CN110988925A - 一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法 - Google Patents

一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种适用于导航接收机的脉冲干扰监测与参数确定方法，主要采用分段截取数字采样数据和非相干累积提高脉冲干扰检测能力等技术，包括接收信号存储、数据预处理、数据平滑和参数确定等模块，在统一的时钟控制下，通过各模块完成卫星导航接收机对脉冲干扰的检测和参数确定。该方法可以迅速对进入接收机内部的脉冲干扰进行检测和参数确定，给出脉冲干扰信号的脉冲周期和占空比参数，并发送干扰告警信息，在复杂脉冲干扰条件下提高导航接收机的正确性和可用性。

Description

一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法
技术领域
本发明涉及一种卫星导航接收机的脉冲干扰检测与参数确定方法，属于无线电卫星导航技术领域。
背景技术
自上世纪五十年代以来，卫星导航技术得到了飞速发展。在上世纪美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统均已建设完成。欧盟的卫星导航系统(GALILEO计划)于2002年3月正式启动建设，现在基本建成并开始提供部分服务能力。我国在上世纪末建成了“北斗一号”区域卫星导航系统，为亚太地区提供了区域有源定位导航服务。2017年建设成功了性能更高、覆盖范围更广的“北斗二号”卫星导航系统，根据计划将在2020年建成覆盖全球的“北斗三号”卫星导航系统。卫星导航系统的发展为人类导航定位技术提供了丰富的技术手段，且卫星导航信号频段主要分布在在1.2G和1.5G附近，各系统各信号分量频率占用情况如表1所示。
表1现有卫星导航系统民用导航信号频率表
Figure BDA0002322561900000011
Figure BDA0002322561900000021
该频段干扰信号较多，尤其军用或民用雷达脉冲干扰信号最严重。在干扰信号进入导航接收机后，经过接收机扩频处理后接收机的底噪声功率增加，造成接收机对导航信号的跟踪精度降低，从而对导航定位结果造成不同程度的影响。在干扰严重情况下，导航接收机可能工作异常或者定位错误，给用户造成严重后果。
依据时间域内干扰信号的主要特点，导航干扰信号包括连续波干扰和脉冲干扰，连续波干扰信号在时域上表现出连续性，在时间域上完全覆盖导航信号，不存在间断点；但脉冲干扰信号则是间断的，不连续的，其数学表达式如下：
Figure BDA0002322561900000022
其中，ε(t)为阶跃信号，A为脉冲幅度，Tc为脉冲宽度，T为脉冲周期，i为0和所有正整数，Tc/T为占空比。
由于脉冲信号的间断特性，使得该信号在时域上不能完全覆盖导航信号，表现出脉冲特性，该信号在时间上占用的宽度则通过占空比和脉冲重复频率确定，不是一般性，暂将占空比1/10以下的脉冲干扰信号统称为短时脉冲信号，占空比超过1/2的脉冲干扰信号统称为长时脉冲信号。从频域特性分析角度，由于脉冲信号的频谱与脉冲宽度、脉冲重复频率和脉冲信号的上升沿下降沿有关，从理论上分析，脉冲信号频谱具有无限带宽，脉冲信号可以看成是一种特殊的宽带干扰信号。并且脉冲干扰的产生具有突发性，是一类非平稳信号，干扰的突然出现会突然影响接收机的捕获、跟踪和定位结果，对导航应用造成突然性和不可预知性的影响。
在实际应用环境中，无意或有意的脉冲干扰源大量存在，具体包括民用航空无线电导航DME(Distance Measuring Equipment)信号、军用航空无线电近程导航系统TACAN(Tactical Air Navigation)信号、空中交通避撞系统TCAS(Traffic Collision andAvoidance System)、联合战术信息分发系统JTIDS(Joint Tactical InformationDistribution System)、部分军用或民用雷达信号和广播式自动相关监视系统ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast System)等等。在具有脉冲干扰的特殊应用环境中，通过对脉冲干扰信号的检测和参数确定，可以对接收机信号跟踪提供支持，并发出预警信号，对接收机的导航定位结果提供参考，对导航定位结果提供正确性判别，可以为使用卫星导航接收机的数据提供依据。
中国专利“一种基于最大-最小滤波的脉冲干扰识别与消除方法”，采用对接收机中频AD采样序列取绝对值得到绝对值序列，在绝对值序列中连续取N个采样点并均分为M块区间，每块区间中有L＝N/M个采样点，对每一块区间中的L个采样点求其最大值，得到一个长度为M的最大值序列max，对最大值序列max求其最大值和最小值，分别为max_max和max_min，根据上述数据进行脉冲干扰识别和脉冲干扰削除，该专利授权号为ZL201218008001.2。中国专利“一种抗强脉冲干扰的Turbo译码方法”，采用Turbo编译码码方法，克服了Turbo传统译码方法的不足，尽量简化传统译码方法的基础上，对脉冲干扰进行预处理，减少对Turbo编码中交织器的长度及其随机性能依赖，较大程度地提高了抗脉冲干扰性能，专利授权号为ZL 201418008112.2。中国专利“一种脉冲干扰信号的检测与抑制方法”，提出了脉冲干扰信号的有无进行检测，对存在干扰情况进行干扰抑制，同时提供预警，专利申请号201711467830.5，公布号为CN102346255A。中国专利“BPSK扩频系统抗脉冲干扰方法”，提出了通过脉冲干扰检测的相关峰输出方法，提供BPSK系统抗脉冲干扰的能力，专利公开号CN1063573008。但是上述多项专利均没有从脉冲干扰检测与参数确定的数据处理角度进行考虑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的上述不足，提供一种卫星导航接收机的脉冲干扰检测与参数确定方法，并且为卫星导航接收机提供干扰告警信号，提高了卫星导航接收机在脉冲干扰环境下的可用性。
本发明所采用的技术方案是：一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法，包括步骤如下：
步骤1、将民用导航信号进行集中并划分为两个频段；
步骤2、对导航信号集中的两个频段分别进行模拟滤波处理，得到滤波处理后的两路模拟信号；
步骤3、对经过宽带采样后的模拟导航信号进行数字化处理，并将经过模式转换以后的数字卫星导航信号分送至脉冲干扰处理和参数确定模块；
步骤4、采用功率检波和非相干累加方法，得到便于进行脉冲干扰检测的低采样率数据；
步骤5、通过软件处理步骤4中得到的原始观测数据，进行干扰参数确定，具体包括干扰门限、干扰脉宽和占空比，同时输出干扰告警信号和干扰参数。
步骤1中，民用导航信号的具体划分方式如下：
第一段是以1.2G为中心的导航信号，覆盖1155.99MHz到1288.75MHz，带宽为133MHz，包括B2a、B2b、B3C、B3A、B3I、B3Q、L2C、L5、E5；
第二段是以1.5G为中心的导航信号，覆盖1557.006MH至1605.9375MH，带宽为49MHz，包括B1C、B1A、B1I、L1CA、G G1C/A、G2C/A、E1B/C。
步骤2中，两个滤波器传递函数如下：
Figure BDA0002322561900000041
Figure BDA0002322561900000042
滤波器结构采用LC无源滤波器形式。
步骤3中，在进行两路模拟信号数模转换时，采用宽带采样，采样时钟为500MHz；宽带采样以后的离散信号通过量化处理，将模拟信号量化为14bit的数字信号。
步骤4的具体方法为：
步骤4.1、进行信号功率检波，具体算法的数学表达式如下：
Figure BDA0002322561900000051
其中，f(.)是经过采样量化以后含有噪声和干扰的卫星导航数字信号，Ts是采样周期，n是采样时刻；
步骤4.2、对功率检波以后的信号进行分组，并设定数据分组长度为p个采样数据点，对分组数据进行非相干累加，累加计算q组数据，其计算公式如下：
Figure BDA0002322561900000052
Figure BDA0002322561900000053
...…
Figure BDA0002322561900000054
其中，F(·)是对q组数据中每个对应数据点累加后的采样数据，长度为p；fi(nTs)是存储的第0～(q-1)组数据中第n采样时刻的数据；fm[(n-1)Ts)]是存储第0～(q-1)组中的第n-1采样时刻的数据，依次类推；fk[(n-p)Ts)]是存储的第0～(q-1)组中第n-p+1采样时刻的数据。
步骤5的具体方法为：
步骤5.1、将步骤4.2中非相干累加求和以后的数据F(·)求平均值，得到检测门限，其计算公式如下：
Figure BDA0002322561900000055
其中，F[(n-j)Ts]是第n-j采样时刻经步骤4.2累加得到的检测数据；
步骤5.2、对步骤4.2中求和以后的原始观测数据F(·)设定搜索边界值，确定检测数据F(·)左边界点F[lTs]和右边界点F[rTs]；
步骤5.3、从数据左边界点F[lTs]开始，逐步搜索每个检测数据，搜索点数累加，判别数据F(·)与门限T的关系：
若数据F(·)小于门限T，则确定为不存在脉冲干扰，继续搜索检测数据F(·)；
若数据F(·)大于门限值T，则确定为存在脉冲干扰，记录干扰起始点B，输出干扰存在标志，并将干扰点数累加，继续对原始观测数据F(·)进行检测，确定数据F(·)与门限T关系，在有干扰条件下，若F(·)小于门限值T，则确定为脉冲干扰结束，记录干扰终止点S；
步骤5.4、利用干扰起始点B和终止点S确定脉冲干扰宽度和占空比干扰参数。其中，脉冲干扰宽度为累加的干扰点数，占空比为累加的干扰点数除以累加的搜索点数，完成干扰参数确定，并输出干扰参数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用对导航信号进行频段换分处理方法，提高了所有导航民用信号的处理能力，可以对全球卫星导航所有民用信号进行覆盖，便于统一处理所有导航信号的脉冲干扰检测功能；
(2)本发明采用对两段导航信号的进行了滤波处理，对外部输入其他干扰进行了初步处理，可以对全球卫星导航民用信号的频段外干扰进行滤波，降低了频段外干扰信号对脉冲干扰检测和处理的影响；
(3)本发明采用了宽带采样的模数变换方法，将两段导航信号进行了全部数字化，提高了后续脉冲干扰检测的灵活性和参数化能力；
(4)本发明采用了功率检波和非相干累计提高脉冲干扰检测能力的方法，提高了脉冲干扰信号检测灵敏度，可以对较小的微弱脉冲干扰信号进行检测，同时为脉冲干扰检测门限数值的获取提供了条件，提高了实现干扰参数化的便利性；
(5)本发明采用了软件计算脉冲干扰的脉冲周期和占空比的参数，参数计算灵活，准确度高，便于算法的实现和升级，提高了干扰参数检测的后续升级能力。
附图说明
图1为本发明中卫星导航接收机频段划分与滤波器选择特性图；
图2为本发明中卫星导航接收机两频段滤波器幅频特性图；
图3为本发明中卫星导航接收机脉冲干扰检测与告警实现框图；
图4为本发明中包络检波和非相干累积脉冲干扰检测结果图；
图5为本发明中脉冲干扰检测算法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法，包括步骤如下：
1)对民用导航信号进行集中分析并划分为两个频段
根据表1的所有导航信号频点与调制方式可知，现存的所有卫星导航系统在L频段共占带宽449.95MHz，如图1所示，为了导航接收机后续信号处理部分的便利性，将相邻的导航信号尽量划分在一个频段内，则所有导航信号划分在2个相对集中的频段，具体划分方式如下：
第一段是以1.2G为中心的导航信号，具体覆盖1155.99MHz到1288.75MHz，带宽约133MHz，包括B2a、B2b、B3C、B3A、B3I、B3Q、L2C、L5、E5等多种信号；
第二段是以1.5G为中心的导航信号，具体覆盖1557.006MH至1605.9375MH，带宽约49MHz，具体包括B1C、B1A、B1I、L1CA、G G1C/A、G2C/A、E1B/C等信号；
两个频段的详细频率参数和频段中心频率的具体数据如表2所示。
表2现有卫星导航系统民用导航信号频段划分表
Figure BDA0002322561900000071
Figure BDA0002322561900000081
2)对导航信号集中的两个频段分别进行模拟滤波处理
针对步骤1)中的两个频段，为了将导航信号带外的干扰信号滤除，降低其他频段信号对导航信号和脉冲干扰检测的影响，需要以两个频段的中心频率为滤波器设计中心，并且覆盖需要的整个频段，对带外信号进行滤波处理，实际应用中推荐的两个频段中心频点分别为1222MHz和1581MHz，两个频段的3dB通带宽度分别为133MHz和49MHz，阻带衰减为30dB，其中1.2G频段滤波器过渡带为200MHz，但1.5G频段滤波器过渡带为50MHz。
综合考虑系统性能要求、可实现性和电路设计，详细的2个滤波器传递函数如下：
Figure BDA0002322561900000082
Figure BDA0002322561900000083
在导航接收机中建议按照上述两个滤波器分别进行滤波处理，得到较为纯净的两段卫星导航信号等展开工作，滤波器幅频特性图如图2所示，滤波器结构采用LC无源滤波器形式。
3)模拟导航信号经过宽带采样后进行数字处理
针对步骤2)中经过滤波处理以后的1.2G和1.5G的两路模拟信号，为了后续进行脉冲干扰检测与参数确定的方便性与灵活性，将两路模拟信号进行模数转换。由于1.2G频段的有用导航信号带宽达到了134MHz，并且1.5G频段的导航信号也达到了49MHz，在进行数模转换时需要采用宽带采样技术，本发明中的采样时钟为500MHz，且该采样时钟通过高稳定度时钟源获得，宽带采样以后的离散信号通过量化处理，将模拟信号量化为14bit的数字信号，并且电路设计中采用包含2路AD变换的1片芯片完成电路设计，本发明具体采用了AD9684芯片完成该项功能。
4)采用功率检波和非相干累计技术提高脉冲干扰检测能力
针对步骤3)中经过模式转换以后的数字卫星导航信号，其中含有噪声和干扰等各种附加信号分量。如图3所示，信号被分为2路，1路送卫星导航接收机信号跟踪处理和导航定位结算模块，1路送至脉冲干扰处理和参数确定模块。
脉冲干扰处理和参数确定模块完成信号的功率检波、门限估计和非相干累加，由于实际信号中的存在脉冲干扰时信号功率明显大于无脉冲干扰的情况，为了进行脉冲干扰的检测和参数确定，首先进行信号的采用功率检波，其实质就是对输入信号取绝对值运算，算法的数学表达式如下：
Figure BDA0002322561900000091
其中，f(.)是经过采样量化以后含有噪声和干扰的卫星导航数字信号，Ts是采样周期，n是采样时刻。
单次采样接收到的脉冲干扰信号干噪比较低，为了进一步提高脉冲干扰检测的能力，得到清晰的脉冲包络，需要对功率检波以后的信号进行分组并非相干累加，分组长度取决于实际计算过程中的存储容量，不失一般性，分组长度选取为p个采样数据点，存储完成以后通过数据接口送入程序处理单元，进行数据组中对应点的累加计算.本发明中程序处理部分共累加计算q组数据，其计算公式如下：
Figure BDA0002322561900000101
Figure BDA0002322561900000102
...…
Figure BDA0002322561900000103
其中，F(·)是对q组数据中每个对应数据点累加后的采样数据，长度为p；fi(nTs)是存储的第0～(q-1)组数据中第n采样时刻的数据；fm[(n-1)Ts)]是存储第0～(q-1)组中的第n-1采样时刻的数据，依次类推；fk[(n-p)Ts)]是存储的第0～(q-1)组中第n-p+1采样时刻的数据。本发明中分组长度选取为p取值为16384，分组个数q取值为100。
通过非相干累加与平滑处理，具有脉冲干扰的卫星导航信号累积前后的对比如图4所示，从图中可以看出，经过非相干累加以后，对噪声信号进行了有效抑制，脉冲干扰信号的幅度大幅提高，干扰对噪声的比大大增加，使得脉冲干扰信号的检测与参数确定变得易处理，为干扰检测和参数确定提供了良好的原始数据。
5)采用软件处理完成干扰检测和参数确定
针对步骤4)中得到的良好原始观测数据，通过软件处理进行干扰门限、脉冲干扰脉宽和占空比的计算，同时送出干扰告警信号和干扰参数输出，程序详细计算流程如图5所示。
首先，将步骤4)中得到的良好原始观测数据F(·)取平均值，得到检测门限，其计算公式如下：
Figure BDA0002322561900000104
其中，F[(n-j)Ts]是第n-j采样时刻经步骤4.2)计算得到的检测数据。
其次，对步骤4)中的良好原始观测数据F(·)设定搜索边界值，并从数据左边界开始，逐步搜索并判别数据与门限的关系，若大于门限值，确定为存在脉冲干扰，记录干扰起始点，输出干扰存在标志，并将干扰点数累加，否则确定为不存在脉冲干扰。判定存在干扰后，继续对原始观测数据F(·)进行检测，确定数据F(·)与门限T的关系，若小于门限值T，确定为脉冲干扰结束，记录干扰终止点。
最后，利用干扰起始点和终止点，计算脉冲干扰宽度和占空比参数。脉冲干扰宽度为累加的干扰点数，占空比为累加的干扰点数除以累加的搜索点数，输出干扰参数，完成本轮干扰检测任务。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1、将民用导航信号进行集中并划分为两个频段；
步骤2、对导航信号集中的两个频段分别进行模拟滤波处理，得到滤波处理后的两路模拟信号；
步骤3、对经过宽带采样后的模拟导航信号进行数字化处理，并将经过模式转换以后的数字卫星导航信号分送至脉冲干扰处理和参数确定模块；
步骤4、采用功率检波和非相干累加方法，得到便于进行脉冲干扰检测的低采样率数据；
步骤5、通过软件处理步骤4中得到的原始观测数据，进行干扰参数确定，具体包括干扰门限、干扰脉宽和占空比，同时输出干扰告警信号和干扰参数。
2.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法，其特征在于，步骤1中，民用导航信号的具体划分方式如下：
第一段是以1.2G为中心的导航信号，覆盖1155.99MHz到1288.75MHz，带宽为133MHz，包括B2a、B2b、B3C、B3A、B3I、B3Q、L2C、L5、E5；
第二段是以1.5G为中心的导航信号，覆盖1557.006MH至1605.9375MH，带宽为49MHz，包括B1C、B1A、B1I、L1CA、G G1C/A、G2C/A、E1B/C。
3.根据权利要求1或2所述的一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法，其特征在于，步骤2中，两个滤波器传递函数如下：
Figure FDA0002322561890000011
Figure FDA0002322561890000012
滤波器结构采用LC无源滤波器形式。
4.根据权利要求3所述的一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法，其特征在于，步骤3中，在进行两路模拟信号数模转换时，采用宽带采样，采样时钟为500MHz；宽带采样以后的离散信号通过量化处理，将模拟信号量化为14bit的数字信号。
5.根据权利要求4所述的一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法，其特征在于，步骤4的具体方法为：
步骤4.1、进行信号功率检波，具体算法的数学表达式如下：
Figure FDA0002322561890000021
其中，f(.)是经过采样量化以后含有噪声和干扰的卫星导航数字信号，Ts是采样周期，n是采样时刻；
步骤4.2、对功率检波以后的信号进行分组，并设定数据分组长度为p个采样数据点，对分组数据进行非相干累加，累加计算q组数据，其计算公式如下：
Figure FDA0002322561890000022
Figure FDA0002322561890000023
……
Figure FDA0002322561890000024
其中，F(·)是对q组数据中每个对应数据点累加后的采样数据，长度为p；fi(nTs)是存储的第0～(q-1)组数据中第n采样时刻的数据；fm[(n-1)Ts)]是存储第0～(q-1)组中的第n-1采样时刻的数据，依次类推；fk[(n-p)Ts)]是存储的第0～(q-1)组中第n—p+1采样时刻的数据。
6.根据权利要求5所述的一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法，其特征在于，步骤5的具体方法为：
步骤5.1、将步骤4.2中非相干累加求和以后的数据F(·)求平均值，得到检测门限，其计算公式如下：
Figure FDA0002322561890000025
其中，F[(n—j)Ts]是第n-j采样时刻经步骤4.2累加得到的检测数据；
步骤5.2、对步骤4.2中求和以后的原始观测数据F(·)设定搜索边界值，确定检测数据F(·)左边界点F[lTs]和右边界点F[rTs]；
步骤5.3、从数据左边界点F[lTs]开始，逐步搜索每个检测数据，搜索点数累加，判别数据F(·)与门限T的关系：
若数据F(·)小于门限T，则确定为不存在脉冲干扰，继续搜索检测数据F(·)；
若数据F(·)大于门限值T，则确定为存在脉冲干扰，记录干扰起始点B，输出干扰存在标志，并将干扰点数累加，继续对原始观测数据F(·)进行检测，确定数据F(·)与门限T关系，在有干扰条件下，若F(·)小于门限值T，则确定为脉冲干扰结束，记录干扰终止点S；
步骤5.4、利用干扰起始点B和终止点S确定脉冲干扰宽度和占空比干扰参数，其中，脉冲干扰宽度为累加的干扰点数，占空比为累加的干扰点数除以累加的搜索点数，完成干扰参数确定，并输出干扰参数。
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