分離處理，可預先對系統(tǒng)背景噪聲進行獨立測量，測量的噪聲信號與正常測試時混合信號中的噪聲有關。如此，獨立噪聲信號可作為期望信號，方便信號分離。

基于自適應濾波的通信干擾信號分離處理原理，如圖6所示。

圖6 基于自適應濾波的通信干擾數(shù)據(jù)分離處理原理

由圖6可知，該處理過程存在兩個處理通道，分別是輸入通道和參考通道，其中輸入通道接收來自信號源的有用信號和與信號毫不相關的電磁干擾信號[24]。參考通道接收來自背景噪聲的信號，通過使用自適應濾波處理技術，調(diào)整信號，分離背景噪聲信號及有效信號，使得該信號在最小均方意義下最接近主通道的干擾信號。如此，通過相減器就能將主通道的噪聲信號與電磁信號分離開。

具體分離步驟，如下所示：設系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)為y，可表示為：

y=a+b-c

(1)

公式(1)中，a表示從信號源接收到的有用信號；b表示與信號不相關的干擾信號；c表示通過自適應濾波調(diào)整后的有效信號。

由于從信號源接收到的有用信號和與信號不相關的干擾信號無關，所以該信號的均方值可表示為信號的功率。如果輸出的信號只包含了從信號源接收到的有用信號，或者計算的均方值達到最小，就可以求得原始有用信號均方值的最小值。由于有用信號不需要經(jīng)過自適應濾波處理，所以調(diào)整自適應濾波的加權矢量，使有用信號均方值達到最小。這種調(diào)整方式，能夠經(jīng)過自適應濾波處理后，獲取最接近輸入通道的干擾信號分量，由此能夠徹底分離開噪聲信號與電磁信號。

2.2 通信干擾檢測流程設計

在徹底分離開噪聲信號與電磁信號后，設計通信干擾檢測流程，并在C++編程軟件中實現(xiàn)軟件流程的編譯，選用Xcode開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)軟件流程的編碼、測試、調(diào)試。具體步驟如下所示。

1)計算相位差：

在多通道檢測接收機中，利用兩臺具有相同本地碼的接收機來接收相關信號，從而計算兩路接收的相位差，然后在干擾測向結果中加入干涉的測量結果。利用一條天線通道控制另一條信道，從這個信道接收不同信號，實現(xiàn)對干擾信號方向的估計[25]。

詳細步驟為：

當系統(tǒng)中存在背景噪聲信號時，需將接收到的信號表示為：

L1(λ)=Bd(n)sinc(η)cosφ+λ1

L2(λ)=Bd(n)sinc(η)cosφ+λ2

(2)

公式(2)中，B表示信號波動的幅值；η表示接收的信號與本地信號之間的碼位差；φ表示接收信號的頻率和檢測頻率之間的差值；λ1、λ2分別表示L1、L2兩條道路的干擾信號。

將這兩個信號疊合在一起，能夠寫成復數(shù)形式，復數(shù)中包含了復數(shù)向量幅值和相位角。復數(shù)包含了信號碼位的相關信息，相位角包含了不同信號間的相位差。相位差的計算公式，如下所示：

(3)

由公式(3)可知，當實際計算的相位差在-60°～+60°時，該系統(tǒng)能夠保持正常工作狀態(tài)，由此獲取的信號方向即為干擾信號方向。

2)相位差矢量化處理：

假定兩個信道同時接收兩個相位，根據(jù)公式(3)計算兩個信道的相位差，并選擇不同的天線組合。對相位差進行了重新定義，獲取相位差矢量結果。詳細步驟為：

利用 arcgis軟件，將相位差向量化，即把相位差向量變換成向量，然后在軟件中增加一個數(shù)據(jù)鍵，以開啟待向量的相位差；接著，對向量相位差進行編輯，并確定其分辨率參考值；在此基礎上，將向量相位差的首個坐標點和與此坐標值相對應的標記量作為目前要處理的坐標值。判斷當前待分辨率的標示量是否小于等于矢量相位差的分辨率參照值，如果小于等于，則將待處理結果添加到坐標點集合之中；反之，則繼續(xù)處理，判斷當前待處理坐標點是否為矢量相位差坐標點的最后一個坐標點。如果不是，則需繼續(xù)執(zhí)行下一步驟。否則，將坐標點集合矢量化處理后，獲取處理結果；選取矢量相位差中的下一個坐標點作為當前待處理的坐標點，將坐標點對應的分辨率標示量作為當前的標示量，返回執(zhí)行判斷步驟后，判斷是否獲取全部分辨率標示量，如果是，則完成矢量化處理。

3)獲取載波相位差：

當多通道檢測接收機使用相應的本地編碼能夠跟蹤并捕獲噪聲信號后，也使用公式(3)計算兩個信道的相位差。對相同信道的不同信號，可分析載波相位差，并對不同基線進行輪詢，從而得到不同組基的載波相位差。

4)干擾檢測：

寫一個 int fun函數(shù)，假定有最大值和最小值，需要將最大值、最小值與陣列 arr值進行比較，得到所要的結果。用這種方法可以得到陣列中最大元素的下標值，并將其存儲在存儲單元中，再找到最大的數(shù)值和元素的下標，可確定干擾信號的數(shù)值和方向，由此完成民航導航通信干擾檢測。

3 實驗

為了驗證基于自適應濾波的民航導航通信干擾檢測系統(tǒng)設計的合理性，進行實驗驗證分析。分別使用欺騙式干擾檢測算法、自適應雙門限協(xié)同干擾檢測算法和自適應濾波檢測系統(tǒng)作為本文方法的對比方法，在MATLAB 仿真平臺中搭建民航導航通信干擾檢測平臺，測試本文系統(tǒng)的有效性。

3.1 實驗裝置

實驗驗證所使用的裝置包括校準系統(tǒng)、無人機、地面站接收系統(tǒng)。

1)校準系統(tǒng)：

校準系統(tǒng)是為了獲取精準實驗數(shù)據(jù)而搭建的，如圖7所示。

圖7 實驗校準系統(tǒng)

由圖7可知，使用該校準系統(tǒng)，能夠精準的獲取實驗場地環(huán)境信息，通過調(diào)整天線角度，獲取實驗數(shù)據(jù)。

2)無人機：

無人機選用大疆作為飛行裝置，搭載無線電進行升空實驗，無線電上配置了側向天線和接收器，方便向地面站接收系統(tǒng)傳送拍攝數(shù)據(jù)。

3)地面站接收系統(tǒng)：

地面站接收系統(tǒng)主要用于對無人機拍攝的信息進行圖傳，方便地面觀測。為此，選擇了ADS-B型號的接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)裝有1090ES設備，能夠向無人機發(fā)射ADS-B廣播信號，為實驗提供目標哦識別的A代碼、S地址碼、經(jīng)緯度、速度等信息。該系統(tǒng)的技術指標主要包括：探測距離大于等于150海里，最大探測高度大于等于1 500米，處理容量大于等于550批/秒，處理延遲小于等于25毫秒，適用于多種數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 實驗結果與分析

基于上述實驗裝置，在同頻干擾、臨頻干擾情況下，分別進行實驗。

3.2.1 同頻干擾

同頻干擾是指對空間飛行有用信號具有相同頻率的干擾信號，在該干擾環(huán)境下，分別使用欺騙式干擾檢測算法、自適應雙門限協(xié)同干擾檢測算法和自適應濾波檢測系統(tǒng)，對比分析信號幅值檢測結果，如圖8所示。

圖8 3種方法同頻干擾信號檢測對比

由圖8可知，使用欺騙式干擾檢測算法檢測到的同頻干擾信號幅值波動范圍為-0.4～0.7，與實際的-0.2～0.4不符；使用自適應雙門限協(xié)同干擾檢測算法檢測到的同頻干擾信號幅值波動范圍為-0.6～0.8，與實際信號幅值波動范圍不符；使用自適應濾波檢測系統(tǒng)檢測到的同頻干擾信號幅值波動范圍為-0.2～0.4，與實際信號幅值波動范圍一致。

3.2.2 臨頻干擾

臨頻干擾是指由于使用鄰近頻率而引起的干擾，在該干擾環(huán)境下，分別使用3種方法，對比分析信號幅值檢測結果，如圖9所示。

圖9 3種方法臨頻干擾信號檢測對比

由圖9可知，使用欺騙式干擾檢測算法檢測到的臨頻干擾信號幅值波動范圍為-1.3～1.0，使用自適應雙門限協(xié)同干擾檢測算法檢測到的臨頻干擾信號幅值波動范圍為-1.5～1.0，使用自適應濾波檢測系統(tǒng)檢測到的同頻干擾信號幅值波動范圍為-0.8～0.7，只有使用自適應濾波檢測系統(tǒng)與實際信號-0.8～0.7幅值波動范圍一致。

上述實驗結果表明，本文系統(tǒng)對同頻干擾信號及臨頻干擾信號的檢測結果準確率均較高，本文系統(tǒng)應用自適應濾波處理技術，對噪聲信號與電磁信號進行分離處理，因此能夠有效避免噪聲干擾。

4 結束語

本文設計了一套基于自適應濾波的民航導航通信干擾檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面站干擾檢測，為排除和消除衛(wèi)星導航干擾源提供了有效技術手段。本系統(tǒng)的設計不僅適用于微弱信號的檢測，而且適用于普通光信號的檢測。該系統(tǒng)通過自適應濾波處理技術分離處理噪聲信號與電磁信號，有效避免了噪聲干擾能夠準確檢測同頻干擾信號及臨頻干擾，具有一定的有效性。