CN104316936B - 一种综合的dme脉冲干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种综合的DME脉冲干扰抑制方法。其包括输入接收机接收到的信号，并计算输入信号的干扰占空比；当输入信号的干扰占空比小于门限值γ时，采用时频混合滤波方法进行DME脉冲干扰抑制；当输入信号的干扰占空比大于门限值γ时，采用参数估计和小波包变换联合方法进行DME脉冲干扰抑制等步骤。本发明提供的综合的DME脉冲干扰抑制方法的有益效果：本方法结合了传统的DME脉冲干扰抑制方法及参数估计和小波包变换联合方法，可以针对不同脉冲干扰占空比的干扰场景自适应选择合适的方法进行干扰抑制，综合考虑了干扰抑制性能和算法的计算复杂度，有一定的实用价值。

Description

一种综合的DME脉冲干扰抑制方法

技术领域

本发明属于脉冲干扰抑制技术领域，特别是涉及一种综合的DME脉冲干扰抑制方法。

背景技术

GPS L5信号、Galileo E5信号和北斗B2信号都是未来全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)的重要组成部分，联合其他的卫星信号应用于有关生命安全(Safety of Life，SoL)的服务中，将在民航领域中具有广泛的应用前景。但是在GNSS的建设和发展过程中会遇到与现有的航空无线电设备的电磁兼容问题，例如GPSL5、Galileo E5和北斗B2信号的工作频带与航空无线电导航服务(Aeronautical RadioNavigation Services，ARNS)频带相重叠，同时ARNS频带已经被许多系统占用，因此在这些系统中，距离测量设备(Distance Measuring Equipment，DME)发射的大功率脉冲信号是影响GNSS信号的主要因素。以GPS L5为例，其中心频率为1176.45MHz，DME的工作频带为962-1213MHz，当机载DME询问器工作在信道64-126X模式时，地面DME应答机的转发频率将位于1151-1213MHz范围内，因此覆盖GPS L5的频带范围。在卫星导航系统中，典型的卫星信号传输功率为50W，DME地面站台传输功率最高可达2kW，相比而言，飞机离卫星较远而离地面DME站台较近。在飞机飞行过程中，来自地面DME站台的大功率脉冲进入机载GNSS接收机会降低接收机的信干噪比，如果不进行任何干扰抑制处理，很可能会影响接收机对卫星信号的捕获，从而使接收机跟踪环不能收敛，结果造成解码困难。尤其当飞机飞得越高时，障碍物的减少使得可见DME站台增多，接收到的脉冲干扰信号越多，对接收机正常工作的影响更严重。因此有必要研究GNSS中DME脉冲干扰抑制方法。

现有的DME干扰抑制方法主要分为以下几类：时域消隐法，频域陷波滤波法，时频混合滤波法和基于小波包变换的方法。其中时域消隐法是最为常用的脉冲干扰抑制方法，它通过在时域将超过预设门限的接收信号置零来消除干扰，但当脉冲干扰密度升高时，时域消隐法将滤除大量的脉冲干扰，同时也损失大量的有用卫星信号。频域陷波滤波法将信号转换到频域并在频域设置门限来滤除干扰，但同时也滤除掉干扰频率处的有用信号。时频混合滤波法首先将接收卫星信号通过一个时域滑动窗口进行时域脉冲干扰检测，当检测到DME脉冲对干扰时，将检测窗口内的信号转换到频域进行滤波，最后将滤波后的信号代替原始检测窗口内的信号作为输出，此方法相比前两种方法能保存更多的有用信号。与前三类方法不同的是，基于小波包变换的方法是将接收信号变换到小波系数域，在小波系数域设定门限检测和滤除干扰。虽然上述这些方法在脉冲干扰信号密度较低时有较好的性能，但是，随着脉冲干扰信号密度的升高，这些方法的性能严重下降，因此很有必要研究一种在脉冲干扰密度较高情况下仍有较好性能的DME脉冲干扰抑制方法。此外，由于在实际环境中，接收信号的脉冲干扰环境并非预先知道，因此有必要对脉冲干扰的密度进行评估，并且考虑到干扰抑制方法的性能和计算复杂度，有必要研究出一种综合的脉冲干扰抑制方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种综合的DME脉冲干扰抑制方法，其使得接收机根据不同的DME干扰占空比自适应选择合适的干扰抑制方法，从而得到较好的干扰抑制性能，使得接收机正常捕获卫星信号。

为了达到上述目的，综合的DME脉冲干扰抑制方法，其特征在于，其包括按顺序进行的下列步骤：

(1)输入接收机接收到的信号，并计算输入信号的干扰占空比；

(2)当输入信号的干扰占空比小于门限值γ时，采用时频混合滤波方法进行DME脉冲干扰抑制；

(3)当输入信号的干扰占空比大于门限值γ时，采用参数估计和小波包变换联合方法进行DME脉冲干扰抑制。

在步骤(1)中，所述的干扰占空比的计算由消隐占空比来表征，消隐占空比定义为大于时域消隐门限的样本数占总样本数的比例。

在步骤(3)中，所述的参数估计和小波包变换联合方法包括按顺序进行的下列步骤：

a.对步骤(1)输入的信号在时域用滑动的时间长度为25μs的窗口进行DME脉冲干扰检测，当检测到信号的幅度高于预定门限时，表明检测窗口范围内有干扰，进行后续的干扰抑制处理，否则不进行处理而直接输出无干扰信号；

b.判断检测到干扰的窗口内的脉冲对是否发生混叠且波形是否完整，如果检测窗口内的脉冲对不混叠且波形完整，则利用基于参数估计方法进行脉冲干扰抑制而得到干扰抑制后的输出信号，否则将窗口内的脉冲对数据保存为有混叠脉冲干扰区域的暂存数据，并且记下检测窗口的位置；滑动检测窗口，重复步骤a、b直至得到最终的有混叠脉冲干扰区域的暂存数据和相应的检测窗口的位置。

c.对最终有混叠脉冲干扰区域的暂存数据进行连通性分析，假设暂存数据中任意两个相邻窗口的间距小于一定的距离，则将此两个窗口连通后的区域作为新的有混叠脉冲干扰区域，否则，保留原来有混叠脉冲干扰区域的位置；

d.对上述连通后的有混叠脉冲干扰区域进行基于小波包变换的DME脉冲干扰抑制，最后得到干扰抑制后的输出信号，其中小波包变换选择的是5级dmey小波包变换。

在步骤b中，所述的判断检测窗口内的脉冲对是否混叠的方法是通过频域的峰值个数来进行，当峰值个数为1时，代表只有一个DME信号源，即不混叠；当峰值个数大于1时，代表检测窗口内DME信号源的个数大于1，表明有混叠。

在步骤b中，所述的判断检测窗口内脉冲波形是否完整的方法是根据检测窗口内脉冲对的两个高斯脉冲的脉宽之比进行。

在步骤b中，所述的基于参数估计方法是：用一个时间长度为25μs的时域检测窗口进行干扰检测，如果检测到干扰，则将检测窗口内的数据范围确定为感兴趣区域，利用DME脉冲对波形已知的特点在感兴趣区域对接收到的DME脉冲对进行频率、时延和复幅度的估计，最后在时域中减去所估计的DME脉冲对以实现干扰抑制。

本发明提供的综合的DME脉冲干扰抑制方法的有益效果：本方法结合了传统的DME脉冲干扰抑制方法及参数估计和小波包变换联合方法，可以针对不同脉冲干扰占空比的干扰场景自适应选择合适的方法进行干扰抑制，综合考虑了干扰抑制性能和算法的计算复杂度，有一定的实用价值。

附图说明

图1为本发明提供的综合的DME脉冲干扰抑制方法的实现框图。

图2为接收脉冲对中存在部分混叠脉冲的时域图。

图3为参数估计和小波包变换联合方法抑制DME干扰的流程图。

图4为不同占空比的干扰场景下不同DME干扰抑制方法捕获性能的对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的综合的DME脉冲干扰抑制方法进行详细说明。

一个基带DME信号由高斯脉冲对组成，可表示为：

$s\left(t\right)=e^{-\frac{\mathrm{\α}}{2}{t}^2}+e^{-\frac{\mathrm{\α}}{2}{(t-\mathrm{\Δt})}^2}---\left(1\right)$

其中，α＝4.5×10¹¹s^-2，α的取值可保证每个高斯脉冲的半幅度宽度为3.5μs。△t表示两个高斯脉冲间隔，对于X模式，△t＝12μs。在一段时间内接收到来自M个DME站台的脉冲干扰信号的表达式为：

$I\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{u=1}{\overset{N_{U,m}}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{P_m}s(t-t_{m,u})e^{j(2\mathrm{\π}{f}_{m,u}t+{\mathrm{\θ}}_{m,u})}---\left(2\right)$

其中，N_U,m表示在观测时间内接收到的第m个DME站台发射的脉冲对总数，P_m表示接收到的DME信号的峰值功率；t_m,u表示DME脉冲对的到达时刻；t_m,u建模为服从泊松分布的随机变量；f_m,u表示接收到的DME信号的中心频率，θ_m,u为相应的载波相位。

DME脉冲干扰密度或者DME脉冲干扰占空比可由消隐占空比来表征，消隐占空比定义为大于时域消隐门限的样本数占总样本数的比例。综合考虑DME干扰抑制方法的性能和计算复杂度，本发明根据不同的干扰占空比场景提出一种综合的DME脉冲干扰抑制方法。图1为此综合方法的实现框图，如图1所示，本发明提供的综合的DME脉冲干扰抑制方法包括按顺序进行的下列步骤：

(1)输入接收机接收到的信号，并计算输入信号的干扰占空比；

(2)当输入信号的干扰占空比小于门限值γ时，采用时频混合滤波方法进行DME脉冲干扰抑制；

(3)当输入信号的干扰占空比大于门限值γ时，采用参数估计和小波包变换联合方法进行DME脉冲干扰抑制。

上述参数估计和小波包变换联合方法(简称联合方法)是在干扰占空比较高时，接收信号中脉冲对之间发生部分混叠的概率增大，传统的时域消隐法、频域滤波法和时频混合滤波方法性能下降较为严重的情况下提出的。图2为接收到的脉冲对中存在部分混叠脉冲的时域图。图3为联合方法抑制DME干扰的流程图，如图3所示，所述的参数估计和小波包变换联合方法包括按顺序进行的下列步骤：

a.对上述步骤(1)输入的信号在时域用滑动的时间长度为25μs的窗口进行DME干扰检测，当检测到信号的幅度大于预定门限时，表明检测窗口范围内有干扰，进行后续的干扰抑制处理，否则不进行处理而直接输出无干扰信号；

b.判断检测到干扰的窗口内的脉冲对是否发生混叠且波形是否完整，如果检测窗口内的脉冲对不混叠且波形完整，则利用基于参数估计方法进行脉冲干扰抑制而得到干扰抑制后的输出信号，否则将窗口内的脉冲对数据保存为有混叠脉冲干扰区域的暂存数据，并且记下检测窗口的位置。其中判断检测窗口内的脉冲对是否混叠是通过频域的峰值个数来进行，当峰值个数为1时，代表只有一个DME信号源，即不混叠；当峰值个数大于1时，代表检测窗口内DME信号源的个数大于1，表明有混叠。判断检测窗口内脉冲波形是否完整的步骤如下：在检测窗口内进行第一次搜索最大值并将其作为搜索到的第一个高斯脉冲的峰值，以最大值对应的采样点位置为中心时间长度为8.5μs(因为8.5μs为单个完整DME高斯脉冲持续时间的长度，包括处于噪声水平之下的拖尾)的区域作为所检测到的第一个高斯脉冲的脉宽，如果所确定的区域溢出窗口长度，则以不溢出窗口的边界作为第一个高斯脉冲的脉宽；在第一个高斯脉冲所占区域外搜索最大值并将其记为搜索到的第二个高斯脉冲的峰值，并用相同的处理方式确定第二个高斯脉冲的脉宽；计算第一个高斯脉冲峰值与第二个高斯脉冲峰值之比λ₁，并比较两个高斯脉冲的脉宽，计算较大的脉宽与较小的脉宽的比值λ₂。若λ₁，λ₂同时小于1.3(考虑到实验中噪声对高斯脉冲波形的影响，1.3为实验过程中的经验值，实验结果也证明此值能达到区分检测脉冲对是否完整的目的)则视为存在完整脉冲对。滑动检测窗口，重复步骤a、b直至得到最终的有混叠脉冲干扰区域的暂存数据和相应的检测窗口的位置。

c.对最终有混叠脉冲干扰区域的暂存数据进行连通性分析，假设暂存数据中任意两个相邻窗口的间距小于一定的距离，比如12μs，则将此两个窗口连通后的区域作为新的有混叠脉冲干扰区域，否则，保留原来有混叠脉冲干扰区域的位置。

d.对上述连通后的有混叠脉冲干扰区域进行基于小波包变换的DME脉冲干扰抑制，最后得到干扰抑制后的输出信号，其中小波包变换选择的是5级dmey小波包变换。

上述联合方法中提到的基于参数估计方法是在检测窗口能检测到单个完整的DME脉冲波形的前提下提出的，在此前提下，利用DME波形结构已知的特点较容易对检测窗口内的DME信号参数进行估计，相比现有的DME干扰抑制方法能够保留更多的有用卫星信号。该方法用一个时间长度为25μs的时域检测窗口进行干扰检测，如果检测到干扰，则将检测窗口内的数据范围确定为感兴趣区域ROI(Range of interest)，利用DME脉冲对波形已知的特点在ROI对接收到的DME脉冲对进行频率、时延和复幅度的估计，最后在时域中减去所估计的DME脉冲对以实现干扰抑制。

检测窗口内接收到的含有DME干扰的信号可以建模为：

$y\left(t\right)=\mathrm{\βs}(t-\mathrm{\τ})e^{{\mathrm{jw}}_I(t-\mathrm{\τ})}+e\left(t\right)---\left(3\right)$

其中β为复幅度，w_I为所接收到的DME脉冲对的中心频率，e(t)包括噪声信号和淹没在噪声信号中的GNSS卫星信号。假设采样周期为T_s，则检测窗口内的信号可以重新表示为：

$y\left({\mathrm{nT}}_s\right)=\mathrm{\βs}({\mathrm{nT}}_s-\mathrm{\τ})e^{{\mathrm{jw}}_I({\mathrm{nT}}_s-\mathrm{\τ})}+e\left({\mathrm{nT}}_s\right),n=\mathrm{0,1},...,N-1---\left(4\right)$

对ROI进行DME相关参数的估计和干扰抑制的步骤如下：

a.频率估计

将与复幅度β合并后得到则可视为未知波形；此时对频率的估计问题可看作为对具有任意包络的正弦信号的频率估计问题。采用非线性最小二乘(NLS)准则对w_I频率进行求解，即：

$\underset{\widetilde{\mathrm{\β}},w_I}{\min }\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|y\left({\mathrm{nT}}_s\right)-\widetilde{\mathrm{\β}}s({\mathrm{nT}}_s-\mathrm{\τ})e^{\mathrm{jn}{T}_s{w}_I}|}^2---\left(5\right)$

为了将上式写为矩阵形式，可以令y＝[y(0),y(1),…,y(N-1)]^T，x＝[s(-τ),s(T_s-τ),…,s((N-1)T_s-τ)]^T及则式(5)可以写成：

$\underset{\widetilde{\mathrm{\β}},w_I}{\min }{\left|\right|y-\widetilde{\mathrm{\β}}\mathrm{Dx}\left|\right|}^2---\left(6\right)$

其中||·||表示欧几里德范数，求解式(6)中关于复幅度值的解为：

$\widehat{\tilde{\mathrm{\β}}}={\left(x^{T}x\right)}^{-1}{x}^T{D}^{H}y---\left(7\right)$

其中(·)^T表示转置，(·)^H表示共轭转置，矩阵D中的频率w_I为未知，有待进行估计。

将由式(7)得到的复幅度值代入公式(6)，可得到如下最小化问题：

$\underset{w_I}{\min }{\left|\right|(I-{\mathrm{Dxx}}^T{D}^H{\left({\mathrm{xx}}^T\right)}^{-1})y\left|\right|}^2---\left(8\right)$

求解此非线性最小二乘问题可得：

${\hat{w}}_I=\arg \underset{w_I}{\max }{\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2\left({\mathrm{nT}}_s\right)e^{-j2w_{I}n{T}_s}\right|}^2---\left(9\right)$

则频率估值为y²(nT_s)进行FFT后峰值所对应的频率的一半。

b.复幅度和时延估计

通过步骤(1)得到频率估值后，对复幅度β和时延τ进行估计。令 $x\left({\mathrm{nT}}_s\right)=s\left({\mathrm{nT}}_s\right)e^{{\mathrm{jw}}_{I}n{T}_s};$ 则有： $x({\mathrm{nT}}_s-\mathrm{\τ})=s({\mathrm{nT}}_s-\mathrm{\τ})e^{{\mathrm{jw}}_I({\mathrm{nT}}_s-\mathrm{\τ})}.$ 则检测窗口内的信号可表示为：

y(nT_s)＝βx(nT_s-τ)+e(nT_s),n＝0,1,…,N-1 (10)

令Y(k)，X(k)，E(k)分别表示y(nT_s)，x(nT_s)，e(nT_s)的DFT；则有：

$Y\left(k\right)=\mathrm{\βX}\left(k\right)e^{j{w}_{d}k}+E\left(k\right)---\left(11\right)$

其中w_d＝-2πf_sτ/N；f_s＝1/T_s为采样频率。

为了估计延时τ和复幅度β，求解如下非线性最小二乘问题：

$\underset{\mathrm{\β},w_d}{\min }\underset{k=-N/2}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{|Y\left(k\right)-\mathrm{\βX}\left(k\right)e^{j{w}_{d}k}|}^2---\left(12\right)$

将上式表示为矩阵形式，令Y＝[Y(-N/2) Y(-N/2+1) … Y(N/2-1)]^T，X＝diag{X(-N/2) X(-N/2+1) … X(N/2-1)}；同时令 $a\left(w_d\right)={\left[\begin{array}{cccc}{e}^{j{w}_d(-N/2)}& e^{j{w}_d(-N/2+1)}& ...& e^{j{w}_d(N/2-1)}\end{array}\right]}^T;$ 则式(12)可写成：

$\underset{\mathrm{\β},w_d}{\min }{\left|\right|Y-\mathrm{\βXa}\left(w_d\right)\left|\right|}^2---\left(13\right)$

求解此最优化问题可得：

${\hat{w}}_d=\arg \underset{w_d}{\max }{\left|a^H\left(w_d\right)\left(X^{*}Y\right)\right|}^2---\left(14\right)$

$\widehat{\mathrm{\β}}=\frac{a^H\left(w_d\right)\left(X^{*}Y\right)}{{\left|\right|X\left|\right|}^2}{|}_{w={\hat{w}}_d}---\left(15\right)$

求得后，即可求得时延估值

c.对DME信号进行重构并进行干扰抑制

利用频率估值和复幅度估值及时延估值可重构DME信号：

${\hat{y}}_{\mathrm{DME}}\left({\mathrm{nT}}_s\right)=\widehat{\mathrm{\β}}s({\mathrm{nT}}_s-\widehat{\mathrm{\τ}})e^{j{\hat{w}}_I({\mathrm{nT}}_s-\widehat{\mathrm{\τ}})}---\left(16\right)$

在检测窗口范围内对干扰进行抑制：

$\hat{y}\left({\mathrm{nT}}_s\right)=y\left({\mathrm{nT}}_s\right)-{\hat{y}}_{\mathrm{DME}}\left({\mathrm{nT}}_s\right),n=\mathrm{0,1},...,N---\left(17\right)$

实验中对干扰场景的设置采取干扰占空比模型进行设置。干扰占空比模型根据不同的干扰占空比来设置干扰场景。接收到DME站台的个数越多，接收脉冲对个数越多，导致更高的干扰占空比。实验中，加入的DME站台个数从1变到18，使得干扰占空比从4％变化到51％，每个DME站台的脉冲对重复频率为2700对每秒，脉冲峰值功率与噪声峰值功率之比为20dB，脉冲对的到达时刻服从泊松分布。

图4为不同占空比的干扰场景下，时域消隐法、频域陷波滤波法、时频混合滤波法、小波包变换法、本发明中的联合方法、本发明中的综合方法进行干扰抑制处理后和无干扰信号捕获性能的对比。从图4可以看出，所有干扰抑制方法的性能随着干扰占空比的升高会有下降。当占空比小于20％时，时频混合滤波法与联合方法性能差距不大，即有较好的干扰抑制性能。当占空比大于20％时，联合方法性能明显优于传统方法。

考虑到不同方法的干扰抑制性能和计算复杂度，提出的综合方法结合时频混合滤波方法和联合方法。对于综合方法，占空比门限γ设置为20％，当占空比小于20％时，综合方法选择时频混合滤波方法作为干扰抑制方法，当占空比大于20％时，综合方法选择联合方法作为干扰抑制方法。

Claims (4)

1.一种综合的DME脉冲干扰抑制方法，其包括按顺序进行的下列步骤：

(1)输入接收机接收到的信号，并计算输入信号的干扰占空比；

(2)当输入信号的干扰占空比小于门限值γ时，采用时频混合滤波方法进行DME脉冲干扰抑制；

(3)当输入信号的干扰占空比大于门限值γ时，采用参数估计和小波包变换联合方法进行DME脉冲干扰抑制；

其特征在于：在步骤(3)中，所述的参数估计和小波包变换联合方法包括按顺序进行的下列步骤：

a.对步骤(1)输入的信号在时域用滑动的时间长度为25μs的窗口进行DME脉冲干扰检测，当检测到信号的幅度高于预定门限时，表明检测窗口范围内有干扰，进行后续的干扰抑制处理，否则不进行处理而直接输出无干扰信号；

b.判断检测到干扰的窗口内的脉冲对是否发生混叠且波形是否完整，如果检测窗口内的脉冲对不混叠且波形完整，则利用基于参数估计方法进行脉冲干扰抑制而得到干扰抑制后的输出信号，否则将窗口内的脉冲对数据保存为有混叠脉冲干扰区域的暂存数据，并且记下检测窗口的位置；滑动检测窗口，重复步骤a、b直至得到最终的有混叠脉冲干扰区域的暂存数据和相应的检测窗口的位置；

c.对最终有混叠脉冲干扰区域的暂存数据进行连通性分析，假设暂存数据中任意两个相邻窗口的间距小于一定的距离，则将此两个窗口连通后的区域作为新的有混叠脉冲干扰区域，否则，保留原来有混叠脉冲干扰区域的位置；

d.对上述连通后的有混叠脉冲干扰区域进行基于小波包变换的DME脉冲干扰抑制，最后得到干扰抑制后的输出信号，其中小波包变换选择的是5级dmey小波包变换。

2.根据权利要求1所述的综合的DME脉冲干扰抑制方法，其特征在于：在步骤b中，所述的判断检测窗口内的脉冲对是否混叠的方法是通过频域的峰值个数来进行，当峰值个数为1时，代表只有一个DME信号源，即不混叠；当峰值个数大于1时，代表检测窗口内DME信号源的个数大于1，表明有混叠。

3.根据权利要求1所述的综合的DME脉冲干扰抑制方法，其特征在于：在步骤b中，所述的判断检测窗口内脉冲波形是否完整的方法是根据检测窗口内脉冲对的两个高斯脉冲的脉宽之比进行。

4.根据权利要求1所述的综合的DME脉冲干扰抑制方法，其特征在于，在步骤b中，所述的基于参数估计方法是：用一个时间长度为25μs的时域检测窗口进行干扰检测，如果检测到干扰，则将检测窗口内的数据范围确定为感兴趣区域，利用DME脉冲对波形已知的特点在感兴趣区域对接收到的DME脉冲对进行频率、时延和复幅度的估计，最后在时域中减去所估计的DME脉冲对以实现干扰抑制。