北斗B1信號(hào)干擾檢測方法研究*

劉瑞華 梁欣萌 王 晶

1.中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300300 2.民航航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300

0 引言

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)的快速發(fā)展，確保北斗信號(hào)服務(wù)質(zhì)量成為北斗系統(tǒng)面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。干擾監(jiān)測技術(shù)主要包含干擾檢測、干擾識(shí)別、干擾測向和干擾源定位4種關(guān)鍵技術(shù)。干擾檢測是干擾監(jiān)測的前期工作，只有完成干擾的存在性檢測才能進(jìn)行識(shí)別、測向和干擾源定位等后續(xù)工作[1]。關(guān)于干擾檢測的理論方面，常用的檢測方法包括能量檢測法[2]、匹配濾波器檢測法[3]、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法[4]、連續(xù)平均消除法[5]等。本文在研究一般干擾頻點(diǎn)檢測方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)北斗B1信號(hào)特征提出了改進(jìn)的干擾檢測方法。

1 北斗B1信號(hào)干擾檢測方法

1.1 檢測信號(hào)模型

干擾條件下，接收到的檢測信號(hào)包括有用信號(hào)、噪聲和干擾信號(hào)[6-11]。檢測信號(hào)可表示為：

r(t)=s(t)+n(t)+J(t)

(1)

其中，s(t)表示有用信號(hào)，n(t)表示噪聲，J(t)表示干擾信號(hào)。

根據(jù)信號(hào)的帶寬特征，分為窄帶和寬帶干擾兩類。干擾信號(hào)帶寬小于有用信號(hào)帶寬的10%稱為窄帶干擾，否則稱為寬帶干擾[6]。單頻干擾、部分頻帶干擾屬于窄帶干擾，而脈沖干擾、寬帶調(diào)頻干擾、匹配波干擾等屬于寬帶干擾。當(dāng)窄帶干擾的干擾帶寬接近無窮小時(shí)，稱之為單頻干擾，單頻干擾是窄帶干擾的極限形式。

本文使用高增益天線采集的北斗B1信號(hào)，已完成對(duì)射頻信號(hào)的低噪放和下變頻處理，得到的是數(shù)字中頻信號(hào)[12]。北斗B1信號(hào)采集系統(tǒng)的采樣頻率為240MHz，頻點(diǎn)為1561.098MHz的射頻信號(hào)變成了頻點(diǎn)為40.258MHz的數(shù)字中頻信號(hào)。設(shè)數(shù)字中頻信號(hào)用r(n)表示：

r(n)=s(n)+n(n)+J(n)

(2)

對(duì)r(n)做FFT變換，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為N：

k=0,1,2,…,N-1

(3)

R(k)=S(k)+N(k)+J(k)

(4)

其中，S(k)、N(k)、J(k)分別表示s(n)、n(n)、J(n)的FFT變換。

從濾波器的角度看，F(xiàn)FT運(yùn)算可以看成是將信號(hào)通過一組歸一化中心頻率為2πk/N，k=0,1,2,…,N-1的窄帶濾波器，R(k)表示第k個(gè)濾波器的輸出[13-14]。衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)擴(kuò)頻后功率很小，幾乎淹沒在白噪聲中，信號(hào)可近似看做高斯白噪聲加單頻干擾通過窄帶濾波器。假設(shè)單頻干擾信號(hào)的中心頻率正好處于濾波器的中心頻率，則干擾可完全通過窄帶濾波器，高斯白噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎瓗Ц咚拱自肼?。此時(shí)接收信號(hào)可表示為噪聲信號(hào)和單頻干擾之和。設(shè)R(k)的包絡(luò)為A(k)，則A(k)表示為：

k=0,1,2,…,N-1

(5)

1.2 一般干擾頻點(diǎn)檢測方法

一般干擾頻點(diǎn)檢測方法[8]的檢測流程如圖1所示。對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)r(n)進(jìn)行FFT變換，設(shè)置適當(dāng)?shù)臋z測門限對(duì)各個(gè)頻點(diǎn)的譜線值進(jìn)行判決，得出檢測結(jié)果。

圖1 一般干擾頻點(diǎn)檢測流程

正弦信號(hào)和窄帶高斯信號(hào)之和的包絡(luò)服從萊斯分布，也叫廣義瑞利分布，對(duì)信號(hào)做FFT變換不會(huì)改變信號(hào)的包絡(luò)分布，故R(k)的包絡(luò)A(k)服從廣義瑞利分布，其概率密度函數(shù)為：

(6)

式中，σ2為噪聲方差，PJ為單頻干擾功率，I0(·)為修正的0階第一類貝塞爾函數(shù)。

假設(shè)噪聲方差σ2恒定，當(dāng)干擾很小時(shí)，包絡(luò)A(k)的概率密度函數(shù)和期望可近似為：

(7)

(8)

當(dāng)干擾很大時(shí)，包絡(luò)A(k)的概率密度函數(shù)和期望可近似為：

(9)

(10)

檢測門限值使用僅噪聲情況下期望的虛警率和信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性先驗(yàn)計(jì)算。當(dāng)干擾不存在時(shí)，接收信號(hào)FFT變換后的包絡(luò)A(k)服從瑞利分布，A(k)的分布函數(shù)表示為：

(11)

則：

(12)

對(duì)于檢測門限，CME算法要求大多數(shù)包絡(luò)譜線值均小于干擾檢測門限，設(shè)此時(shí)干擾檢測的虛警概率為Pf，T為檢測門限值，那么包絡(luò)譜線將有F(T)=1-Pf的概率小于檢測門限T。T由式(13)計(jì)算得到：

(13)

其中，Am為包絡(luò)A(k)的譜線總和，a為檢測門限因子：

(14)

由公式(14)得不同虛警概率對(duì)應(yīng)的檢測因子如表1所示。虛警概率越小，檢測因子越大[9]。

表1 檢測門限因子

一般干擾檢測方法中包括單門限檢測與雙門限檢測2種基本方法[11]，不同在于單門限檢測只需設(shè)定一個(gè)虛警概率，而雙門限檢測需要設(shè)定高低2個(gè)不同的虛警概率對(duì)應(yīng)高低兩個(gè)不同的檢測門限，先使用低檢測門限檢測，再使用高檢測門限做進(jìn)一步檢測[15]。

1.3 分段干擾頻點(diǎn)檢測方法

對(duì)于北斗B1信號(hào)，若檢測整段頻譜內(nèi)的干擾，計(jì)算量大，檢測性能低，結(jié)果不準(zhǔn)確。北斗B1信號(hào)1dB工作帶寬為4.092MHz，3dB工作帶寬為16MHz。帶外干擾對(duì)于北斗B1信號(hào)的影響較小，所以只需要對(duì)3dB工作帶寬內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行干擾檢測，這樣可以提高檢測效率，且不用檢測帶外干擾，大大優(yōu)化了檢測性能。

根據(jù)北斗B1信號(hào)的信號(hào)體制[16]，在3dB帶寬內(nèi)存在1個(gè)主瓣和對(duì)稱的6個(gè)旁瓣。對(duì)于40.258MHz的數(shù)字中頻信號(hào)，采用分段檢測法對(duì)信號(hào)3dB帶寬(32.258MHz～48.258MHz)分7段進(jìn)行干擾檢測，頻段劃分如表2所示。

表2 北斗B1信號(hào)干擾檢測頻段劃分

分段干擾檢測方法的流程為：

圖2 分段干擾檢測流程

1)設(shè)定兩個(gè)空子集I(n)和J(n)，I(n)為非干擾頻點(diǎn)子集，J(n)為干擾頻點(diǎn)子集；

2)對(duì)接收信號(hào)r(t)取N點(diǎn)的FFT運(yùn)算，根據(jù)式(12)求R(n)的包絡(luò)A(n)，N取240000，同時(shí)取北斗B1信號(hào)3 dB工作帶寬頻段內(nèi)包絡(luò)譜線Ab(n)；

3)將包絡(luò)譜線劃分為七段，逐段檢測；

4)由Ab1(n)的包絡(luò)譜線得初始檢測門限；

5)將Ab1(n)的譜線值與步驟4中的初始檢測門限值比較，若譜線值大于初始檢測門限，將譜線值及對(duì)應(yīng)位置更新為干擾頻點(diǎn)子集J(n)中，其余譜線更新到非干擾頻點(diǎn)子集I(n)；

6)由步驟5中的I(n)得出新的干擾檢測門限，將I(n)中的譜線值與新的檢測門限對(duì)比，若譜線值大于檢測門限，將譜線值及對(duì)應(yīng)位置更新到干擾頻點(diǎn)子集J(n)，同時(shí)相應(yīng)位置的I(n)置為0；

7)重復(fù)步驟6，直到?jīng)]有譜線可更新到干擾頻點(diǎn)子集中。若非干擾頻點(diǎn)子集I(n)有p條譜線，則干擾頻點(diǎn)子集J(n)中有N-p條譜線；

8)假設(shè)采用雙門限檢測，則對(duì)中的條譜線求均值，計(jì)算得到高檢測門限，將步驟(7)中干擾頻點(diǎn)子集中的譜線與高檢測門限對(duì)比，將最終大于檢測門限的譜線更新到，剩余譜線更新到非干擾頻點(diǎn)子集中；

9)此時(shí)的干擾頻點(diǎn)子集J(n)為信號(hào)第1個(gè)頻段32.258MHz～34.2588MHz內(nèi)的檢測結(jié)果。

10)重復(fù)步驟4～9對(duì)其他6個(gè)頻段進(jìn)行檢測，更新后的干擾頻點(diǎn)子集J(n)為最終檢測結(jié)果。

2 仿真校驗(yàn)

2.1 檢測性能分析

整段檢測與分段檢測的檢測結(jié)果對(duì)比如圖3所示，黑色譜線表示接收信號(hào)原始包絡(luò)譜線，譜線上標(biāo)注的圓點(diǎn)表示干擾頻點(diǎn)。

可以看出，整段檢測將有用信號(hào)錯(cuò)誤檢測為干擾信號(hào)，檢測效果差，檢測結(jié)果不準(zhǔn)確；分段檢測方法可以檢測出譜線中異常突起的位置，檢測效果相對(duì)較好，檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確。

表3為單門限、雙門限與分段、整段檢測對(duì)于不同采樣時(shí)長的北斗B1信號(hào)15次處理的平均檢測時(shí)間對(duì)比，結(jié)果表明：分段檢測所需時(shí)間較短，檢測效率較高，且數(shù)據(jù)采樣時(shí)間越長差異越明顯。

圖3 整段檢測與分段檢測結(jié)果對(duì)比

表3 檢測時(shí)間對(duì)比

2.2 干擾數(shù)據(jù)處理

北斗B1射頻信號(hào)經(jīng)過低噪放之后與信號(hào)源產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過合路器疊加輸入到下變頻器中，再通過北斗信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，產(chǎn)生干擾數(shù)據(jù)。

信號(hào)采樣時(shí)間是1000ms，CME和FCME分段檢測算法的虛警率為1×10-5，基于雙門限檢測的虛警率分別為1×10-5和0.005，F(xiàn)FT變換采樣點(diǎn)數(shù)為240000。對(duì)疊加不同干擾信號(hào)的MEO-3號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行干擾檢測。

單門限分段檢測算法對(duì)于單個(gè)頻點(diǎn)的干擾信號(hào)的檢測效果較好，但在干擾信號(hào)帶寬較寬的情況下容易漏檢。雙門限分段檢測的檢測算法在干擾較弱或只有單個(gè)頻點(diǎn)干擾的情況下，容易將正常頻點(diǎn)的信號(hào)檢測為干擾信號(hào)，檢測效果不佳，但在干擾帶寬較寬、干擾信號(hào)功率較大的情況下，效果優(yōu)于單門限分段檢測算法。

2.3 北斗B1信號(hào)數(shù)據(jù)處理

對(duì)高增益天線采集的北斗B1信號(hào)離線數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾檢測，數(shù)據(jù)采樣率為240MHz，中心頻率為40.258MHz。采集若干顆衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)比其信號(hào)質(zhì)量并對(duì)部分衛(wèi)星信號(hào)做干擾檢測處理。信號(hào)的采樣時(shí)間是1000ms，CME和FCME分段檢測算法的虛警率為1×10-5，基于雙門限檢測的兩個(gè)虛警率分別為1×10-5和0.005，F(xiàn)FT變換采樣點(diǎn)數(shù)為240000。圖6和圖7為GEO-1號(hào)衛(wèi)星的干擾檢測結(jié)果。

圖4 單門限分段干擾檢測結(jié)果

圖5 雙門限分段干擾檢測結(jié)果

圖6 GEO-1號(hào)衛(wèi)星單門限干擾檢測結(jié)果

圖7 GEO-1號(hào)衛(wèi)星雙門限干擾檢測結(jié)果

從圖7看出，GEO-1號(hào)衛(wèi)星有載波泄露現(xiàn)象，在第一旁瓣出現(xiàn)碼頻泄露，但沒有對(duì)信號(hào)造成過大影響。而雙門限分段檢測算法出現(xiàn)了較大的虛檢情況。

3 結(jié)論

本文針對(duì)北斗B1信號(hào)提出的分段干擾檢測方法，檢測效果好，檢測效率有所提高。實(shí)際測試中，使用矢量信號(hào)源作為干擾源產(chǎn)生干擾信號(hào)，與北斗B1信號(hào)進(jìn)行疊加，驗(yàn)證了分段干擾檢測方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：單門限分段檢測算法對(duì)于單個(gè)頻點(diǎn)的干擾信號(hào)的檢測效果較好，但在干擾信號(hào)帶寬較寬的情況下容易發(fā)生漏檢現(xiàn)象;雙門限分段檢測算法在干擾帶寬較寬、干擾信號(hào)功率較大的情況下，檢測效果優(yōu)于單門限分段檢測算法。