艦載導(dǎo)航接收機變換域抗干擾技術(shù)研究

張道成，張正成

（解放軍92785部隊，秦皇島066200）

0 引 言

人類進入了信息社會后，對地理信息的需求非常普遍。衛(wèi)星定位系統(tǒng)已成為繼通信、互聯(lián)網(wǎng)之后的第3個IT新增長點，全球衛(wèi)星定位技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛。在民用以及軍用領(lǐng)域都大規(guī)模運用了全球定位系統(tǒng)（GPS）［1］，在各國海軍的裝備發(fā)展中發(fā)揮了越來越重要的作用，為在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中有效打擊敵艦提供了不可替代的作用。

1 抗干擾技術(shù)的發(fā)展概況

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，艦艇的及時定位成為海戰(zhàn)能否勝利的一個重要因素，但是現(xiàn)實過程中，由于接收衛(wèi)星信號弱，所以非常容易受到干擾。除了在戰(zhàn)爭中可能面對敵方專門干擾機的故意干擾，自然界所發(fā)生的一些現(xiàn)象也會引起信號干擾。一旦衛(wèi)星信號被干擾就可能中斷其使用，使定位誤差增大甚至完全無法實現(xiàn)導(dǎo)航功能［2］。通常信號處理干擾抑制技術(shù)可分成3種：時域的濾波器處理技術(shù)、變換域處理技術(shù)和空域自適應(yīng)濾波技術(shù)。

2 變換域抗干擾技術(shù)原理

變換域抗干擾技術(shù)的優(yōu)點在于一次變換中能夠同時抑制多個干擾且可進行快速自適應(yīng)調(diào)整，因而適用于干擾特性未知且統(tǒng)計特性變化較快的環(huán)境。變換域處理技術(shù)主要利用擴頻信號、背景噪聲和窄帶干擾不同的頻域表現(xiàn)特征來去除干擾信號，擴頻信號和白噪聲的頻譜相對比較平坦，而窄帶干擾信號的頻譜往往表現(xiàn)為很高很窄，從而可以在頻域識別存在干擾的譜線，并可以通過相應(yīng)的處理來去除干擾。

不同的變換域抗干擾算法的主要區(qū)別在于變換基的選擇、干擾檢測和譜線處理等。變換基包括Walsh－Hadamard 變 換、Karhumen－Loeve 變 換（KLT）、離散Fourier變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）和小波變換（DWT）等。目前基于DFT的頻域干擾抑制方法應(yīng)用最廣泛，可以處理多干擾的情況，并且能快速適應(yīng)。DFT變換的旁瓣衰減只有－13dB，存在嚴(yán)重的頻譜泄漏，遠遠不能滿足實際系統(tǒng)中抗強干擾的要求。通過時域加窗可以改善DFT變換的頻譜特性，但同時會對有用信號產(chǎn)生失真，引入一定的信噪比損失。

在變換域窄帶干擾抑制技術(shù)中，對干擾信號的處理是一個關(guān)鍵問題。常見的處理方法有域值方法、K譜線方法、中值濾波方法、權(quán)值泄漏方法等等。域值法與K譜線法對變換域中各分量或者保留，或者剔除。這涉及到干擾域值的估計問題。域值太低，有用信號損失太大造成嚴(yán)重失真；域值太高，則干擾殘余過多，造成信噪比下降。

變換域技術(shù)大多屬于開環(huán)自適應(yīng)技術(shù)，因而能快速處理干擾，對干擾統(tǒng)計特性的變化能做出快速反應(yīng)。與時域預(yù)測技術(shù)相比，變換域技術(shù)具有處理速度快的優(yōu)點，更適用于快速變化干擾情況［3］，由于變化域技術(shù)不可避免的窄帶干擾頻譜泄漏以及變換域中處理干擾時不可避免地同時對有用信號造成損傷，所以，變換域技術(shù)對干擾帶寬、樣式和參數(shù)敏感。

3 變換域中的抗干擾研究與實現(xiàn)

當(dāng)前信號處理中，由于FFT變換應(yīng)用較多，技術(shù)成熟，在導(dǎo)航接收機抗干擾算法中可以直接應(yīng)用，所以變換域采用頻域變換FFT，這就涉及FFT點數(shù)的選取、是否加窗以及門限的選取。

3.1 信號加窗效果對比

快速離散傅立葉變換（FFT）隱含了對長度為N的截斷序列進行周期拓展，如果截斷后序列在邊界不連續(xù)，經(jīng)過周期拓展之后的波形在邊界將出現(xiàn)“階躍”，從而導(dǎo)致信號經(jīng)過變換之后出現(xiàn)頻譜泄漏，使得窄帶干擾的能量對臨近的頻譜產(chǎn)生嚴(yán)重的“污染”。減輕FFT變換頻譜泄漏常用的方法是對截斷的數(shù)據(jù)序列加窗，加窗的作用是對截斷序列的邊界進行平滑，但是在降低窄帶干擾旁瓣、取得好的頻譜特性的同時，也對有用信號產(chǎn)生一定的失真，引起擴頻信號的信噪比損失。

從圖1中可以看出，當(dāng)信號加窗后，頻譜明顯收斂，這對于頻域抗干擾有著十分重要的意義。頻域抗干擾的主要思想是在選定門限后，將高于門限部分濾除，如果頻譜分散將會使得濾除信號過多，信號損失嚴(yán)重；加窗后會帶來明顯改善。但是加窗也會帶來一定問題，從時域圖中可以看出，加窗會對時域信號產(chǎn)生較嚴(yán)重的畸變，因此采用重疊加窗補償?shù)姆椒▉韽浹a這一損失。

圖1 信號加窗效果比對

3.2 FFT點數(shù)不同

由圖2（b）可以看出，F(xiàn)FT點數(shù)越多，干擾頻譜越集中，同時消耗資源也就越大，4 096點FFT與1 024點FFT從圖2（a）中基本看不出區(qū)別。因此，從節(jié)省資源角度考慮選取1 024點。

3.3 門限選取仿真

最直接的變換域干擾檢測方法是門限處理法，即設(shè)定一個干擾檢測門限，將變換后各子帶的譜線幅度與預(yù)先設(shè)計的門限進行比較，如果譜線幅度大于門限，則認(rèn)為該子帶存在干擾，對其進行進一步的處理；否則認(rèn)為該子帶沒有干擾，不對其進行處理。基于門限檢測的窄帶干擾抑制技術(shù)中，干擾檢測門限的設(shè)計是算法的關(guān)鍵。根據(jù)其原理，用譜線幅度平方和的平均值。如果門限選取過大，可能漏掉一些干擾；如果門限選取過小，可能誤將信號當(dāng)干擾去掉，對信號損失很大。因此，當(dāng)干擾變化時，門限也應(yīng)及時調(diào)整，需實時統(tǒng)計更新。FFT抗干擾結(jié)果如圖3所示。

假定導(dǎo)航系統(tǒng)的信號帶寬為20MHz，接收機的熱噪聲為－101dBm。如果導(dǎo)航信號到達地面的功率電平為－130dBm，那么接收機輸入信號的信噪比就是－29dB。導(dǎo)航信號頻點民碼長度為10 230，插值濾波器階數(shù)取31階，當(dāng)只有導(dǎo)航信號（功率為－130～－110dBm），無干擾信號，輸出信噪比與理論信噪比比較情況如圖4所示。

圖2 1 024點FFT與4 096點FFT對比

圖3 FFT抗干擾結(jié)果

圖4 濾波器輸出信噪比與理論信噪比比較

由圖4可知，在無干擾情況下，濾波器輸出信噪比與理論信噪比基本一致，比理論值低大約0.3dB，這是由于濾波器的引入會帶來噪聲所造成的，所以要比理論值低一些。當(dāng)導(dǎo)航信號中存在干擾信號，導(dǎo)航信號功率為－120dBm，干信比為30～70dB，干擾信號頻率為46.52MHz，信噪比的改善情況如圖5所示。

圖5 抗干擾后信噪比的改善情況

由圖5可知，隨著干信比的提高，信噪比的改善幅度越來越大，但是輸出信噪比幾乎保持不變，當(dāng)干信比大于60dB后，稍稍有些下降。造成這種現(xiàn)象的原因是，隨著干信比的提高，信干噪比越來越小，但由于濾波器的引入，將干擾濾除，使得輸出的信噪比幾乎保持不變，這也就使得信噪比的改善幅度越來越大。當(dāng)干信比大約為60dB時，由于濾波抗干擾所能抵抗的干擾大小有限，超過一定大小，信噪比會隨之降低。

4 結(jié)束語

本文利用變換域濾波的原理，實現(xiàn)了基于艦艇的導(dǎo)航接收機的抗干擾仿真，試驗結(jié)果表明，在采用變換域抗干擾算法后，接收機的抗干擾能力得到了一定的提升。

［1］Plausinaitis Darius.GPS and others GNSS signals.Department of Electronic Systems［D］.Alborg，Danmark：Alborg University，2006.

［2］張莉敏，石衛(wèi)平.世界衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展與我國的對策［J］，2004（2）：127－134.

［3］張春海，薛麗君，張爾揚.基于自適應(yīng)多門限算法的變換域窄帶干擾抑制［J］.電子與信息學(xué)報，2006，28（3）：79－83.