CN112051550B - 一种用于gps信号的外辐射源直达波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于GPS外辐射源系统的直达波干扰抑制方法，属于信号处理领域。在获得直达波信号的捕获跟踪参数之后，首先根据GPS信号的特征构建初始GPS信号模型，在完成载波相位同步和码相位同步之后，选取时长为100ms的主通道信号，并构建100ms的初始GPS直达波信号，对两者进行预处理后，两者相除得到幅度相位比例差，最后重构出完整的主通道直达波干扰信号，完成对主通道内直达波的抑制消除。本发明抑制了主通道内的直达波信号，信号功率较小的目标回波信号信杂比得以提升，不会被淹没在其他干扰信号之中，为后续目标检测打下基础。

Description

一种用于GPS信号的外辐射源直达波抑制方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，涉及一种外辐射源直达波抑制处理方法，具体涉及一种基于GPS信号的外辐射源直达波抑制处理方法。

背景技术

外辐射源雷达，也称作无源雷达，是一种不主动发射电磁波信号，而接收已有的第三方非合作辐射源的回波来工作的雷达系统。这种雷达系统利用广播、电视、卫星等民用机会照射源，根据对导弹、飞机等目标的反射信号进行微弱目标相干检测、传输等信号处理，估计目标反射信号的到达方向、多普勒频移以及反射信号与直接信号的时间延迟等参数，并以此来识别跟踪目标。相对于有源雷达收发同站的局限性，无源雷达系统具有接收机隐蔽性好、抗隐身能力强、系统成本低、可用信号源种类丰富等一系列优点。

以GPS信号为外辐射源的无源雷达在继承上述优点的基础上，又具有其独特的优势，主要表现为：1)GPS卫星系统数量众多，可实现近地空间全天候全覆盖，有利于选择合适的单个或多个卫星作为信号源；2)信号传输路径大部分位于自由空间，受地面杂波等影响小；3)由于GPS信号本身具有一定的信息传递功能，便于解决双基地雷达系统中的同步问题。

无源雷达系统主要有两个通道：一个是主通道，接收目标回波信号；另一个则是辅助通道接收参考信号，即直达波通道。而GPS卫星作为连续波雷达，它的信号是以连续的方式而非脉冲方式输出的。那么在接收机接收目标回波的同时，还会接收到直达波信号。一般来说，直达波信号的功率较强，而目标回波的强度会远远弱于直达波信号，这样就会对目标的检测造成干扰，即直达波通道干扰(Direct Path Interference)。因此，如何抑制目标回波通道内的直达波，提高目标回波信号的信噪比，使得无源雷达在目标探测中发挥出更大的作用，也是无源雷达研究的热点之一。

发明内容

针对上述问题，本发明根据GPS信号的特征，提出一种用于外辐射源雷达的直达波抑制方法，主要侧重于以GPS作为信号源的无源雷达系统，解决了外辐射源雷达中的直达波干扰问题，能够完成对主通道内直达波的抑制消除，提升待检测目标信号信杂比，为后续信号处理打下基础。

本发明一种用于GPS信号的外辐射源直达波抑制方法，具体步骤如下：

步骤一：读入辅助通道内GPS信号的捕获跟踪参数以及发射机与接收机参数。

步骤二：直达波初始信号构建。

a、构建GPS信号。

b、GPS信号调制，得到初始信号，并播发出去。

步骤三：C/A码相位同步。

步骤四：载波相位同步。

步骤五：直达波幅度估计。

1)、截取一段实际测量的主通道信号，进行中频解调、C/A码解调(距离压缩)、距离徙动矫正和数据码解调。

2)、构建相同时长的直达波信号，进行中频解调、C/A码解调(距离压缩)、距离徙动矫正和数据码解调。

3)、将构建的直达波信号与实际测量的主通道信号，取二者的中心列相除并计算平均值，即为两者的幅度相位比例差。

步骤六：根据前述步骤一～四方法，以及需要处理的主通道信号时长，构建同等时长的直达波信号，并乘以步骤五中得到的幅度相位比例差后，与主通道信号相减消除，完成直达波抑制消除。

本发明的优点在于：

1、效率高。本发明针对GPS信号结构进行重构，无需对整个辅助通道信号进行预处理，大大减少待处理信号的数据量，提高处理效率。

2、适用范围广。对于有多个卫星直达波信号干扰的场景，本发明可以一一重构每个卫星的直达波信号并消除主通道内的干扰信号，实现干扰抑制。本发明不仅适用于单个卫星系统，也适用于多星系统。

附图说明

图1是本发明基于信号重构的GPS直达波干扰抑制方法流程图。

图2是主通道信号的预处理过程。

图3是主通道信号抑制前的时域处理结果。

图4是主通道信号抑制后的时域处理结果。

图5是主通道信号抑制前的频域处理结果。

图6是主通道信号抑制后的频域处理结果。

图7是矩阵中心列(直达波位置)抑制前信号功率曲线。

图8是矩阵中心列(直达波位置)抑制后信号功率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明用于GPS信号的外辐射源直达波抑制方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一：读入辅助通道内GPS信号的捕获跟踪参数以及发射机与接收机参数。

辅助通道内GPS信号的捕获跟踪参数包括捕获到的卫星序号PRN、跟踪得到的信号载波频率f_carr和初始码相位

通过BPSK解调和扩频解调得到的数据码D。

发射机与接收机参数包括卫星发射信号载波L₁、频率f₁、接收机本地振荡器频率f_IF、接收机采样率f_s。

步骤二：直达波初始信号构建。

a、构建GPS信号。

GPS信号从结构上分为三个层次：信号载波、C/A码和数据码。其中，信号载波和数据码通过捕获跟踪得到的参数可以读取，C/A码需要根据所选卫星的序号生成其独有的C/A码。如：选取PRN为30的卫星，通过两个10级反馈移位寄存器组合产生该卫星特有的C/A码C。

b、GPS信号调制。

首先，对数据码与C/A码进行扩频调制，得到调制码；

其次，将调制码与正弦载波信号进行BPSK调制，得到初始信号：

其中，C(t_trans)为t_trans时刻的C/A码；D(t_trans)为t_trans时刻数据码；

为t_trans时刻的载波相位；t_trans为GPS卫星发射时间，卫星发射时间与接收机接收时间存在一定的时间延迟τ；j在MATLAB中等价于虚数单位。

最后，将初始信号播发出去。

步骤三：C/A码相位同步；

码相位差不仅包括接收信号首位码片位置差，还包括由于GPS卫星与接收机之间的相对运动，引起的时间延迟，导致每时刻码相位差。具体方法如下：

A、：C/A码1ms为一个周期，接收到的信号首位码片并不一定是C/A码的第一个码片，因此需要根据初始C/A码相位

进行调整，具体操作为:对产生的C/A码进行

的数据平移即可。

B、：由于GPS卫星与接收机之间存在相对运动，会产生距离徙动现象。通过计算距离徙动RCM可以得到所需的时间延迟τ。也就是说，考虑时间延迟τ之后，接收机接收到的信号为：

其中，t为接收机接收时间；t与GPS卫星发射时间t_trans的关系为：

t＝t_trans-τ

计算由于卫星和接收机相对运动引起的多普勒中心频率f_d和多普勒调频率f_r：

f_d＝[f_carr(t)-f_IF]|_t＝0

其中，f_IF为接收机的本地振荡器频率。

根据公式计算距离徙动RCM(t)：

其中，f_d和f_r为因卫星和接收机相对运动引起的多普勒中心频率和多普勒调频率，λ为GPS卫星发射信号的载波L₁波长。

计算时间延迟τ(t)：

其中，RCM(t)为距离徙动，c为光速。

步骤四：载波相位同步；

根据频率与相位的关系，计算实时载波相位

其中，t为接收机接收时间；f_cen为为接收机接收信号所用时间的中心时刻载波频率。

步骤五：直达波幅度估计

完成步骤一至四后，得到一段重构的直达波信号，与主通道内干扰的直达波主要存在幅度和相位两方面的差别，即：

其中，s(t)为最终需要获得的直达波信号，幅度A和相位θ即为所求。

1)通道信号预处理；

为完成幅度与相位估计，需要先截取一小段实际测量的主通道信号，对其进行一系列的预处理，包括：中频解调、C/A码解调(距离压缩)、距离徙动矫正和数据码解调这五个步骤，如图3所示。

在本实施例中，截取100ms实际测量的主通道信号s_r(t)，进行以下预处理：

首先是中频解调，得到的解调信号s_IF(t)为：

s_IF(t)＝s_r(t)exp(-j2πf_cent_fs)

其中，t_fs是以0时刻为中心、长度为100ms、采样率为f_s的采样时间点。

其次是C/A码解调，也就是距离压缩。将信号s_IF(t)以1ms为一行的标准变换为二维信号，并在其距离向(也就是横向)进行FFT傅里叶变换到频域。将步骤a中得到的C/A码同样进行FFT傅里叶变换到频域，并把两个频域信号相乘，然后把得到的信号通过IFFT傅里叶反变换到时域，得到的时域信号s_c(t)为

s_c(t)＝IFFT{FFT{s_IF(t)}×FFT{C(t)}}

接着是距离徙动矫正。将信号s_c(t)变换到频域乘上距离徙动的补偿函数，得到经过距离徙动矫正之后的信号s_rcmc(t)为：

其中，f_range为距离向频率系数。

最后是数据码解调，解调之后的信号s_D(t)为：

s_D(t)＝s_rcmc(t)×D(t)

2)根据前述步骤一～四方法构建相同时长100ms的直达波信号，进行步骤501中的预处理。

3)由于直达波经过距离压缩之后聚焦于信号矩阵的中心列，那么重构的直达波信号与实际测量的主通道信号，取二者的中心列相除并计算平均值，即为两者的幅度相位比例差。

步骤六：根据前述步骤一～四方法，以及需要处理的主通道信号时长，构建同等时长的直达波信号，并乘以步骤五中得到的幅度相位比例差后，与主通道信号相减消除，完成直达波抑制消除。

本实施例的直达波抑制对比结果如图3～图6所示，图3和图4是对消前后的时域结果，图5和图6是对消前后的频域结果。从时域来看，图4中经过距离压缩后位于矩阵中心列的直达波信号，在图4中被消除；从频域来看，如图5和图6所示，位于频域中心的直达波干扰信号得到抑制。令抑制比D为：

其中，P₁为未经过抑制的直达波信号功率强度，而P₂为经过抑制后的直达波信号功率强度。在本实施例中，通过计算可得抑制比D为34.1dB，具体结果如图6、图7所示。

通过本发明方法抑制了主通道内的直达波信号，信号功率较小的目标回波信号信杂比得以提升，不会被淹没在其他干扰信号之中，为后续目标检测打下基础。

Claims (1)

1.一种用于GPS信号的外辐射源直达波抑制方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：读入辅助通道内GPS信号的捕获跟踪参数以及发射机与接收机参数；

步骤二：直达波初始信号构建；

a、构建GPS信号；

b、GPS信号调制，得到初始信号，并播发出去；GPS信号调制方法为：对数据码与C/A码进行扩频调制，得到调制码，再将调制码与正弦载波信号进行BPSK调制；

步骤三：C/A码相位同步；

C/A码相位同步过程为：

a、根据初始C/A码相位

进行调整，对产生的C/A码进行

的数据平移；

b、通过计算距离徙动RCM得到接收机接收信号过程中的时间延迟τ，则接收机接收到的信号为：

其中，C(t)为t时刻的接收码；D(t)为通过BPSK解调和扩频解调得到的数据码；t为接收机接收时间；t与GPS卫星发射时间t_trans的关系为：

t＝t_trans-τ；

上述时间延迟τ的计算方法为：

计算由于卫星和接收机相对运动引起的多普勒中心频率f_d和多普勒调频率f_r：

f_d＝[f_carr(t)-f_IF]|_t＝0

其中，f_IF为接收机的本地振荡器频率；f_carr(t)为t时刻的信号载波频率；

计算距离徙动RCM(t)：

其中，λ为GPS卫星发射信号的载波L₁波长；

计算时间延迟τ(t)：

其中，c为光速；

步骤四：载波相位同步；

载波相位同步方法为：

根据频率与相位的关系，计算实时载波相位

其中，f_carr(t)为t时刻的信号载波频率；t为接收机接收时间；f_cen为接收机接收信号所用时间的中心时刻载波频率；

步骤五：直达波幅度估计；

1)、截取一段实际测量的主通道信号，进行中频解调、C/A码解调、距离徙动矫正和数据码解调；

2)、构建相同时长的直达波信号，进行中频解调、C/A码解调、距离徙动矫正和数据码解调；

3)、将构建的直达波信号与实际测量的主通道信号，取二者的中心列相除并计算平均值，即为两者的幅度相位比例差；

步骤六：根据前述步骤一～四方法，以及需要处理的主通道信号时长，构建同等时长的直达波信号，并乘以步骤五中得到的幅度相位比例差后，与主通道信号相减消除，完成直达波抑制消除。

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