基于小波變換的GPS微弱信號捕獲組合算法

袁超　康國華　夏青　鄭峰嬰　華冰

摘 要： 針對戰(zhàn)場環(huán)境下GPS信號易受到敵方壓制式干擾而產(chǎn)生嚴重衰減，提出了一種相干積分、非相干積分和小波降噪相結(jié)合的組合算法。該算法先通過相干積分和非相干積分結(jié)合的方法提高整體信號強度，避免導(dǎo)航數(shù)據(jù)位可能發(fā)生跳變的特性，然后采用小波降噪技術(shù)，克服信號與噪聲的頻帶相互重疊時， 濾波效果變差的問題，實現(xiàn)對弱信號的捕獲。仿真結(jié)果表明，采用20 ms的相干積分時間、5次非相干積分和小波降噪，可以接收比傳統(tǒng)方法低5 dB信噪比的微弱GPS信號。這種方法容易實現(xiàn)，預(yù)測可靠，具有實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 壓制式干擾； 弱信號； 相干積分； 非相干積分； 小波去噪

中圖分類號： TN97?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0008?04

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭，電子戰(zhàn)已成為常態(tài)。電子信號的壓制、干擾和欺騙成為電子戰(zhàn)的基本手段，在這一嚴酷的電子環(huán)境下，GPS微弱信號的定位問題就顯得十分突出。通常這些信號會受到外界遮擋和干擾而產(chǎn)生嚴重衰減，信號功率比正常情況下的信號要低20 dB左右[1?2]。研究GPS微弱信號捕獲技術(shù)，對發(fā)展我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代化信息戰(zhàn)的需要有著非常重要的借鑒意義。

本文以強干擾淹沒GPS信號的壓制式干擾為背景，以快速傅里葉變換為基礎(chǔ)，采用相干積分、非相干積分與小波降噪相結(jié)合的方法，提高GPS接收機對弱信號捕獲的靈敏度，以提高GPS接收機戰(zhàn)場適應(yīng)性。

1 GPS壓制式干擾

壓制式干擾使用噪聲或類似噪聲的干擾信號遮擋或淹沒有用信號，旨在使GPS接收機受到擾亂，不能有效檢測信號。為了使干擾有效，干擾機產(chǎn)生的干擾信號J必須具有遮擋有用信號S的（功率）強度（即干信比必須足夠高），使GPS接收機的信噪比大大降低，難以檢測出有用信號。

壓制式干擾按照干擾信號中心頻率[fj、]干擾帶寬[ΔFj，]相對于被干擾電子設(shè)備的中心頻率[fs、]帶寬[ΔFs]的關(guān)系可以分為3種，見表1。

2 壓制式干擾對微弱信號捕獲的影響

對于微弱信號的捕獲，輸入信號的信噪比是首先需要考慮的因素。本文中所涉及的特殊環(huán)境下的微弱信號由于受到壓制式干擾的影響，信號功率往往比正常功率低20 dB左右，因此必須提高信噪比，使信號功率在大于噪聲功率的情況下獲得良好的檢測概率和虛警概率。

由圖6，圖7可以看出，即使當信號信噪比低至-24 dB時，通過新算法依舊可以捕獲到有用信號，并在一定程度上消除了噪聲信號，提高了微弱信號捕獲的靈敏度。

5 結(jié) 論

本文針對微弱信號情況下，無法通過無限增長相干積分時間來捕獲有用GPS信號的問題，提出了采用相干積分、非相干積分和小波去噪相結(jié)合的新捕獲算法。相比傳統(tǒng)捕獲算法，該算法克服了導(dǎo)航電文可能發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)的特性，并實現(xiàn)了對更低信噪比下的GPS信號捕獲。仿真實驗表明該方法能有效提高了捕獲的靈敏度，具有一定的現(xiàn)實意義和實用價值。

參考文獻

[1] BICKERSTAFF J， FRAYLING R， HADDRELL T. Capture analysis and mitigation of multipath in a high sensitivity GPS receiver [C]// Proceedings of ION GNSS 2006. Fort Worth， TX： GNSS， 2006： 1696?1705.

[2] ZHANG Jing， MAO Xu?chu. The algorithm for GPS weak signal tracking using unscented Kalman filter [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2007， 41（11）： 1834?1838.

[3] 謝鋼.GPS原理與接收機技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] KAPLAN E D. Understanding GPS principle and applications [M]. 2nd ed. Boston： Artech House， 2006.

[5] WU Ling?juan， LU Wei?jun. YU Dun?shan. Research of weak signal acquisition algorithms for high sensitivity GPS [C]// Proceeding of 2009 Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronics and Electronics. Shanghai， China： PrimeAsia， 2009： 173?176.

[6] ZIEDAN N I. GNSS Receiver for weak signal [M]. Boston： Artech House， 2006.

[7] 鄭奎.微弱GPS信號的跟蹤方法研究[D].北京：中國科學(xué)院國家授時中心，2012.

[8] 雷娜娜.微弱GPS信號捕獲算法的研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

[9] 胡叢瑋，李曉玲，安雷.一種改進的GPS微弱信號捕獲方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2008，33（8）：821?823.

[10] 倪林.小波變換與圖像處理[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2010.

[11] 孫延奎.小波變換與圖像、圖形處理技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[12] 梁前浩.GPS中頻信號仿真與微弱信號捕獲、跟蹤方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[13] 劉楊，金天.小波降噪在微弱GPS信號捕獲中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011（4）：842?846.

[14] 魏聯(lián)兵，樓立志.小波去噪的GPS算法在減少多路徑效應(yīng)方面的應(yīng)用研究[J].地礦測繪，2009（4）：15?17.

[15] 姜冰心，張中兆，孟維曉.弱信號下軟件GPS接收機全比特捕獲算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008（9）：99?102.

[16] 蔡鐵，朱杰.小波閾值降噪算法中最優(yōu)分解層數(shù)的自適應(yīng)選擇[J].控制與決策，2006（2）：217?220.

摘 要： 針對戰(zhàn)場環(huán)境下GPS信號易受到敵方壓制式干擾而產(chǎn)生嚴重衰減，提出了一種相干積分、非相干積分和小波降噪相結(jié)合的組合算法。該算法先通過相干積分和非相干積分結(jié)合的方法提高整體信號強度，避免導(dǎo)航數(shù)據(jù)位可能發(fā)生跳變的特性，然后采用小波降噪技術(shù)，克服信號與噪聲的頻帶相互重疊時， 濾波效果變差的問題，實現(xiàn)對弱信號的捕獲。仿真結(jié)果表明，采用20 ms的相干積分時間、5次非相干積分和小波降噪，可以接收比傳統(tǒng)方法低5 dB信噪比的微弱GPS信號。這種方法容易實現(xiàn)，預(yù)測可靠，具有實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 壓制式干擾； 弱信號； 相干積分； 非相干積分； 小波去噪

中圖分類號： TN97?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0008?04

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭，電子戰(zhàn)已成為常態(tài)。電子信號的壓制、干擾和欺騙成為電子戰(zhàn)的基本手段，在這一嚴酷的電子環(huán)境下，GPS微弱信號的定位問題就顯得十分突出。通常這些信號會受到外界遮擋和干擾而產(chǎn)生嚴重衰減，信號功率比正常情況下的信號要低20 dB左右[1?2]。研究GPS微弱信號捕獲技術(shù)，對發(fā)展我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代化信息戰(zhàn)的需要有著非常重要的借鑒意義。

本文以強干擾淹沒GPS信號的壓制式干擾為背景，以快速傅里葉變換為基礎(chǔ)，采用相干積分、非相干積分與小波降噪相結(jié)合的方法，提高GPS接收機對弱信號捕獲的靈敏度，以提高GPS接收機戰(zhàn)場適應(yīng)性。

1 GPS壓制式干擾

壓制式干擾使用噪聲或類似噪聲的干擾信號遮擋或淹沒有用信號，旨在使GPS接收機受到擾亂，不能有效檢測信號。為了使干擾有效，干擾機產(chǎn)生的干擾信號J必須具有遮擋有用信號S的（功率）強度（即干信比必須足夠高），使GPS接收機的信噪比大大降低，難以檢測出有用信號。

壓制式干擾按照干擾信號中心頻率[fj、]干擾帶寬[ΔFj，]相對于被干擾電子設(shè)備的中心頻率[fs、]帶寬[ΔFs]的關(guān)系可以分為3種，見表1。

2 壓制式干擾對微弱信號捕獲的影響

對于微弱信號的捕獲，輸入信號的信噪比是首先需要考慮的因素。本文中所涉及的特殊環(huán)境下的微弱信號由于受到壓制式干擾的影響，信號功率往往比正常功率低20 dB左右，因此必須提高信噪比，使信號功率在大于噪聲功率的情況下獲得良好的檢測概率和虛警概率。

由圖6，圖7可以看出，即使當信號信噪比低至-24 dB時，通過新算法依舊可以捕獲到有用信號，并在一定程度上消除了噪聲信號，提高了微弱信號捕獲的靈敏度。

5 結(jié) 論

本文針對微弱信號情況下，無法通過無限增長相干積分時間來捕獲有用GPS信號的問題，提出了采用相干積分、非相干積分和小波去噪相結(jié)合的新捕獲算法。相比傳統(tǒng)捕獲算法，該算法克服了導(dǎo)航電文可能發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)的特性，并實現(xiàn)了對更低信噪比下的GPS信號捕獲。仿真實驗表明該方法能有效提高了捕獲的靈敏度，具有一定的現(xiàn)實意義和實用價值。

參考文獻

[1] BICKERSTAFF J， FRAYLING R， HADDRELL T. Capture analysis and mitigation of multipath in a high sensitivity GPS receiver [C]// Proceedings of ION GNSS 2006. Fort Worth， TX： GNSS， 2006： 1696?1705.

[2] ZHANG Jing， MAO Xu?chu. The algorithm for GPS weak signal tracking using unscented Kalman filter [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2007， 41（11）： 1834?1838.

[3] 謝鋼.GPS原理與接收機技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] KAPLAN E D. Understanding GPS principle and applications [M]. 2nd ed. Boston： Artech House， 2006.

[5] WU Ling?juan， LU Wei?jun. YU Dun?shan. Research of weak signal acquisition algorithms for high sensitivity GPS [C]// Proceeding of 2009 Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronics and Electronics. Shanghai， China： PrimeAsia， 2009： 173?176.

[6] ZIEDAN N I. GNSS Receiver for weak signal [M]. Boston： Artech House， 2006.

[7] 鄭奎.微弱GPS信號的跟蹤方法研究[D].北京：中國科學(xué)院國家授時中心，2012.

[8] 雷娜娜.微弱GPS信號捕獲算法的研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

[9] 胡叢瑋，李曉玲，安雷.一種改進的GPS微弱信號捕獲方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2008，33（8）：821?823.

[10] 倪林.小波變換與圖像處理[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2010.

[11] 孫延奎.小波變換與圖像、圖形處理技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[12] 梁前浩.GPS中頻信號仿真與微弱信號捕獲、跟蹤方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[13] 劉楊，金天.小波降噪在微弱GPS信號捕獲中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011（4）：842?846.

[14] 魏聯(lián)兵，樓立志.小波去噪的GPS算法在減少多路徑效應(yīng)方面的應(yīng)用研究[J].地礦測繪，2009（4）：15?17.

[15] 姜冰心，張中兆，孟維曉.弱信號下軟件GPS接收機全比特捕獲算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008（9）：99?102.

[16] 蔡鐵，朱杰.小波閾值降噪算法中最優(yōu)分解層數(shù)的自適應(yīng)選擇[J].控制與決策，2006（2）：217?220.

摘 要： 針對戰(zhàn)場環(huán)境下GPS信號易受到敵方壓制式干擾而產(chǎn)生嚴重衰減，提出了一種相干積分、非相干積分和小波降噪相結(jié)合的組合算法。該算法先通過相干積分和非相干積分結(jié)合的方法提高整體信號強度，避免導(dǎo)航數(shù)據(jù)位可能發(fā)生跳變的特性，然后采用小波降噪技術(shù)，克服信號與噪聲的頻帶相互重疊時， 濾波效果變差的問題，實現(xiàn)對弱信號的捕獲。仿真結(jié)果表明，采用20 ms的相干積分時間、5次非相干積分和小波降噪，可以接收比傳統(tǒng)方法低5 dB信噪比的微弱GPS信號。這種方法容易實現(xiàn)，預(yù)測可靠，具有實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 壓制式干擾； 弱信號； 相干積分； 非相干積分； 小波去噪

中圖分類號： TN97?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0008?04

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭，電子戰(zhàn)已成為常態(tài)。電子信號的壓制、干擾和欺騙成為電子戰(zhàn)的基本手段，在這一嚴酷的電子環(huán)境下，GPS微弱信號的定位問題就顯得十分突出。通常這些信號會受到外界遮擋和干擾而產(chǎn)生嚴重衰減，信號功率比正常情況下的信號要低20 dB左右[1?2]。研究GPS微弱信號捕獲技術(shù)，對發(fā)展我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代化信息戰(zhàn)的需要有著非常重要的借鑒意義。

本文以強干擾淹沒GPS信號的壓制式干擾為背景，以快速傅里葉變換為基礎(chǔ)，采用相干積分、非相干積分與小波降噪相結(jié)合的方法，提高GPS接收機對弱信號捕獲的靈敏度，以提高GPS接收機戰(zhàn)場適應(yīng)性。

1 GPS壓制式干擾

壓制式干擾使用噪聲或類似噪聲的干擾信號遮擋或淹沒有用信號，旨在使GPS接收機受到擾亂，不能有效檢測信號。為了使干擾有效，干擾機產(chǎn)生的干擾信號J必須具有遮擋有用信號S的（功率）強度（即干信比必須足夠高），使GPS接收機的信噪比大大降低，難以檢測出有用信號。

壓制式干擾按照干擾信號中心頻率[fj、]干擾帶寬[ΔFj，]相對于被干擾電子設(shè)備的中心頻率[fs、]帶寬[ΔFs]的關(guān)系可以分為3種，見表1。

2 壓制式干擾對微弱信號捕獲的影響

對于微弱信號的捕獲，輸入信號的信噪比是首先需要考慮的因素。本文中所涉及的特殊環(huán)境下的微弱信號由于受到壓制式干擾的影響，信號功率往往比正常功率低20 dB左右，因此必須提高信噪比，使信號功率在大于噪聲功率的情況下獲得良好的檢測概率和虛警概率。

由圖6，圖7可以看出，即使當信號信噪比低至-24 dB時，通過新算法依舊可以捕獲到有用信號，并在一定程度上消除了噪聲信號，提高了微弱信號捕獲的靈敏度。

5 結(jié) 論

本文針對微弱信號情況下，無法通過無限增長相干積分時間來捕獲有用GPS信號的問題，提出了采用相干積分、非相干積分和小波去噪相結(jié)合的新捕獲算法。相比傳統(tǒng)捕獲算法，該算法克服了導(dǎo)航電文可能發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)的特性，并實現(xiàn)了對更低信噪比下的GPS信號捕獲。仿真實驗表明該方法能有效提高了捕獲的靈敏度，具有一定的現(xiàn)實意義和實用價值。

參考文獻

[1] BICKERSTAFF J， FRAYLING R， HADDRELL T. Capture analysis and mitigation of multipath in a high sensitivity GPS receiver [C]// Proceedings of ION GNSS 2006. Fort Worth， TX： GNSS， 2006： 1696?1705.

[2] ZHANG Jing， MAO Xu?chu. The algorithm for GPS weak signal tracking using unscented Kalman filter [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2007， 41（11）： 1834?1838.

[3] 謝鋼.GPS原理與接收機技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] KAPLAN E D. Understanding GPS principle and applications [M]. 2nd ed. Boston： Artech House， 2006.

[5] WU Ling?juan， LU Wei?jun. YU Dun?shan. Research of weak signal acquisition algorithms for high sensitivity GPS [C]// Proceeding of 2009 Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronics and Electronics. Shanghai， China： PrimeAsia， 2009： 173?176.

[6] ZIEDAN N I. GNSS Receiver for weak signal [M]. Boston： Artech House， 2006.

[7] 鄭奎.微弱GPS信號的跟蹤方法研究[D].北京：中國科學(xué)院國家授時中心，2012.

[8] 雷娜娜.微弱GPS信號捕獲算法的研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

[9] 胡叢瑋，李曉玲，安雷.一種改進的GPS微弱信號捕獲方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2008，33（8）：821?823.

[10] 倪林.小波變換與圖像處理[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2010.

[11] 孫延奎.小波變換與圖像、圖形處理技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[12] 梁前浩.GPS中頻信號仿真與微弱信號捕獲、跟蹤方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[13] 劉楊，金天.小波降噪在微弱GPS信號捕獲中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011（4）：842?846.

[14] 魏聯(lián)兵，樓立志.小波去噪的GPS算法在減少多路徑效應(yīng)方面的應(yīng)用研究[J].地礦測繪，2009（4）：15?17.

[15] 姜冰心，張中兆，孟維曉.弱信號下軟件GPS接收機全比特捕獲算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008（9）：99?102.

[16] 蔡鐵，朱杰.小波閾值降噪算法中最優(yōu)分解層數(shù)的自適應(yīng)選擇[J].控制與決策，2006（2）：217?220.