頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)導(dǎo)航抗干擾技術(shù)研究*

徐 娟,姚如貴,陳 赟,王 伶,張兆林

(1 長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院, 西安 710064;2 西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院, 西安 710072)

頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)導(dǎo)航抗干擾技術(shù)研究*

徐 娟1,姚如貴2,陳 赟2,王 伶2,張兆林2

(1 長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院, 西安 710064;2 西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院, 西安 710072)

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)非常微弱,極易受到外界的干擾,需要采用抗干擾技術(shù)。聯(lián)合域抗干擾技術(shù)因其自由度高、抗干擾效果好,廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中。從聯(lián)合域角度出發(fā),結(jié)合頻域?yàn)V波算法與空時(shí)自適應(yīng)陣列處理技術(shù),設(shè)計(jì)了一種頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)導(dǎo)航抗干擾技術(shù),可以有效抑制衛(wèi)星導(dǎo)航中復(fù)雜多變的干擾。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提抗干擾技術(shù)的有效性,及其在相干干擾情況下的優(yōu)越性。

衛(wèi)星導(dǎo)航;抗干擾;頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián);迭代門(mén)限;相干干擾

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在現(xiàn)代軍事、民用領(lǐng)域中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。但衛(wèi)星信號(hào)極其微弱,極容易受到各種自然或人為的干擾而無(wú)法提供服務(wù)[1]。因此,需要引入干擾抑制技術(shù)來(lái)提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力。

針對(duì)強(qiáng)窄帶干擾和相干干擾,可以采用時(shí)域預(yù)測(cè)技術(shù)[2]、變換域技術(shù)[3-4]和碼輔助技術(shù)[5]。其中,文獻(xiàn)[3-4]提出一種基于迭代門(mén)限的頻域干擾抑制技術(shù),自適應(yīng)計(jì)算干擾判決門(mén)限,可以有效、徹底的抑制強(qiáng)窄帶干擾。但是,上述技術(shù)無(wú)法完成寬帶干擾的抑制。

聯(lián)合空時(shí)二維域的導(dǎo)航抗干擾技術(shù)具有較強(qiáng)的抗窄帶、寬帶干擾能力,可以克服單維域抗干擾技術(shù)的不足,尤其針對(duì)寬帶干擾抑制[6]?？諘r(shí)自適應(yīng)濾波技術(shù)利用天線陣和延遲抽頭獲取空、時(shí)樣本,自適應(yīng)增強(qiáng)信號(hào)、抑制干擾。但是空時(shí)自適應(yīng)抗干擾技術(shù)無(wú)法抑制相干干擾[7]。

針對(duì)窄帶相干干擾、寬帶干擾的特點(diǎn),如何運(yùn)用頻域和空時(shí)域的聯(lián)合處理方法抑制復(fù)雜多變的干擾是文中研究的重點(diǎn)。

1 基于迭代門(mén)限的頻域抗多窄帶干擾技術(shù)原理

導(dǎo)航信號(hào)是擴(kuò)頻信號(hào),其頻譜在很寬的頻帶內(nèi)是平坦的,具有類(lèi)似白噪聲的特性[8]。若在某個(gè)頻點(diǎn)出現(xiàn)特別大的幅值,可以認(rèn)為該頻點(diǎn)受到強(qiáng)干擾。基于這種思想,可以在頻域進(jìn)行干擾抑制。對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行FFT變換,在頻域?qū)Ω蓴_進(jìn)行判決和抑制,然后再將干擾抑制后的頻域信號(hào)經(jīng)過(guò)IFFT變換到時(shí)域。作者在文獻(xiàn)[3-4]中研究了一種基于優(yōu)化迭代門(mén)限的頻域?qū)Ш娇垢蓴_算法,可以自適應(yīng)調(diào)整干擾判決門(mén)限進(jìn)行干擾抑制。

假設(shè)接收信號(hào)模型為x(l)=s(l)+n(l)+j(l),其中,s(l)=±1為擴(kuò)頻信號(hào),n(l)為下變頻后在信號(hào)頻帶內(nèi)的高斯白噪聲信號(hào),j(l)為窄帶干擾信號(hào)。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)加窗和N(N=512)點(diǎn)FFT得到的離散譜線為X(k)=S(k)+N(k)+J(k),S(k)、N(k)和J(k)分別對(duì)應(yīng)擴(kuò)頻信號(hào)、白噪聲和窄帶干擾信號(hào)的頻譜,k=0,1,…,N-1。下面簡(jiǎn)單描述基于迭代門(mén)限的干擾抑制算法。

1)對(duì)接收信號(hào)x(l)進(jìn)行FFT變換,得到的頻域信號(hào)X(k),計(jì)算其均值M1為:

(1)

2)設(shè)置干擾檢測(cè)門(mén)限T1=K·M1,其中最優(yōu)門(mén)限系數(shù)K=4,已在文獻(xiàn)[4]中給出證明。

(2)

4)利用第一次迭代干擾抑制后的信號(hào)Xi(k)分別計(jì)算均值M2和第二次干擾判決門(mén)限T2,如式(3)和式(4)所示,θk為X1(k)的幅角;并根據(jù)式(5)進(jìn)行第二次干擾判決與抑制,得到X2(k)。

(3)

T2=K·M2

(4)

(5)

5)之后再進(jìn)行的迭代干擾判決和抑制過(guò)程與第二次相似。一般情況下,三次迭代即可完成較為徹底的干擾抑制。

基于迭代門(mén)限的頻域抗干擾算法可以適用于無(wú)干擾或者干擾強(qiáng)度多變的情形。由于優(yōu)化了門(mén)限系數(shù)(k=4),可以確保在無(wú)干擾環(huán)境下不損失有用信號(hào);當(dāng)干擾存在或者很強(qiáng)時(shí),通過(guò)多次迭代使得干擾判決門(mén)限收斂,確保干擾被有效濾除。

2 空時(shí)自適應(yīng)抗干擾技術(shù)原理

空時(shí)自適應(yīng)抗干擾技術(shù)可以有效抗寬帶或窄帶干擾,已成為下一代衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)主流抗干擾技術(shù)。圖1給出了基于LCMV準(zhǔn)則的空時(shí)二維自適應(yīng)導(dǎo)航抗干擾實(shí)現(xiàn)框圖,主要包括天線陣、下變頻、A/D采樣、抗干擾處理部分和導(dǎo)航接收機(jī)。各陣元接收數(shù)據(jù)經(jīng)延遲后得到空時(shí)二維數(shù)據(jù),與自適應(yīng)權(quán)矢量組合后的輸出即為空時(shí)抗干擾的輸出[9-10]。

圖1 空時(shí)抗干擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)N為陣元數(shù),M為延遲抽頭數(shù)。每個(gè)時(shí)間延遲單元的時(shí)延為T(mén),根據(jù)Nyquist原理要求T≤1/B,B為處理帶寬。設(shè)NM×1維空時(shí)二維權(quán)矢量Wstap=[w11,w21,…,wN1,w12,w22,…,wN2,…,w1M,w2M,…,wNM]T,NM×1維接收數(shù)據(jù)矢量X=[x11,x21,…,xN1,x12,x22,…,xN2,…,x1M,x2M,…,xNM]T,接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣可以表示為Rstap=E(XXH)∈CNM×NM?；贚CMV準(zhǔn)則的空時(shí)抗干擾算法可以歸結(jié)為如下約束優(yōu)化問(wèn)題:

(6)

根據(jù)Lagrange乘子法,優(yōu)化問(wèn)題(6)的解[11]為:

(7)

其中:μ為一常數(shù)[9];Astap=At?As為空時(shí)二維導(dǎo)向矢量,At和As分別為時(shí)域和空域?qū)蚴噶??為Kronecker積。時(shí)域?qū)蚴噶緼t可由延遲抽頭數(shù)M、衛(wèi)星信號(hào)下變頻后的中頻頻率fi和采樣時(shí)鐘頻率fs共同確定。

(8)

空域?qū)蚴噶緼s則可由延遲抽頭數(shù)M、波達(dá)方向角θ、陣元間距d和波長(zhǎng)λ共同確定。

(9)

由文獻(xiàn)[9]可知,空時(shí)自適應(yīng)處理也存在不足之處。由于多徑傳播、電磁干擾等因素的影響,接收信號(hào)存在相干性。當(dāng)空間存在相干干擾源時(shí),最優(yōu)波束形成準(zhǔn)則下的統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣的特征值不能正確反映干擾源的真實(shí)情況,造成自適應(yīng)權(quán)矢量估計(jì)的困難,不能達(dá)到抗干擾的目的[7]。針對(duì)這種相干干擾源存在的情況,文中提出一種頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)的衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù),同時(shí)有效的抑制強(qiáng)窄帶干擾、寬帶干擾以及相干干擾。

3 頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)導(dǎo)航抗干擾技術(shù)

結(jié)合頻域和空時(shí)域抗干擾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),本節(jié)提出一種頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)抗干擾算法。根據(jù)窄帶干擾帶寬窄而功率大的特點(diǎn),采用基于迭代門(mén)限的頻域抗多窄帶干擾技術(shù),有效抑制窄帶干擾;然后級(jí)聯(lián)采用空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)抑制寬帶干擾及剩余的其他干擾,算法的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)抗干擾算法流程圖

操作步驟描述如下:

1)對(duì)被噪聲和干擾污染的導(dǎo)航信號(hào)x(l)(l=0,1,…,N-1)進(jìn)行FFT變換,得到頻域信號(hào)X(k);

2)對(duì)頻域信號(hào)X(k)進(jìn)行基于迭代門(mén)限的頻域多窄帶干擾抑制(算法見(jiàn)第1節(jié)),濾除強(qiáng)窄帶干擾和部分寬帶干擾,得到信號(hào)X3(k);

3)對(duì)X3(k)進(jìn)行IFFT變換,得到頻域干擾抑制后的時(shí)域信號(hào)xf(l);

需要說(shuō)明的是,頻域干擾抑制是針對(duì)每個(gè)陣元接收信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立抗干擾處理(圖2中實(shí)心背景框?qū)?yīng)的處理),而空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制則是針對(duì)頻域處理后的多陣元信號(hào)及其延遲信號(hào)構(gòu)成的二維信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合處理。

4 仿真分析

4.1 寬帶干擾及窄帶干擾的抑制情況

在(70°,90°)方向上施加中心頻率為46.52MHz、帶寬為10MHz的寬帶干擾,在(40°,180°)方向上施加中心頻率為46.52MHz、帶寬為2MHz的窄帶干擾,信干比均為SNR=-30 dB。被干擾和噪聲污染的導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過(guò)7陣元天線、下變頻和A/D采樣,得到七路數(shù)據(jù)。每路數(shù)據(jù)頻譜特性一致,圖3顯示了一路接收信號(hào)頻譜,可見(jiàn)明顯的兩個(gè)干擾。

圖3 加干擾后一路數(shù)據(jù)頻譜

對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行基于迭代門(mén)限的頻域干擾抑制,結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可見(jiàn),頻域抗干擾只能抑制窄帶和部分寬帶干擾,殘余寬帶干擾仍然很大。圖4(b)顯示了頻域干擾抑制后信號(hào)與本地碼相關(guān)峰特性,未見(jiàn)到明顯的相關(guān)峰,接收機(jī)將無(wú)法進(jìn)行正常的捕獲。因此,基于迭代門(mén)限的頻域干擾抑制算法并不能有效抑制寬帶干擾。

圖4 頻域抗干擾后一路數(shù)據(jù)功率譜和相關(guān)峰

進(jìn)一步采用空時(shí)域自適應(yīng)抗干擾算法對(duì)頻域干擾抑制后的信號(hào)進(jìn)行處理。將頻域干擾抑制處理輸出的7路數(shù)據(jù)延遲轉(zhuǎn)化成空時(shí)二維數(shù)據(jù),進(jìn)行空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制,判斷干擾來(lái)向,在干擾方向形成零陷,有效抑制寬帶干擾。圖5是級(jí)聯(lián)抗干擾對(duì)應(yīng)的方向圖,在寬帶干擾方向(70°,90°)和窄帶干擾方向(40°,180°)處形成明顯零陷,尤其是寬帶干擾方向,零陷較深,干擾信號(hào)被全部濾除,有效提高輸出信干噪比。圖6顯示了頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)抗干擾后功率譜和相關(guān)峰。對(duì)比圖3可以看出寬帶和窄帶干擾被濾除,因此,可以獲得較好的相關(guān)峰,驗(yàn)證了文中所提算法對(duì)寬帶干擾優(yōu)越的抗干擾性能。

圖5 頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)抗干擾方向圖

圖6 頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)抗干擾后功率譜和相關(guān)峰

4.2 相干干擾的抑制情況

下面進(jìn)一步驗(yàn)證文中所提算法抗相干干擾的優(yōu)越性。假設(shè)在(70°,90°)和(40°,180°)方向上分別施加中心頻率為46.52 MHz的同源點(diǎn)頻干擾。若單純采用空時(shí)自適應(yīng)抗干擾算法,方向圖如圖7所示,形成的零陷偏移到(79°,228°),未在干擾方向形成零陷,干擾抑制失敗。然而若采用頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)抗干擾算法,兩個(gè)相干點(diǎn)頻干擾在頻域就被濾除,不會(huì)造成空時(shí)域的誤判,可以獲得清晰的相關(guān)峰,如圖8所示。

圖7 空時(shí)自適應(yīng)抗干擾方向圖

5 結(jié)論

導(dǎo)航信號(hào)十分微弱,極易受到外界或人為窄帶干

圖8 頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)抗干擾后的相關(guān)峰

擾、寬帶干擾以及相干干擾,使得系統(tǒng)無(wú)法正常工作。針對(duì)多種干擾,文中提出了頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)導(dǎo)航抗干擾方法。根據(jù)窄帶干擾帶寬窄、功率大的特點(diǎn),采用基于迭代門(mén)限的頻域抗多窄帶干擾方法對(duì)強(qiáng)窄帶干擾進(jìn)行抑制;采用基于LCMV準(zhǔn)則的空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)抑制寬帶干擾及剩余的其他干擾。同時(shí),該方法采用聯(lián)合處理,能夠有效抑制相干干擾,一般空時(shí)自適應(yīng)處理方法難以處理這類(lèi)干擾。結(jié)合COMPASS系統(tǒng)進(jìn)行仿真,結(jié)果驗(yàn)證了文中所提頻域空時(shí)域級(jí)聯(lián)導(dǎo)航抗干擾方法的有效性,及其在相干干擾情況下的優(yōu)越性,具有較好的工程應(yīng)用前景。

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Cascaded Frequency and Spatial-time Domain Anti-jamming Technique in Navigation Systems

XU Juan1,YAO Rugui2,CHEN Yun2,WANG Ling2,ZHANG Zhaolin2

(1 School of Electronic and Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2 School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

avigation signal arrives at receiver with low power, and is highly susceptible to intentional or unintentional interference. Therefore, anti-jamming technique has become essential satellite navigation receivers. Due to its high degree of freedom and effectiveness, multi-domain joint processing is widely used. To deal with the complex interference, a cascaded frequency and spatial-time domain anti-jamming technique proposed based on iterative threshold anti-jamming technique on frequency domain and adaptive anti-jamming technique on spatial-time domain. The simulation results validate effectiveness and superiority of our proposed multi-domain anti-jamming technique in the complex interference scenario.

satellite navigation; anti-jamming; cascaded frequency and spatial-time domain; iterative threshold; coherent interference

2014-04-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(61271416);航天支撐基金(2013-HT-XGD);西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(JCY20130132);西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)業(yè)種子基金(Z2014143)資助

徐娟(1980-),女,陜西楊凌人,講師,博士,研究方向:高速數(shù)據(jù)傳輸、干擾抑制等技術(shù)研究。

TN915.05-34

A