CN106342250B - 一种卫星导航接收设备抗干扰实现方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星导航接收设备抗干扰实现方法。该方法包括下列步骤：首先，在数字域求取接收设备RF链路模拟AGC输出管脚的电平值判别出是否存在满足一定能量和持续时间的干扰，如果存在，则在后续处理流程中开启抗干扰模块，否则进入包含与抗干扰流程对应的延迟模块的正常通道，以减低基带处理复杂度。然后，将采集后的导航数据在频域统计分析其FFT的平均幅度以及通过差分求取拐点的方法得到干扰频点。最后，对得到的干扰频点进一步左移修正得到最终的调整值并通过调整模块进行统一调整，并在随后的数字AGC进一步增益调整。与现有技术相比较，本发明能够充分利用现有硬件资源，是一种复杂度较低、可靠有效的卫星导航接收机抗干扰方法。

Description

一种卫星导航接收设备抗干扰实现方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，更具体地说，是一种抗干扰信号处理器可用于卫星导航设备的抗干扰处理。

背景技术

随着科学技术突飞猛进的发展，现代航天、航空、航海事业对导航定位的精度和可靠性的要求越来越高。在诸多导航设备中，卫星导航是以信号传输信息的由多颗卫星组成的卫星网络，当信号被就接收和解码时，其允许接收机在覆盖区域内精确定位其位置，这使其能够在全球范围内提供载体的三维导航信息。从某种意义上讲，卫星导航系统是一种较为理想的导航设备，可以全天候、全天时提供位置、速度以及时间等信息。卫星导航在军事和民用领域有着广阔的应用需求，GPS(Global Position System)的建成和成功应用已经为美国带来了巨大的军事和经济利益，其它的包括俄罗斯的GLONASS系统，欧盟的伽利略(GALILEO)系统、中国北斗(Compass)导航系统以及日本的QZSS计划等卫星导航系统也都在进一步加紧完善中。

卫星导航系统是虽然应用广泛，但由于导航信号到达接收机的功率比较低，使其极易受到干扰而导致系统性能下降甚至失效，这在目前电磁环境的日益复杂以及导航对抗的日益激烈的情况下尤其需要关注。因此研究导航抗干扰技术具有重要意义，其关键核心技术对我国占据未来信息获取领域的优势地位以及掌握战争中的“制导航权”具有十分重要的意义。

导航抗干扰从实现方式上，可分为模拟和数字两种。90年代中期前的导航抗干扰一般为模拟实现，如美国Rockwell Collins公司研制的利用4阵元受控接收天线实现模拟陷零系统为地面移动平台提供了附加的抗干扰能力，由于其体积、重量和功耗、价格、陷零权值收敛慢等原因，模拟抗干扰系统并没有得到广泛的应用。随着硬件技术的快速发展，大容量、高性能数字器件的不断涌现，使得新一代导航抗干扰系统无一例外都采用了数字实现方式。就目前来看，抗干扰技术可分为时域、空域和频域三种抗干扰方法，其中时域算法主要是通过滤波的方法来消除干扰的影响，一般都比较复杂，对环境的适应能力稍差；空域算法能够很好地在干扰方向产生零点，同时还能增强某些方向的期望信号，抗干扰效果很好，但是需要多个天线和RF通道，硬件成本高。所以，本发明除了包括对硬件的干扰信息直接判别检测外，进一步通过软件无线电的思想对其在频域进行干扰频点的分析，采用一种简单有效、可靠的频点独立校正的方法，能够在现有方案中不增加额外成本且实现复杂度较低。

需要说明的是，在具有强RF场的环境下，干扰和干涉信号可能对接收机RF链路产生干扰影响，即使它们并非作为干扰和干涉信号有意地产生也会如此。干扰和干涉信号可能来源于包括无线电台、电视塔以及雷达等的任何高频设备。因此，在本发明所使用的术语“干扰信号”指的是干扰和干涉信号。此外，术语“无干扰”包括“无干涉”，术语“抗干扰能力”包括“抗干涉能力”。

关于这一领域的专利文献很多，如专利5955987中公开了GPS导航系统的例子，但是仍然需要一种提供改进的抗干扰信号特性用来导航飞行器的系统和方法；专利200910218946.4，201010230415.X，201010227261.9，公开了卫星导航接收机基于阵列天线的空时二维联合处理抗干扰方法，但其硬件成本较高；专利200610116582.5公开了一种基于单倍采样的卫星通信抗干扰技术的实现方法，但其实现复杂度较高。

发明内容

本发明的目的是：提供一种卫星导航接收设备抗干扰的实现方法。

本发明的技术方案是：本发明技术方案主要可以分为三部分。

首先，检测卫星导航设备接收RF链路模拟自动增益控制(AGC)输出管脚的电平值。这是考虑到卫星信号电平在一般正常情况下远远低于热噪声电平，所以模拟AGC输出管脚电平主要取决于热噪声，将此时的在正常情况下检测的模拟AGC输出管脚的电平功率作为干扰门限值。当遇到诸如压制干扰时，干扰噪声功率会大大高于热噪声电平，引起接收机模拟AGC输出管脚的电平明显增大，可以将其作为干扰检测的依据。进一步考虑到干扰的突发性，我们在数字域采用多组数据实时计算AGC输出管脚的电平功率值，并和干扰门限值进行比较，判别出是否存在满足一定条件(能量和持续时间)的干扰，如果存在，则在后续处理流程中开启抗干扰模块。对抗干扰模块进行控制开启选择是因为考虑到干扰的突发性以及抗干扰模块处理流程会在一定程度上降低接收机的实时导航定位效率而引入，即在通常正常的非干扰情况下，接收机工作在加入延迟模块的正常通道，此时可将抗干扰模块通道设为旁路(Bypass)，以降低基带处理的复杂度。

然后，将采集到的接收导航信号数据基于频域统计分析其FFT的平均幅度以及所有大于自适应抗干扰门限的干扰频点信息。自适应抗干扰门限的选取采用了一种后者减去前者的差分运算并求取最大值的方法。可见，经过上述处理步骤后，我们能够得到干扰所在的频点，即其对应频谱(FFT结果)位置。

所述采集后的导航数据在频域统计分析其FFT的平均幅度以及通过差分求取拐点的方法得到干扰频点，其步骤如下：

f)将输入信号先进行N点的串并转换，对并行信号进行N点的FFT变换，将信号转换到频域；

g)计算频域样点的幅度；

h)计算K组FFT的平均频域幅度，循环累加，K取值视硬件资源而定，参考值为4；

i)将平均后的N点FFT的结果进行后者减前者的差分运算，得到序列X[n]，n＝1，…，N/2；

选取X[n]的最大值并记录其位置，将其对应的N点FFT结果位置左边第一个位置X[S]处的值作为原始信号频谱和干扰频谱的期望分界点，即得到所需的自适应频域干扰门限。

最后，考虑到干扰频点在进行FFT运算时其相邻频点会被增大，进一步在此基础上对干扰频点值进行左移修正得到最终的频点调整值，然后基于频域通过调整模块将所有大于自适应频域干扰门限的频点统一修正为调整值；然后将频域修正后的信号进行IFFT，并串转换后即为频域干扰抑制后的时域信号。并在后续的数字AGC模块中进一步对其进行基于时域的能量调整，以满足后续捕获和跟踪模块的具体需求。

所述对得到的干扰频点进一步左移修正得到最终的调整值并通过调整模块进行统一调整，其步骤如下：

a)选取X[S]处左侧[N/50]的处的信号和噪声频点信息作为调整值；

b)然后将频域独立调整抑制后的信号进行N点的IFFT，并串转换后即为频域干扰抑制后的时域信号。

本发明的优点是：与现有技术相比较，本发明在充分考虑现有卫星导航接收机干扰的基础上，能够充分利用现有硬件资源，并此基础上通过软件无线电的思想对其在频域进行干扰频点的进一步分析，采用一种实现简单的频点独立校正的方法，能够在现有方案中不增加额外成本，是一种复杂度较低、可靠有效的卫星导航接收机抗干扰方法。

附图说明

图1接收机干扰产生以及频域抗干扰框图。

图2本发明具体实现整体原理框图。

图3独立频点校正原理框图。

图4干扰前后接收导航信号FFT的平均幅度仿真结果图。

图5差分运算及最大值选取仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参考附图1给出了接收机干扰产生的机理以及频域抗干扰在接收机中所处位置示意图。可见，卫星接收设备中干扰的产生主要为信道中产生；抗干扰模块是接收机在数字域首要进行的一个处理环节，即在所有后续的捕获以及跟踪算法之前进行抗干扰判决及其相应处理。

参考附图2给出了本发明的整体实现流程框图。具体说明如下，首先考虑到卫星信号电平在一般正常情况下远远低于热噪声电平，RF接收链路的模拟AGC输出管脚的电平主要取决于热噪声。当遇到诸如压制干扰时，干扰噪声功率会大大高于热噪声电平，引起接收机模拟AGC输出管脚的电平明显增大，可以将其作为干扰检测的依据。进一步考虑到干扰的突发性，在接收机工作过程中，我们在数字域通过FPGA实时检测多组模拟AGC输出管脚的电平数据，并和干扰门限值进行比较，判别出是否存在满足一定条件(能量和持续时间)的干扰，如果存在，则在后续处理流程中开启抗干扰模块。对抗干扰模块进行控制开启选择是因为考虑到干扰的突发性以及抗干扰模块处理流程会在一定程度上降低接收机的实时导航定位效率而引入的，即在通常正常的非干扰情况下，接收机工作在加入延迟模块的正常通道，此时可将抗干扰模块通道设为旁路，以降低基带处理的复杂度。

然后，进入基于软件无线电的思想的内部算法软件处理环节。需要说明的是，本发明选择基于频域的干扰抑制不仅仅是为了减少额外硬件成本以及降低实现复杂度，还主要是因为频域抑制的方法能够很好地抑制部分频带干扰，这是由于卫星导航信号的扩频特性，信号功率比噪声功率要低得多，在频域上期望信号的频谱为平坦的白噪声特性，当存在部分频带干扰信号的时候，在干扰的频域就会出现比较高的频域特性，这使得我们便于在频域采用相应的方法进行抗干扰处理。

将采集到的接收导航信号数据基于频域统计分析其FFT的平均幅度以及干扰频点。包括如下步骤：

1)将输入信号先进行N点的串并转换，对并行信号进行N点的FFT变换，将信号转换到频域；

2)计算频域样点的幅度，如图4所示；

3)计算K组FFT的平均频域幅度，循环累加，K取值视硬件资源而定，参考值为4；

4)将平均后的N点FFT的结果进行后者减去前者差分运算，得到序列X[n]，n＝1，…，N/2。如图5所示；

5)选取X[n]的最大值并记录其位置，将其对应的N点FFT结果位置左边第一个位置X[S]处的值作为原始信号频谱和干扰频谱的期望分界点，即得到所需的自适应频域干扰门限；

6)选取X[S]处左侧[N/50]的处的信号和噪声频点信息作为调整值。

可见，经过上述处理步骤后，我们能够得到干扰所在的频点，即其对应频谱(N点FFT结果)位置。此时，可采用图3所示的对应频点的修正模块在频域上对其进行调整，利用上述所有大于自适应频域干扰门限的频点及统一设为调整值；然后将频域抑制后的信号进行N点的IFFT，并串转换后即为频域干扰抑制后的时域信号。

最后，在数字AGC模块中进一步对其进行能量调整，以满足后续捕获和跟踪模块的具体需求。

Claims (3)

1.一种卫星导航接收设备抗干扰实现方法，其特征在于，首先，在数字域求取接收设备RF链路模拟AGC输出管脚的电平值判别出是否存在满足一定能量和持续时间的干扰，如果存在，则在后续处理流程中开启抗干扰模块，否则进入包含与抗干扰流程对应的延迟模块的正常通道，以减低基带处理复杂度；然后，将采集后的导航数据在频域统计分析其FFT的平均幅度以及通过差分求取拐点的方法得到干扰频点；最后，对得到的干扰频点进一步左移修正得到最终的调整值并通过调整模块进行统一调整，并在随后的数字AGC进一步增益调整。

2.根据权利要求1所述的卫星导航接收设备抗干扰实现方法，其特征在于，所述采集后的导航数据在频域统计分析其FFT的平均幅度以及通过差分求取拐点的方法得到干扰频点，其步骤如下：

a)将输入信号先进行N点的串并转换，对并行信号进行N点的FFT变换，将信号转换到频域；

b)计算频域样点的幅度；

c)计算K组FFT的平均频域幅度，循环累加，K取参考值为4；

d)将平均后的N点FFT的结果进行后者减前者的差分运算，得到序列X[n]，n＝1，…，N/2；

e)选取X[n]的最大值并记录其位置，将其对应的N点FFT结果位置左边第一个位置X[S]处的值作为原始信号频谱和干扰频谱的期望分界点，即得到所需的自适应频域干扰门限。

3.根据权利要求2所述的卫星导航接收设备抗干扰实现方法，其特征在于，所述对得到的干扰频点进一步左移修正得到最终的调整值并通过调整模块进行统一调整，其步骤如下：

a)选取X[S]处左侧[N/50]的处的信号和噪声频点信息作为调整值；

然后将频域独立调整抑制后的信号进行N点的IFFT，并串转换后即为频域干扰抑制后的时域信号。