專利名稱：一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種可增強導(dǎo)航衛(wèi)星接收機數(shù)據(jù)可用性的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法。
背景技術(shù)：
未來民用航空的主要導(dǎo)航設(shè)施是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS，Global Navigation Satellite System)，其中GPS系統(tǒng)是GNSS系統(tǒng)的重要組成部分。GPS系統(tǒng)正在不斷加快現(xiàn)代化進程，其中一個重要組成部分就是L5信號的設(shè)置。L5信號是專為民用導(dǎo)航而設(shè)置的， 占用專用頻段。L5信號相對于Li、L2信號具有更高的接收能量，更高的定位精度，更強的抗干擾能力，而且更易于實現(xiàn)，其同我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一起將構(gòu)成未來GNSS的重要組成部分。但由于L5信號所在中心頻率為1176. 54MHz的頻段已經(jīng)有許多系統(tǒng)在工作，因此 GPS L5接收機面臨復(fù)雜的電磁環(huán)境。在L5信號所在頻段附近工作的主要現(xiàn)存系統(tǒng)有航空無線電系統(tǒng)和各種雷達(dá)系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，DME (Distance Measurement Equipment測距儀)設(shè)備是影響GPS L5信號的主要因素。DME設(shè)備的脈沖干擾會降低GPS信號的信噪比， 使接收機跟蹤環(huán)不能收斂，造成解碼過程困難。目前美國有約1000部DME地面臺，截至2009 年6月，我國DME地面臺有337套，主要分布在東南部地區(qū)。DME設(shè)備除對GPS L5信號造成干擾外，也會對與L5共用中心頻率的北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)的Bh信號造成干擾。國內(nèi)外研究者針對DME干擾問題已進行了研究，并且開發(fā)了各種抗干擾技術(shù)，其中時域脈沖消隱方法是最常用的方法。這種方法是在時域?qū)⒊^預(yù)定門限的脈沖干擾信號直接置零，以達(dá)到消除脈沖干擾的目的。也有研究人員利用時域脈沖干擾消除技術(shù)抑制DME 干擾，并在GPS L5硬件接收機上進行了實驗驗證。這種方法的優(yōu)點是處理效率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，缺點是會造成某段衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)的丟失或者不可使用，形成缺口數(shù)據(jù)，當(dāng)缺口較多時，數(shù)據(jù)會產(chǎn)生嚴(yán)重失真，并且會影響到接收機的捕獲、跟蹤和定位。時頻域的混合抑制方法是將信號首先通過一個滑窗，然后進行時域脈沖檢測，如果信號的幅度超過噪聲水平之上的某個特定值，將窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)片段轉(zhuǎn)換到頻域進行干擾抑制，然后再轉(zhuǎn)換回時域，用此段數(shù)據(jù)代替原始數(shù)據(jù)作為輸出。此方法雖然比時域脈沖消隱方法能夠保留更多的信號能量，但是此方法也會將一部分的有用信號濾除，因而也會造成數(shù)據(jù)失真，從而影響衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)的完好性和可用性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可以有效地抑制GPS衛(wèi)星信號的脈沖干擾，同時又能對衛(wèi)星信號失真數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，從而保證GPS信號可用性的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法包括按順序進行的下列步驟
(1)用時頻域混合濾波方法初步抑制信號脈沖干擾，并用抑制干擾后的數(shù)據(jù)作為失真部分?jǐn)?shù)據(jù)的初始值替代失真數(shù)據(jù)，得到初步修正的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)；
(2)利用上述修正后的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)估計衛(wèi)星信號波形參數(shù)；
(3)用上述估計得到的衛(wèi)星信號波形參數(shù)重新估計失真部分的數(shù)據(jù)，得到失真部分?jǐn)?shù)據(jù)的估值，并用該估值替代原來的失真數(shù)據(jù)，得到再次修正后的全部衛(wèi)星數(shù)據(jù)；
(4)重復(fù)步驟(2)和(3)直到算法收斂。
所述的衛(wèi)星信號波形參數(shù)包括幅度和相位。
本發(fā)明提供的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法充分考慮到民航機載導(dǎo)航設(shè)備的干擾源特性和實際應(yīng)用問題，采用信號處理方法抑制干擾并對衛(wèi)星信號中的失真數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，在抑制干擾的同時，保證了衛(wèi)星信號的可用性，因此可以增強飛行安全系數(shù)， 對未來的基于GNSS的民用航空導(dǎo)航系統(tǒng)的實施具有積極的意義。


圖1為本發(fā)明提供的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法中脈沖干擾抑制及失真數(shù)據(jù)恢復(fù)處理流程圖。
圖2為本發(fā)明提供的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法中失真數(shù)據(jù)恢復(fù)算法流程圖。
圖3為受DME設(shè)備脈沖干擾的衛(wèi)星信號波形圖。
圖4為經(jīng)本發(fā)明方法處理后的信號與未受干擾的原始衛(wèi)星信號及混合濾波方法處理結(jié)果波形對比圖。
圖5為本發(fā)明方法與時頻域混合濾波方法處理結(jié)果性能對比圖。
具體實施方式
下面參照附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法進行詳細(xì)說明。
如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法包括按順序進行的下列步驟
(1)用時頻域混合濾波方法初步抑制信號脈沖干擾，并用抑制干擾后的數(shù)據(jù)作為失真部分?jǐn)?shù)據(jù)的初始值替代失真數(shù)據(jù)，得到初步修正的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)。
考慮到包含干擾和噪聲的衛(wèi)星信號，其模型可表示為
y(t) = s(t)+J(t)+e(t)(1)
其中，s(t)為未受干擾的衛(wèi)星信號，J(t)為脈沖干擾信號，e(t)為噪聲。在對GPS L5信號所在頻率造成干擾的設(shè)備中，DME設(shè)備是主要的干擾源。在DME系統(tǒng)中，機載詢問機每秒發(fā)送5-150個脈沖對，脈沖峰值功率從50W到2kW。DME設(shè)備對L5接收機的干擾將使信噪比降低，使接收機跟蹤環(huán)不能收斂，從而造成解碼過程困難。因此需要對DME干擾進行抑制，并對失真數(shù)據(jù)進行恢復(fù)。
將信號采樣到中頻進行處理，信號可表示為
y(n) = s (η)+J(η)+e (η), η = 1,…，N(2)
其中，s(n)為未受干擾的衛(wèi)星信號，J (η)為衛(wèi)星信號所受干擾，e (η)為噪聲。
混合濾波脈沖干擾抑制方法是將輸入信號首先通過一個時域滑動窗口，然后進行時域脈沖檢測。當(dāng)檢測到DME脈沖干擾時，將脈沖干擾所在位置的窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)片段轉(zhuǎn)換到頻域，對干擾進行頻域濾波后再轉(zhuǎn)換到時域，用此段數(shù)據(jù)替代干擾失真數(shù)據(jù)作為輸出。抑制干擾前的數(shù)據(jù)可表示為y = [y0 …Ylrt ym yn+1 …Ylrt^1 ym+P …yN_J (3)其中受脈沖干擾導(dǎo)致失真部分的數(shù)據(jù)為μ = [yffl…Yd^Jixp,這部分的數(shù)據(jù)是需要進行估計以恢復(fù)重建的。未受干擾部分的數(shù)據(jù)為υ = [y0 Y1 - ym-! ym+P ... Ym-Jix(N-P)(4)初步抑制干擾后可以得到失真部分?jǐn)?shù)據(jù)的值A(chǔ)1，用此值作為失真數(shù)據(jù)的初始值替代失真數(shù)據(jù)，得到初步修正的衛(wèi)星信號 1。(2)利用上述修正后的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)估計衛(wèi)星信號波形參數(shù)。對于第i次迭代(i彡1)，令尹表示全部衛(wèi)星信號(對于第一次迭代， 1即為步驟 (1)中得到的初步修正的衛(wèi)星信號)。根據(jù)離散傅里葉變換理論，離散時間信號可近似表示為一系列不同頻率的正弦信號的疊加
K卜(叫)Wl + e(幾)，η = 0，…，TV _ 1，叫 e
y]+1 . . . ^m.,] T (其中 1 = 0，…，L_1，L = N-M+1)表示 MX 1 維前向滑動重疊的數(shù)據(jù)矢量。為了估計信號的波形參數(shù)，對于每一個感興趣頻率，設(shè)計一個M抽頭的濾波器 - [K(UJk) h\(uk) ··· /^“(叫)^ (其中i表示第i次迭代)，使信號通過濾波器
后的輸出產(chǎn)γ丨在最小二乘意義上盡可能接近感興趣頻率和恒定幅度的正弦信號。估計信號幅度參數(shù)和濾波器組系數(shù){ '(^0，!!'(叫)}^^的方法就是求解下面的最優(yōu)化問題
L-Imin VIfhiK)]^ - cyl(uk)e^l\2，s.t. [h^uk)]HR(uk) = 1(6)其中a(Wfc)= [1...k = l，…，K。下面求解此最優(yōu)化問題。定義『(叫)表示 的歸一化傅里葉變換
1 L_1運》(7)
1=0以及定義
1 L_1免二工[麵H(B)
I=Q令到叫)=R-『(叫)gii K)，求解這個最優(yōu)化問題，可得到濾波器組的系數(shù)及信號波形參數(shù)的估計‘)條)徹納⑷
其中的叫)為復(fù)數(shù)，所估計的信號幅度為p(叫)|，相位為arg"(o;fc)。(3)用上述估計得到的衛(wèi)星信號波形參數(shù)重新估計失真部分的數(shù)據(jù)，得到失真部 分?jǐn)?shù)據(jù)的估值，并用該估值替代原來的失真數(shù)據(jù)，得到再次修正后的全部衛(wèi)星數(shù)據(jù)。禾Ij用第i次迭代得到的衛(wèi)星信號波形參數(shù)估值丨&(叫)，丨￡"01來估計失真數(shù) 據(jù)矢量廠，對失真數(shù)據(jù)的估計基于如下思想受干擾導(dǎo)致失真的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)的譜特征與 未受干擾數(shù)據(jù)的譜特征基本一致。對失真數(shù)據(jù)的估計也就是對如下的代價函數(shù)求最小二乘 解
權(quán)利要求
1.一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法，其特征在于，所述的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法包括按順序進行的下列步驟(1)用時頻域混合濾波方法初步抑制信號脈沖干擾，并用抑制干擾后的數(shù)據(jù)作為失真部分?jǐn)?shù)據(jù)的初始值替代失真數(shù)據(jù)，得到初步修正的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)；(2)利用上述修正后的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)估計衛(wèi)星信號波形參數(shù)；(3)用上述估計得到的衛(wèi)星信號波形參數(shù)重新估計失真部分的數(shù)據(jù)，得到失真部分?jǐn)?shù)據(jù)的估值，并用該估值替代原來的失真數(shù)據(jù)，得到再次修正后的全部衛(wèi)星數(shù)據(jù)；(4)重復(fù)步驟(2)和(3)直到算法收斂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法，其特征在于所述的衛(wèi)星信號波形參數(shù)包括幅度和相位。
全文摘要
一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法。該方法是利用時頻域混合濾波方法初步抑制干擾，得到脈沖干擾所在位置信號的初始估值，用此初始值替代失真部分的數(shù)據(jù)，然后利用抑制干擾后的全部數(shù)據(jù)對衛(wèi)星信號的波形參數(shù)以及失真數(shù)據(jù)進行估計，得到衛(wèi)星信號參數(shù)及失真部分?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確估值。本發(fā)明提供的用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脈沖干擾抑制方法充分考慮到民航機載導(dǎo)航設(shè)備的干擾源特性和實際應(yīng)用問題，采用信號處理方法抑制干擾并對衛(wèi)星信號中的失真數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，在抑制干擾的同時，保證了衛(wèi)星信號的可用性，因此可以增強飛行安全系數(shù)，對未來的基于GNSS的民用航空導(dǎo)航系統(tǒng)的實施具有積極的意義。
文檔編號G01S19/21GK102508264SQ20111037524
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者盧丹, 吳仁彪, 方偉, 王文益 申請人:中國民航大學(xué)