GNSS自適應(yīng)抗干擾軟件研發(fā)平臺

文貴宏,李 曉,吳仁彪,劉海濤

(中國民航大學(xué)天津市智能信號與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300300)

0 引 言

GPS是具有海、陸、空全方位實(shí)時(shí)三維(時(shí)間、速度、方位)導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它是美國從上世紀(jì)70年代初開始規(guī)劃研制,歷時(shí)20余年,耗資200余億美元。作為一種通用的導(dǎo)航定位系統(tǒng),GPS有著許多其他導(dǎo)航系統(tǒng)無可比擬的特性,在民用和軍用定位與導(dǎo)航中獲得了廣泛的應(yīng)用。但是由于信號到達(dá)地面時(shí)極其微弱,GPS極易受到環(huán)境和人為的干擾。有關(guān)研究表明[1]:一個(gè)發(fā)射功率為1W的GPS干擾機(jī)可使100 km范圍內(nèi)民用/粗捕獲碼的(C/A碼)的接收機(jī)失靈,而10 km的干擾機(jī)就可使10 km的精碼(P碼)接收機(jī)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(jī)對美國的GPS系統(tǒng)實(shí)施了有效干擾,使美國的巡航導(dǎo)彈發(fā)生了不同程度的偏離,有的甚至落到土耳其境內(nèi)。因此,提升GPS的抗干擾能力已成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

目前,大量GPS抗干擾研究工作僅針對一兩種算法進(jìn)行比較研究,算法性能主要通過仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證比較,且不同研究工作所使用的仿真環(huán)境及參數(shù)差異較大,因此,無法對該領(lǐng)域內(nèi)的抗干擾算法有一個(gè)準(zhǔn)確、完整的認(rèn)識。本課題組在國家863項(xiàng)目支持下,研究實(shí)現(xiàn)了多種抗干擾算法,并已獲授權(quán)國家發(fā)明專利3項(xiàng),申請國家發(fā)明專利9項(xiàng),在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自適應(yīng)抗干擾軟件[4]研發(fā)平臺。該研發(fā)平臺集成了數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元、自適應(yīng)抗干擾算法單元、GPS軟件接收機(jī)單元及定位結(jié)果顯示單元;它可仿真驗(yàn)證、評測不同類型抗干擾算法對GPS接收機(jī)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(jī)工程設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及算法優(yōu)化等方面的工作。

介紹了自適應(yīng)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(diǎn)做了簡單介紹,最后,用仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對其中的幾種算法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:自適應(yīng)抗干擾研發(fā)平臺對仿真數(shù)據(jù)及實(shí)測數(shù)據(jù)定位誤差均在可接受范圍內(nèi)。

1 系統(tǒng)組成

圖1為自適應(yīng)抗干擾研發(fā)平臺框圖,平臺主要由數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元、抗干擾算法單元、GPS軟件接收機(jī)單元、定位結(jié)果顯示單元組成。

1.1 數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元

自適應(yīng)抗干擾研發(fā)平臺的數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元包括實(shí)際數(shù)據(jù)采集模塊和仿真數(shù)據(jù)生成模塊。實(shí)際數(shù)據(jù)采集模塊主要由采集前端、A/D轉(zhuǎn)換器和干擾源構(gòu)成。采集前端采用加拿大Novatel公司生產(chǎn)的SUPERSTARII GPS接收機(jī)OEM板卡;A/D轉(zhuǎn)換器采用臺灣凌華公司的PCI-9812采集卡,采集卡具有四個(gè)輸入通道,其最高采樣頻率可達(dá)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(chǎn)生一個(gè)頻率為 1575.42 MHz的調(diào)頻信號,利用天線發(fā)送到GPS接收天線附近。仿真數(shù)據(jù)生成模塊可根據(jù)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(shù)據(jù)。

圖1 自適應(yīng)抗干擾研發(fā)平臺框圖

1.2 抗干擾算法單元

自適應(yīng)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(shí)域抗干擾算法、空域抗干擾算法、空時(shí)域抗干擾算法。時(shí)域算法包括自適應(yīng)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?cái)U(kuò)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。空時(shí)域抗干擾算法包括:空時(shí)最小功率算法;空時(shí)CAPON算法;空時(shí)解重?cái)U(kuò)算法。限于篇幅,這里僅簡單介紹各個(gè)算法的基本思想及特點(diǎn)。

1)自適應(yīng)FIR濾波器

自適應(yīng)FIR濾波器是在保證某一支路加權(quán)值為常數(shù)的條件下,使橫向?yàn)V波器輸出功率最小。該算法具有無須知曉干擾信號的先驗(yàn)信息,就可以在干擾頻率處形成零陷,達(dá)到抑制干擾的目的。它具有運(yùn)算復(fù)雜度低、運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn),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(diǎn)在于不需要預(yù)先知道信號結(jié)構(gòu)和方向就可在強(qiáng)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(qiáng),抗干擾后的數(shù)據(jù)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?cái)U(kuò)算法[6]

解重?cái)U(kuò)算法的基本思路是在接收端對發(fā)射信號進(jìn)行自適應(yīng)波束形成時(shí),發(fā)射信號在時(shí)間周期內(nèi)的信號波形可以利用該發(fā)射信號的擴(kuò)頻碼對檢測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新擴(kuò)頻來得到。解重?cái)U(kuò)算法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要知道任何信號的先驗(yàn)信息就可以有效的去除干擾,抗干擾能力較強(qiáng);但算法流程比較復(fù)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(shù)據(jù)向干擾正交補(bǔ)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(shù)據(jù)進(jìn)行低副瓣常規(guī)波束形成來減輕多徑干擾的影響,達(dá)到同時(shí)抑制多類干擾的目的。該算法能夠同時(shí)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(bǔ)空間投影方法抑制干擾,采用CLEAN算法估計(jì)衛(wèi)星來向信息,從而獲得靜態(tài)加權(quán)矢量,對陣列數(shù)據(jù)加權(quán)來增強(qiáng)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(jì)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(bǔ)空間投影方法抑制干擾,根據(jù)俯仰角(-60°,60°)之間假定的衛(wèi)星來向獲得靜態(tài)加權(quán)矢量,對陣列數(shù)據(jù)加權(quán)來增強(qiáng)GPS信號。本算法不需要知道信號來向,僅適用于小陣元數(shù)的情況。

8)空時(shí)最小功率算法

空時(shí)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(shí)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(shí)解重?cái)U(kuò)算法[14]

算法基本原理與空域解重?cái)U(kuò)算法基本相同,但具有更多空域時(shí)域自由度,能夠更有效的消除干擾。由于STAP的結(jié)構(gòu)使之在處理帶寬上不能有一致的頻率響應(yīng)[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(guān)函數(shù)出現(xiàn)主瓣展寬,互相關(guān)峰值偏移等現(xiàn)象,影響GPS信號的捕獲及用戶位置的確定。為了補(bǔ)償這種影響,必須對信號進(jìn)行均衡處理,才可能做到全盲自適應(yīng)處理,提高算法的魯棒性。本平臺采用同態(tài)濾波[15]、權(quán)值約束[16]、最小二乘逆濾波[17]三種均衡方法,文獻(xiàn)[12]對三種均衡方法的性能做了深入的分析研究。

10)空時(shí)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(shí)域自由度,能夠更有效的消除干擾。空時(shí)CAPON算法存在與空時(shí)解重?cái)U(kuò)相同的問題,即由于STAP的結(jié)構(gòu)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(yīng)抗干擾研發(fā)平臺采用同態(tài)濾波、權(quán)值約束、最小二乘逆濾波三種均衡方法對空時(shí)CAPON算法進(jìn)行均衡。

1.3 GPS軟件接收機(jī)單元

該單元對抗干擾后的基帶信號進(jìn)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(nèi)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(jìn)行跟蹤,實(shí)現(xiàn)本地參考信號對輸入信號的準(zhǔn)確同步,從而對GPS信號進(jìn)行解擴(kuò)和解調(diào),獲得進(jìn)一步精確的載波頻率、C/A碼相位以及準(zhǔn)確的導(dǎo)航電文;定位過程從跟蹤解調(diào)后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)中提取衛(wèi)星星歷并計(jì)算偽距信息,通過最小二乘法計(jì)算出用戶位置。

1.4 顯示單元

GPS軟件接收機(jī)單元得到的定位結(jié)果轉(zhuǎn)換成NMEA-0183格式,并通過計(jì)算機(jī)串行口發(fā)送出去。顯示單元從計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)測試驗(yàn)證

只介紹三種算法的驗(yàn)證結(jié)果。對仿真數(shù)據(jù)選擇空域最小功率法、空域解重?cái)U(kuò)抗干擾算法與空域CAPON算法;對實(shí)采數(shù)據(jù)選用空域最小功率算法、C2AB算法及空域解重?cái)U(kuò)算法進(jìn)行抗干擾處理。

2.1 仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用仿真數(shù)據(jù)生成模塊所生成的衛(wèi)星數(shù)據(jù)參數(shù)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?yàn)?20°,信噪比SNR為-18 dB,干噪比JNR為20 dB;經(jīng)緯度設(shè)為北緯39°、東經(jīng)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?cái)U(kuò)抗干擾算法與空域CAPON算法進(jìn)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?cái)U(kuò)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(jìn)行了抑制,空域解重?cái)U(kuò)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(gè)干擾,經(jīng)過抗干擾處理,干擾得到了有效的抑制。

固定其他參數(shù),改變隨機(jī)噪聲,多次計(jì)算得到統(tǒng)計(jì)定位誤差如表1所示。

表1 仿真數(shù)據(jù)定位誤差(二維平面誤差)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,研發(fā)平臺對仿真數(shù)據(jù)的定位誤差較小。

2.2 實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用實(shí)際數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù),實(shí)采數(shù)據(jù)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?cái)U(kuò)算法進(jìn)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(jīng)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(shí)測數(shù)據(jù)的定位誤差,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,研發(fā)平臺對實(shí)采數(shù)據(jù)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(shí)采數(shù)據(jù)定位誤差(二維平面誤差)

3 結(jié) 論

介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航自適應(yīng)抗干擾研發(fā)平臺的功能及其組成,重點(diǎn)介紹了十類自適應(yīng)抗干擾算法的基本思想及抗干擾性能。最后,通過計(jì)算機(jī)仿真及實(shí)采數(shù)據(jù)驗(yàn)證了自適應(yīng)抗干擾研發(fā)平臺的抗干擾性能。自適應(yīng)抗干擾研發(fā)平臺對GPS抗干擾算法的工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有重要意義,相關(guān)研究也可應(yīng)用于伽利略等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)。

[1] 李文革,黃小利,謝世富.導(dǎo)航戰(zhàn)在信息化戰(zhàn)爭中的作用[J].信息與電子工程,2004,2(2):153-156.

[2] 何立萍.從伊拉克戰(zhàn)爭看GPS干擾和抗干擾的發(fā)展[J].航天電子對抗,2004(1):15-18.

[3] 孫智信.GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的電子攻防對抗研究綜述[J].航天電子對抗,2001(1):5-11.

[4] 吳仁彪,劉海濤,胡鐵喬.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自適應(yīng)抗干擾軟件:受理號:中國,2010R11S006079.

[5] Compton R T.The Power Inversion Adaptive Array:Concept and Performance[J].IEEETrans.on AES,1979,15(6):803-814.

[6] 盧 丹,吳仁彪,王 磊,等.一種基于碼字結(jié)構(gòu)的盲自適應(yīng)GPS干擾抑制方法:中國,200910069091.3[P].2009-10-21[2010-02-16].

[7] 吳仁彪,盧 丹,李 嬋.通用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中多類干擾抑制方法:中國,200910067774.5[P].2009-07-08[2010-02-16].

[8] 盧 丹,吳仁彪,王 磊.一種通用的GPS多類干擾抑制方法[J].信號處理,2010,26(5):682-686.

[9] 吳仁彪,盧 丹,劉海濤.基于單通道單延遲互相關(guān)處理的GPS干擾抑制方法,中國,201010100159.2[P].2010-01-22[2010-02-16].

[10] 吳仁彪,盧 丹,胡鐵喬,等.基于單通道多延遲互相關(guān)處 理 的 GPS干 擾 抑 制 方 法:中 國,201010102833.0[P].2010-01-02[2010-02-16]

[11] 吳仁彪,盧 丹,劉海濤,等.基于多通道單延遲互相關(guān)處 理 的 GPS干 擾 抑 制 方 法:中 國,201010102866.5[P].2010-01-29[2010-02-16].

[12] Huang W,Lu Dan,Wu R B,Su Z G.A Novel Blind GPS Anti-jamming Algorithm Based on Subspace Technique[C]∥2006 8th International Conference on Signal Processing Proceedings(ICSP'06,proceedings),Guilin China,2006:447-450.

[13] 王 磊.基于子空間技術(shù)的常規(guī)多波束形成抗干擾算法[C]∥北京:第一屆全國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會論文集,2010.

[14] 吳仁彪,盧 丹,李 杰,等.一種基于解重?cái)U(kuò)技術(shù)的空時(shí)盲自適應(yīng) GPS干擾抑制方法:中國,201019102025.1[P].2010-02-08[2010-02-16].

[15] 吳仁彪,徐如蘭,盧 丹.基于同態(tài)濾波的GPS空時(shí)自適應(yīng)處理補(bǔ)償技術(shù)[J].中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué),2010,40(5):554-559.

[16] Hatke G F.Adaptive array processing for wideband nulling in GPS system[C]∥In:Signals,Systems Computers.Conference Record of the Thirty-Second Asilomar Conference.PacificGrove,California:Omnipress,1998:1332-1336.

[17] Li S G,Cheng Z,Huang F K.A compensating approach for signal distortion introduced by STAP[J].Communication Technology,2006(11):1-4.