北斗導航系統(tǒng)上行注入鏈路窄帶干擾抑制分析*

郭淑霞，劉孟江，董中要，高 穎

(西北工業(yè)大學，西安 710065)

1 引言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展至今，已經(jīng)具備了全球性、可靠性、高精度、連續(xù)性等優(yōu)勢，其應用包括定位導航、授時校頻、精密測量等，在事關(guān)國計民生的重要行業(yè)中，發(fā)揮著不可替代的作用。目前世界上有四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)，分別是美國的 GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO和中國的北斗導航系統(tǒng)。我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)第一期工程(5GEO+4MEO+3IGSO)已于2012年實現(xiàn)了亞太地區(qū)覆蓋，并計劃于2020年實現(xiàn)全球覆蓋。

電子、通信等信息技術(shù)的巨大進步使得北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境也變得越來越復雜，各種電磁設備工作時帶來的電子干擾勢必會對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的正常運行造成極大威脅?？偟膩碚f，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)上行注入鏈路面臨的干擾分為兩類:一是來自復雜的自然空間電磁環(huán)境;二是來自復雜的人為電磁環(huán)境，包括有意干擾和無意干擾。二者共同構(gòu)成了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)面臨的復雜電磁環(huán)境。其中又以人為的有意干擾影響最為嚴重。人為有意干擾根據(jù)干擾類型通常有窄帶干擾(Narrow band interference)和寬帶干擾(Broad band interference)等［1］。各種干擾信號分布于整個時域、頻域和空域，這將會給北斗上行注入鏈路通信帶來極大危害，嚴重時會導致整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)無法正常進行定位、授時等工作。因此為了保證北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的正常運行，有必要進行干擾及干擾抑制技術(shù)的研究。

針對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)上行注入鏈路存在的窄帶干擾進行了研究。北斗上行鏈路采用的信號體制為QPSK直接序列擴頻技術(shù)。擴展頻譜(Spread spectrum)技術(shù)本身具有信號頻譜寬、波形復雜、安全隱蔽等特點，在一定程度上降低了被截獲和干擾的概率，具有一定的抗干擾能力，已經(jīng)成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)中最基本的抗干擾技術(shù)。但是僅僅依靠擴頻技術(shù)還不足以抵抗復雜電磁環(huán)境下的各種干擾，因此有必要在上行注入鏈路中加入其它的干擾抑制技術(shù)，以保障北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的正常運行。目前關(guān)于北斗導航系統(tǒng)窄帶干擾的研究只是針對于下行鏈路的用戶接收機進行的，而沒有針對上行注入鏈路進行研究。在分析北斗上行注入鏈路信道狀況的基礎(chǔ)上，針對窄帶干擾采用了時域處理和變換域處理兩種抑制算法［2］，并進行了MATLAB仿真，對兩種抑制算法進行了基于誤碼率和信噪比的性能比較。

2 上行注入鏈路信道分析

上行注入鏈路信號在地面到衛(wèi)星之間的傳播，主要受到大氣效應的影響。大氣效應對上行注入信號包絡ra和相位φa的影響都符合正態(tài)分布［3］，即

其中，ma、2分別是相位的均值和方差。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)星端接收機的接收信號可以表示為視距分量(LOS component)和多徑分量(Multi－path component)之和。

其中，r為接收信號的幅度，θ為信號的相位;z為LOS分量幅度，Φz為LOS分量相位;s為多徑分量幅度，Φs為多徑分量相位。

對于北斗上行注入鏈路所處信道，可以認為LOS分量沒有被遮擋，zexp(jΦz)為復常數(shù)，其幅度z和相位Φs只與地面注入站和星端接收機之間距離有關(guān)，此時信號的包絡服從萊斯分布，LOS分量與多徑分量功率的比值可通過A2/2b0計算得到。

3 窄帶干擾分析

窄帶干擾是指功率譜集中在某一中心頻率(通常對準干擾對象的工作頻率)附近的一個很小的頻帶內(nèi)，同時頻帶遠遠小于其中心頻率的信號，即頻帶較窄。所以，在相同的干擾功率下，窄帶干擾功率譜密度比較高，對干擾覆蓋帶寬內(nèi)北斗導航系統(tǒng)的上行注入鏈路信號影響也比較大，尤其是窄帶干擾信號的頻率與上行注入信號的頻率相同或者接近時，對上行注入鏈路信號的影響非常大，會導致誤碼率的急劇增高。圖1給出了多個瞄準頻率的窄帶干擾頻譜圖。

窄帶干擾中常見的音頻干擾可用下式表示［4］:

其中Ai為干擾幅度，fi為相對于擴頻信號載波的頻譜，θi為干擾相位，在［0，2π］上均勻分布，相互獨立。

可得窄帶干擾自相關(guān)函數(shù)為:

功率譜密度為:

其平均功率為:

圖1 多個瞄準頻率的窄帶干擾頻域圖

4 干擾抑制算法

北斗上行鏈路擴頻信號體制的抗干擾技術(shù)主要可分為自適應濾波的時域處理技術(shù)(Adaptive filtering time domain processing)和變換域處理技術(shù)(Transform domain processing)兩類［5］。下面主要針對這兩種常用的干擾抑制技術(shù)進行研究和比較。

4.1 時域自適應濾波

由于在北斗上行注入鏈路擴頻信號體制中窄帶干擾的頻率和幅度的隨機性，因此在星端接收機中難以實時地估計窄帶干擾的幅頻特性，然后再對窄帶干擾進行有效抑制，因而需要采用自適應技術(shù)。自適應濾波技術(shù)是通過特定的自適應算法不斷調(diào)整濾波器的抽頭系數(shù)，在時域或者頻域自動跟蹤窄帶干擾的頻幅特性，然后去除接收信號中的窄帶干擾成分，實現(xiàn)對干擾的抑制。

自適應濾波的時域處理技術(shù)［6］主要利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)上行注入信號為寬帶信號，可預測性差，而窄帶干擾信號具有較好的可預測性的特點，先得到一個干擾信號的估計副本，然后在星端接收機的接收信號中減去估計副本，從而對窄帶干擾信號進行抑制，基本實現(xiàn)結(jié)構(gòu)為估計－相減。用于窄帶干擾估計的濾波器可通過延遲線抽頭來實現(xiàn)，干擾估計濾波器根據(jù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不同可以分為線性預測濾波器(Linear predictive filter)和線性插值濾波器(Linear interpolation filter)兩種。線性插值濾波器是在線性預測濾波器基礎(chǔ)上的改進和演化，可以實現(xiàn)更高精度的估計。這是因為它對窄帶干擾的估計不僅利用過去時刻的輸入值，還同時利用將來時刻的輸入值。

當上行注入信號的功率和窄帶干擾相比擬時，由于上行注入信號的存在，會嚴重影響對窄帶干擾的估計。這里研究的是在強窄帶干擾情況下的上行注入信號傳輸，上行注入信號功率要遠遠小于窄帶干擾功率，上行注入信號的存在對窄帶干擾估計的影響較小，因此采用LMS自適應算法可以對窄帶干擾進行有效的抑制，LMS自適應濾波的原理如下圖2所示。

圖2 自適應濾波原理圖

4.2 變換域處理技術(shù)

與時域干擾抑制處理方法相比，變換域干擾抑制技術(shù)［7］可以進行快速的自適應調(diào)整并可以同時抑制多個干擾。并且對于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)上行注入鏈路來說，干擾環(huán)境復雜多變，且干擾的統(tǒng)計特性也難以準確預測，因而適合采用變換域干擾抑制技術(shù)。干擾抑制原理如圖3所示。變換域處理技術(shù)主要利用上行鏈路注入信號、窄帶干擾不同的頻域特征來去除窄帶干擾信號，上行注入信號和白噪聲的頻譜相對比較平坦，而窄帶干擾信號的頻譜往往表現(xiàn)為很高很窄的沖激，從而可以在變換域識別存在的窄帶干擾的頻譜，并可以通過相應的處理(比如同過設定相應的門限)來去除窄帶干擾。變換域的干擾抑制根據(jù)域變換方法的不同，有離散傅里葉變換(Discrete Fourier transform，DFFT)、離散余弦變換(Discrete cosine transform，DCT)、小 波 包 變 換(Wavelet packet transform，WPT)等多種方法，在文中采用基于離散傅里葉變換的干擾抑制技術(shù)。

圖3 變換域干擾抑制算法原理框圖

圖3中干擾處理與干擾檢測是變換域窄帶干擾 抑制的基礎(chǔ)。干擾處理主要是在對有用信號影響極小情況下，實現(xiàn)對窄帶干擾信號的抑制，通常采用陷波器(Notch)實現(xiàn)。這里陷波器采用無限沖擊響應(Infinite impulse response，IIR)數(shù)字濾波器實現(xiàn)，其常系數(shù)線性差分方程［8］為:

x(n)為輸入信號序列，y(n)為輸出信號序列，ai和 bi為常系數(shù)，K，J為階數(shù)。

對上式兩邊進行z變換，可以得到數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為:

上式中:pi和zi分別為傳遞函數(shù)的極點和零點，濾波器的性能可由傳遞函數(shù)的零、極點確定。因此可以通過合理設計零點和極點來設計帶陷數(shù)字濾波器［9］。

5 仿真分析

最后在高斯信道下，載波頻率1340MHz，碼速率10.23Mcps，信號帶寬 24MHz，10階 m 序列擴頻的條件下進行了誤碼率對信噪比的MATLAB仿真，仿真結(jié)果如圖4－圖6所示。

由圖4可以看出，在加入了窄帶干擾之后，誤碼

圖4 窄帶干擾前后誤碼率變化曲線

圖5 時域干擾抑制前后誤碼率曲線

6 結(jié) 束 語

在分析了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)上行注入鏈路窄帶干擾的基礎(chǔ)上了，對干擾進行了建模和分析，針對窄帶干擾提出了時域自適應濾波干擾抑制和變換域干擾算法，并通過MATLAB進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明，這兩種抑制算法都能有效的對窄帶干擾進率變的非常大，已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)正常工作的需求。

由圖5－圖6可以看出，在相同信噪比的情況下，干擾抑制后，信號的誤碼率明顯低于干擾抑制前的誤碼率，達到了很好的干擾抑制效果，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。并且通過進一步對比可以看出，時域干擾抑制后的誤碼率曲線略低于變換域處理后的誤碼率曲線，約有1.6dB的誤碼率提高，也就是說在北斗上行注入鏈路的條件下，時域干擾處理技術(shù)的性能略優(yōu)于變換域處理技術(shù)。行抑制，并且在上行注入鏈路條件下，時域的自適應濾波技術(shù)的干擾抑制性能優(yōu)于變換域抑制技術(shù)。研究成果將有助于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)上行注入鏈路的抗干擾工程實踐，在提高系統(tǒng)的魯棒性和安全性能上具有一定的指導和借鑒意義。

圖6 變換域干擾抑制前后誤碼率曲線

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