CN108897013B - 一种基于多节点agc的gnss干扰源定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多节点AGC的GNSS干扰源定位方法，首先基于传感器网络的干扰源定位系统中的各网络节点实时监测各自的GNSS定位结果和AGC增益值，定位系统中可正常定位的各网络节点将其各自的GNSS定位结果和AGC增益值通过通信链路发送给服务器。然后服务器根据接收到的各AGC增益值估计各AGC增益值所对应的网络节点的接收信号强度。服务器从可正常定位的所有网络节点中选取接收信号强度最大的L个网络节点构建干扰源定位方程组。最后，服务器采用牛顿迭代法求解干扰源位置。本发明仅通过各网络节点的AGC监测结果和定位结果实现干扰源的定位，降低了对网络节点的性能要求，减小了整个定位系统的实现代价和成本。

Description

一种基于多节点AGC的GNSS干扰源定位方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是卫星导航系统中干扰源的定位方法，更具体的是涉及一种基于多节点AGC(Automatic Gain Control,增益控制系统)的GNSS干扰源定位方法。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是各种卫星导航系统及其增强系统的总称，包括美国的GPS系统、俄罗斯的格洛纳斯系统、欧洲的伽利略系统以及我国的北斗系统等等。GNSS具备在任何时候为任何人或物体提供精确的定位、测速和授时服务的能力，已经成为重要的空间信息基础设施。一旦GNSS受到干扰，将会对许多依赖GNSS的与国计民生关系密切的行业造成严重影响。随着电子通信技术的发展，电磁环境正变得越来越复杂，GNSS系统受干扰的事件频繁发生。

当环境中存在干扰时，卫星导航接收机接收信号的动态范围增大，其数字量化环节极易因输入信号过大，而产生严重限幅失真。因此，为保证干扰环境下正常接收不失真信号，目前许多卫星导航接收机采用了增益控制系统(Automatic Gain Control,AGC)来实现输入信号幅度与模数转换器的满幅度值相匹配，减小量化损耗。更进一步，接收机还可以采取抗干扰措施来抑制干扰，但这也将大大增加接收机的成本。

另一方面，对GNSS干扰源进行快速定位并采取管制措施是解决GNSS干扰问题的根本途径。

基于传感器网络的干扰源定位系统能实现GNSS干扰源的快速精确定位(如澳大利亚的干扰源定位系统GNSS Environmental Monitoring System(GEMS))。这种定位系统一般由多个网络节点和一个服务器组成，网络节点通常由卫星导航接收机组成，网络节点与服务器通过有线或无线链路进行数据传输。该系统采用的干扰源定位方法目前主要有两种：基于AOA(Angle of Arrival)和基于TDOA(Time Difference of Arrival)的定位方法。其中基于AOA的定位方法要求网络节点采用天线阵或测向天线测量干扰的入射方向；基于TDOA的定位方法要求各网络节点的时间基准精确同步，因此要增加高精度的授时模块。这两种方法都要求网络节点采用专业的高端卫星导航接收机，增加了整个定位系统的实现代价和成本。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多节点AGC的GNSS干扰源定位方法，该方法应用于基于传感器网络的干扰源定位系统(如澳大利亚的干扰源定位系统GNSS Environmental Monitoring System(GEMS))中.通过各网络节点的定位结果和AGC增益值变化对干扰源进行定位。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于多节点AGC的GNSS干扰源定位方法，包括以下步骤：

(1)基于传感器网络的干扰源定位系统中的各网络节点实时监测各自的GNSS定位结果和AGC增益值，定位系统中可正常定位的各网络节点将其各自的GNSS定位结果和AGC增益值通过通信链路发送给服务器。

(2)服务器根据接收到的各AGC增益值估计各AGC增益值所对应的网络节点的接收信号强度。

(3)服务器从可正常定位的所有网络节点中选取接收信号强度最大的L个网络节点构建干扰源定位方程组。

(4)服务器采用牛顿迭代法求解干扰源位置。

在步骤(1)中，设定位系统中共有N个网络节点，其中M个(M≤N)网络节点可正常定位(如环境中存在干扰时，离干扰源较近的网络节点可能由于干扰功率太强而无法正常定位)，这M个网络节点各自的GNSS定位结果和AGC增益值分别为(x_m,y_m)和g_m(m＝1,2,…,M)。这M个网络节点将各自的GNSS定位结果和AGC增益值通过通信链路实时发送给服务器。

在步骤(2)中，定位系统中的N个网络节点其各自在无干扰下的AGC增益值为

是作为已知参数存储在存储器中。对于网络节点m(m＝1,2,…,M)，服务器首先从存储器中查询网络节点m在无干扰下的AGC增益值为

然后根据网络节点m实时发送过来的AGC增益值g_m估计其接收的信号强度S_m。S_m通过下式估计得到：

在步骤(3)中，设这L个网络节点(服务器从可正常定位的所有网络节点中选取接收信号强度最大的L个网络节点)的定位结果和估计得到的接收信号强度分别为(x_l,y_l)和S_l(l＝1,2,…,L),则构建的干扰源定位方程组可表示为：

其中，L≤M，(x,y)为干扰源的坐标，P为一个未知常数。

在步骤(4)中，具体的求解方法如下：

第一步：设置步骤(3)中的方程组的初始解为(x⁽⁰⁾,y⁽⁰⁾,P⁽⁰⁾)。初始解一般可设置成任意常数，也可全部设置为0。

第二步：将步骤(3)中的干扰源定位方程组线性化，线性化通过将(x,y)的非线性函数进行泰勒展开并忽略二次和二次以上的高阶项得到。线性化后的方程组可写为：

式中：

其中，k表示牛顿迭代次数，k＝1代表第一次迭代。Δx、Δy和ΔP为要求解的未知量(x,y,P)的增量。

第三步，根据下式求取未知量的增量：

并按照下式更新干扰源定位结果：

第四步，判断牛顿迭代的收敛性。

通过检查未知量的增量是否已经小到了预先设定的门限值来判断牛顿迭代是否收敛。具体方法如下：

预先设置未知量的增量的门限值，将第三步求取的未知量的增量与预先设置的未知量的增量的门限值比较，如第三步求取的未知量的增量小于预先设定的门限值，则牛顿迭代已经收敛到了所需的精度，则终止迭代，并将当前这一次迭代计算后的更新值作为干扰源的定位结果，否则，k值增1，并返回第二步。

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

本发明克服了传统GNSS干扰源定位方法要求网络节点采用专业的高端卫星导航接收机、系统的成本高实现代价大的缺点，仅通过各网络节点的AGC监测结果和定位结果实现干扰源的定位，大大降低了对网络节点的性能要求，从而减小了整个定位系统的实现代价和成本。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是利用本发明方法在一具体实施例中得到的某网络节点的AGC增益值在出现干扰时的变化情况；

图3是利用本发明方法在一具体实施例中得到的干扰源定位结果误差曲线。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案进行进一步的展示和说明。

图1是本发明提供的一种基于多节点AGC的GNSS干扰源定位方法的流程图，如图所示，包括以下步骤：

步骤S1，各网络节点实时监测自己的GNSS定位结果和AGC增益值，并通过通信链路发送给服务器

设定位系统共有N个网络节点，其中M个网络节点可正常定位，这M个网络节点的定位结果和AGC增益值分别为(x_m,y_m)和g_m(m＝1,2,…,M)。这些监测结果通过通信链路实时发送给服务器。

步骤S2，服务器根据AGC增益值估计各网络节点的接收信号强度

以网络节点m为例，服务器首先读取网络节点m在无干扰下的AGC增益值为

然后根据网络节点m实时发送过来的AGC增益值g_m估计其接收的信号强度S_m。S_m通过下式估计得到：

步骤S3，服务器从可正常定位的M个网络节点中选取接收信号强度最大的L个网络节点构建干扰源定位方程组

设这L个网络节点的定位结果和估计得到的接收信号强度分别为(x_l,y_l)和S_l(l＝1,2,…,L),则构建的干扰源定位方程组可表示为：

其中，(x,y)为干扰源的坐标，P为一个未知常数。

步骤S4，服务器采用牛顿迭代法求解干扰源位置

第一步：设置步骤S3中的方程组的初始解(x⁽⁰⁾,y⁽⁰⁾,P⁽⁰⁾)，初始解一般可设置成任意常数，也可全部设置为0。

第二步：将步骤S3中的干扰源定位方程组线性化，线性化通过将(x,y)的非线性函数进行泰勒展开并忽略二次和二次以上的高阶项得到。线性化后的方程组可写为：

式中：

其中，k表示牛顿迭代次数，k＝1代表第一次迭代。Δx、Δy和ΔP为要求解的未知量(x,y,P)的增量。

第三步，根据下式求取未知量的增量：

并按照下式更新干扰源定位结果：

第四步，判断牛顿迭代的收敛性。

若牛顿迭代已经收敛到了所需的精度，则终止迭代，并将当前这一次迭代计算后的更新值作为干扰源的定位结果，否则，k值增1，并返回第二步。判断牛顿迭代是否收敛，可通过检查未知量的增量是否已经小到了预先设定的门限值来完成。

图2是本发明方法得到的某网络节点的AGC增益值在出现干扰时的变化情况，图3是本发明方法得到的干扰源定位结果误差曲线。在本实施例中，一个发射功率为200mW的干扰源位于坐标(0,0)处，在干扰源周围10平方公里内均匀分布着100个网络节点(N＝100)，从其中选取接收信号最强的25个网络节点(可正常定位)构建干扰源定位方程组(L＝25)。

从图2可以看出，随着干扰源开启(第1000ms时)和关闭(第3000ms时)干扰，该网络节点的AGC增益值出现了明显的变化，干扰开启时，增益值明显减小。从图3可以看出，根据本发明方法，当干扰源定位在不同的位置时得到的均方误差也各不相同，当干扰源定位在实际位置即(0,0)处时，得到的均方误差最小，而当干扰源定位结果距离真实位置越远时，其得到的均方误差也越大，这充分说明了本发明方法可对干扰源进行精确定位。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多节点AGC的GNSS干扰源定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)基于传感器网络的干扰源定位系统中的各网络节点实时监测各自的GNSS定位结果和AGC增益值，定位系统中可正常定位的各网络节点将其各自的GNSS定位结果和AGC增益值通过通信链路发送给服务器；

设定位系统中共有N个网络节点，其中M个网络节点可正常定位，这M个网络节点各自的GNSS定位结果和AGC增益值分别为(x_m,y_m)和g_m，其中M≤N，m＝1,2,…,M；这M个网络节点将各自的GNSS定位结果和AGC增益值通过通信链路实时发送给服务器；

(2)服务器根据接收到的各AGC增益值估计各AGC增益值所对应的网络节点的接收信号强度；

对于网络节点m，服务器首先从存储器中查询网络节点m在无干扰下的AGC增益值为

然后根据网络节点m实时发送过来的AGC增益值g_m估计其接收的信号强度S_m，S_m通过下式估计得到：

其中：定位系统中的N个网络节点其各自在无干扰下的AGC增益值为

是作为已知参数存储在存储器中；

(3)服务器从可正常定位的所有网络节点中选取接收信号强度最大的L个网络节点构建干扰源定位方程组；

设服务器从可正常定位的所有网络节点中选取接收信号强度最大的L个网络节点的定位结果和估计得到的接收信号强度分别为(x_l,y_l)和S_l，则构建的干扰源定位方程组表示为：

其中，L≤M，l＝1,2,…,L，(x,y)为干扰源的坐标，P为一个未知常数；

(4)服务器采用牛顿迭代法求解干扰源位置。

2.根据权利要求1所述的基于多节点AGC的GNSS干扰源定位方法，其特征在于：在步骤(4)中，求解方法如下：

第一步：设置步骤(3)中的方程组的初始解为(x⁽⁰⁾,y⁽⁰⁾,P⁽⁰⁾)；

第二步：将步骤(3)中的干扰源定位方程组线性化；

线性化通过将(x,y)的非线性函数进行泰勒展开并忽略二次和二次以上的高阶项得到，线性化后的方程组可写为：

式中：

其中，k表示牛顿迭代次数，k＝1代表第一次迭代；Δx、Δy和ΔP为要求解的未知量(x,y,P)的增量；

第三步，根据下式求取未知量的增量：

并按照下式更新干扰源定位结果：

第四步，判断牛顿迭代的收敛性；

通过检查未知量的增量是否已经小到了预先设定的门限值来判断牛顿迭代是否收敛。

3.根据权利要求2所述的基于多节点AGC的GNSS干扰源定位方法，其特征在于：在步骤(4)中，第一步中的初始解均设置为常数。

4.根据权利要求2所述的基于多节点AGC的GNSS干扰源定位方法，其特征在于：在步骤(4)中，第一步中的初始解全部设置为0。

5.根据权利要求2所述的基于多节点AGC的GNSS干扰源定位方法，其特征在于：在步骤(4)中，第四步的方法如下：

预先设置未知量的增量的门限值，将第三步求取的未知量的增量与预先设置的未知量的增量的门限值比较，如第三步求取的未知量的增量小于预先设定的门限值，则牛顿迭代已经收敛到了所需的精度，则终止迭代，并将当前这一次迭代计算后的更新值作为干扰源的定位结果，否则，k值增1，并返回第二步。

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