国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

互相關(guān)干擾下微弱GPS信號(hào)的直接檢測(cè)算法*

2013-04-27 07:26:36趙振維劉世萱劉海豐林樂(lè)科
全球定位系統(tǒng) 2013年1期
關(guān)鍵詞:顆衛(wèi)星干擾信號(hào)接收機(jī)

董 翔,趙振維,劉世萱,王 波,劉海豐,林樂(lè)科

(1.中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島266107;2.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266001;3.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東 青島266001)

0 引 言

GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)屬于碼分多址(CDMA)體制,其L1載波(1 575.42MHz)上調(diào)制著碼速率為1.023MHz的偽隨機(jī)碼(稱為C/A碼)以及50 bit/s的導(dǎo)航數(shù)據(jù),該信號(hào)體制對(duì)于熱噪聲具有良好的抑制效果。但是在復(fù)雜環(huán)境下(如森林、城市樓宇、室內(nèi)等)的 定 位[1]、GPS無(wú)源雷達(dá)探 測(cè)[2-3]、GPS反射信號(hào)遙感[4-5]等強(qiáng)弱信號(hào)共存的場(chǎng)景中應(yīng)用時(shí),GPS接收機(jī)面臨著一個(gè)棘手的問(wèn)題:強(qiáng)信號(hào)干擾下微弱信號(hào)的檢測(cè)。不考慮人為干擾的情況下,這種強(qiáng)信號(hào)的干擾是指GPS C/A碼的自相關(guān)干擾以及互相關(guān)干擾。

由于GPS互相關(guān)干擾屬于結(jié)構(gòu)性干擾[6],無(wú)法通過(guò)延長(zhǎng)相干積分時(shí)間來(lái)消除。目前,抑制GPS互相關(guān)干擾的方法主要有:1)消去法,如SIC、PIC、DPIC[7]等,該類方法主要通過(guò)捕獲和跟蹤強(qiáng)干擾信號(hào)獲得干擾信號(hào)參數(shù),利用這些參數(shù)重構(gòu)干擾信號(hào),并從輸入信號(hào)中減去該干擾信號(hào),最后對(duì)剩下的相對(duì)“純凈”的信號(hào)進(jìn)行二次捕獲。2)投影法,如子空間投影法、減去投影法[8]等,該類方法主要利用C/A碼之間的近似正交特性,構(gòu)造干擾信號(hào)的子空間,然后將強(qiáng)信號(hào)分量消掉。此外,還有一些其它方法,如自適應(yīng)約束正交法(AOUC)[9]、Q路濾波法[6]等。這些方法雖然能夠在一定程度上消除掉一部分互相關(guān)干擾,但也存在各種缺點(diǎn):消去法嚴(yán)重的依賴于干擾信號(hào)參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性;投影法需要矩陣求逆運(yùn)算,且對(duì)于接收機(jī)量化位數(shù)有較高要求等。

基于GPS互相關(guān)干擾模型,詳細(xì)分析了強(qiáng)弱信號(hào)間的相對(duì)載波多普勒頻移(RDC)對(duì)互相關(guān)干擾的影響。在此基礎(chǔ)上研究了一種互相關(guān)干擾下微弱GPS信號(hào)的直接檢測(cè)算法,該算法不需要消除強(qiáng)干擾信號(hào),而是通過(guò)分析相關(guān)值在每個(gè)多普勒倉(cāng)的特性來(lái)找到弱信號(hào)的自相關(guān)峰值,從而實(shí)現(xiàn)互相關(guān)干擾下的微弱GPS信號(hào)直接捕獲。

給出了GPS互相關(guān)信號(hào)模型及其特性,分析了強(qiáng)弱信號(hào)間的RDC對(duì)于互相關(guān)干擾的影響,并在此基礎(chǔ)上給出了基于RDC的互相關(guān)檢測(cè)算法,最后利用仿真數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。

1 GPS互相關(guān)干擾模型

GPS接收機(jī)接收到的中頻采樣信號(hào)模型可以表示為

式中:V代表可視衛(wèi)星的數(shù)目;n(t)表示高斯白噪聲。其中第i顆衛(wèi)星在采樣時(shí)刻tk的表達(dá)式可以表示為

式中:Ai為信號(hào)幅度;di是導(dǎo)航數(shù)據(jù)位;ci代表PRN碼;τi和φ0,i分別表示碼相位和載波初始相位;ζi和fd,i分別代表由衛(wèi)星及接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的碼速率擾動(dòng)和多普勒頻移。

GPS接收機(jī)對(duì)某顆衛(wèi)星的捕獲實(shí)質(zhì)上是一個(gè)在碼相位和多普勒頻移上的二維搜索過(guò)程,即利用本地復(fù)現(xiàn)的C/A碼和載波對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)匹配濾波,假設(shè)第i顆衛(wèi)星的本地復(fù)現(xiàn)采樣信號(hào)為

令相干積分時(shí)間為T(mén),其對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為K,則相關(guān)器輸出的信號(hào)表示為[10]

式(4)等號(hào)右側(cè)的第一、二和三項(xiàng)分別表示信號(hào)自相關(guān)項(xiàng)、互相關(guān)干擾項(xiàng)以及噪聲項(xiàng),Δfi,j表示第i顆衛(wèi)星和第j顆衛(wèi)星之間的相對(duì)多普勒頻移。

圖1 GPS的C/A碼互相關(guān)取值示意圖

2 RDC對(duì)于互相關(guān)干擾的影響

討論式(4)等號(hào)右側(cè)的第二項(xiàng)即互相關(guān)干擾項(xiàng),將其表示為Cj,i,不考慮導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的影響,則Cj,i可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)[13]為

式中,w代表干擾衛(wèi)星和弱信號(hào)衛(wèi)星間RDC整數(shù)kHz的倍數(shù),進(jìn)一步表示為[13]

式中:l是一個(gè)整數(shù);Δτ=τi-τj表示本地復(fù)現(xiàn)碼相對(duì)于干擾衛(wèi)星碼的時(shí)延;Cl和Cw-l分別是將干擾衛(wèi)星碼和本地復(fù)現(xiàn)碼表示為傅里葉級(jí)數(shù)時(shí)的對(duì)應(yīng)的傅里葉系數(shù);Tp表示C/A碼周期,約為1 ms.

由式(7)可以看出,互相關(guān)干擾項(xiàng)的變化特性主要取決于相對(duì)多普勒頻移Δj,i以及相干積分時(shí)間T,取衛(wèi)星的相對(duì)多普勒頻移范圍為-5kHz至5kHz,以T取10ms為例,互相關(guān)峰隨Δfj,i的變化特性如圖2和圖3所示。

將相干積分時(shí)間T進(jìn)一步延長(zhǎng)至20ms,互相關(guān)峰隨RDC的變化情況如圖4所示。

將互相關(guān)峰值高于-30dB對(duì)應(yīng)的RDC范圍定義為臨界多普勒窗,則在圖3中,當(dāng)T取10ms時(shí),第一個(gè)局部極小值點(diǎn)出現(xiàn)在相對(duì)多普勒頻移為100Hz的地方,臨界多普勒窗寬度約為120Hz(對(duì)應(yīng)RDC為零)和140Hz(對(duì)應(yīng)RDC為1kHz的整數(shù)倍)。而在圖4中即當(dāng)T取20ms時(shí),第一個(gè)局部極小值點(diǎn)出現(xiàn)在相對(duì)多普勒頻移為50Hz的地方,臨界多普勒窗寬度約為64Hz(對(duì)應(yīng)RDC為零)和68Hz(對(duì)應(yīng)RDC為1kHz的整數(shù)倍),即隨著相干積分時(shí)間T增加,臨界多普勒窗的寬度隨之變窄。

圖4 RDC從0~1 000Hz時(shí)的變化情況(T=20ms)

根據(jù)上面的結(jié)果可以得知,當(dāng)干擾信號(hào)的多普勒頻移和弱信號(hào)的多普勒頻移之差不落在臨界多普勒窗中時(shí),互相關(guān)干擾就不會(huì)對(duì)弱信號(hào)捕獲構(gòu)成威脅,因此,可以通過(guò)分析相對(duì)多普勒來(lái)檢測(cè)弱信號(hào)的自相關(guān)峰,從而實(shí)現(xiàn)微弱GPS信號(hào)的捕獲。

3 基于相對(duì)多普勒的檢測(cè)算法

考慮在對(duì)第i顆衛(wèi)星(弱信號(hào))進(jìn)行捕獲的過(guò)程中,接收機(jī)分別從多普勒頻移和碼相位兩個(gè)維度上對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相關(guān)搜索,其相關(guān)輸出結(jié)果[14]可以表示為

式中:n=1,……,N是碼相位的采樣點(diǎn)下標(biāo);N為一個(gè)C/A碼周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù),m=1,…,M為多普勒倉(cāng)的下標(biāo);M為總的多普勒倉(cāng)數(shù),其大小等于多普勒搜索范圍Rfd與多普勒步長(zhǎng)ΔfD的比值,文中取ΔfD=1/(2T).

不失一般性,將式(9)中的某個(gè)多普勒倉(cāng)記為M0,將m0對(duì)應(yīng)的多普勒倉(cāng)中的相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)的碼相位采樣點(diǎn)下標(biāo)記為n0,即滿足Xi(n0,m0)=max{Xi(n,m0)},將Xi(n,m0)中去除n0和其所在碼片上采樣點(diǎn)后的結(jié)果用表示,將中的采樣點(diǎn)數(shù)記為,并把中的相關(guān)峰值所對(duì)應(yīng)的碼相位采樣點(diǎn)下標(biāo)記為,則對(duì)于多普勒倉(cāng)m0,互相關(guān)干擾可以利用式(10)判決[14]

其中:H0和H1分別代表無(wú)遠(yuǎn)近效應(yīng)和存在遠(yuǎn)近效應(yīng)的假設(shè);TNF可以通過(guò)給定的I類錯(cuò)誤[14](即當(dāng)H0為真時(shí)檢測(cè)到遠(yuǎn)近效應(yīng))的發(fā)生概率來(lái)設(shè)定;是()m0的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差。在H0假設(shè)下,()m0服從自由度為2 NI的χ2分布,可以通過(guò)下式計(jì)算

式中,NI為非相干累加次數(shù)。圖5和圖6示出了各自對(duì)應(yīng)著有、無(wú)遠(yuǎn)近效應(yīng)影響時(shí)多普勒倉(cāng)m0中的相關(guān)峰情況,從圖中可以看出,當(dāng)檢測(cè)到的相關(guān)峰為互相關(guān)峰時(shí),該干擾峰所在的多普勒倉(cāng)中的相關(guān)最高峰X(qián)i(n0,m0)和次高峰值比較接近,如圖5所示;當(dāng)檢測(cè)到的峰值為弱信號(hào)自相關(guān)峰時(shí),其所在的多普勒倉(cāng)對(duì)應(yīng)的最高峰X(qián)i(n0,m0)明顯大于次高峰利用此特性,在對(duì)弱信號(hào)捕獲過(guò)程中,可以依次計(jì)算每個(gè)多普勒倉(cāng)中對(duì)應(yīng)的式(10),若其大于某個(gè)設(shè)定的門(mén)限,可以認(rèn)為該相關(guān)峰位于正確的多普勒倉(cāng)中,該相關(guān)峰便是弱信號(hào)的自相關(guān)峰,從而實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的捕獲。

4 仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證與分析

采用仿真的強(qiáng)弱衛(wèi)星信號(hào)共存的中頻采樣數(shù)據(jù)對(duì)上述算法的性能進(jìn)行驗(yàn)證和分析,中頻頻率為1.25MHz,采樣頻率為5MHz,數(shù)據(jù)共包含三顆衛(wèi)星,其中3號(hào)衛(wèi)星為強(qiáng)干擾信號(hào),6號(hào)衛(wèi)星和19號(hào)衛(wèi)星均低于3號(hào)衛(wèi)星28dB,屬于微弱信號(hào),三顆衛(wèi)星的主要參數(shù)如表1所示,PRN6和PRN19相對(duì)于PRN3的RDC分別為500Hz和950Hz,分別代表圖4中的互相關(guān)峰值遠(yuǎn)離和接近臨界多普勒窗時(shí)的情況,為了簡(jiǎn)化將各衛(wèi)星的多普勒速率和載波初始相位均設(shè)為零。

表1 仿真信號(hào)主要參數(shù)設(shè)置

3號(hào)衛(wèi)星使用常規(guī)算法便可以成功捕獲,6號(hào)和19號(hào)衛(wèi)星均采用20ms的相干累積和4次非相干累積,即總的捕獲積分時(shí)間為80ms,多普勒頻率的搜索范圍為-5kHz至5kHz,多普勒倉(cāng)的寬度為25Hz,多普勒倉(cāng)數(shù)=400個(gè),兩個(gè)衛(wèi)星的相關(guān)值分布情況分別如圖7和圖8所示。其中常規(guī)檢測(cè)算法代表采用基于幅值的檢測(cè)判決算法,新檢測(cè)算法代表文中介紹的基于相對(duì)多普勒分析的檢測(cè)算法。

從圖7(a)和8(a)可以看出,當(dāng)接收機(jī)的本地復(fù)現(xiàn)載波與干擾信號(hào)(PRN3)的相對(duì)載波多普勒偏移為0Hz或者1kHz的整數(shù)倍時(shí),互相關(guān)干擾項(xiàng)Cj,i就會(huì)出現(xiàn)較高的互相關(guān)峰,這些峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了想要捕獲的弱信號(hào)的自相關(guān)峰,此時(shí)若采用傳統(tǒng)的基于幅值的檢測(cè)判決算法,就會(huì)導(dǎo)致誤捕獲,如圖7(b)和圖8(b)中所示。而采用所介紹的新算法進(jìn)行檢測(cè)時(shí),可以找出正確的多普勒頻率對(duì)應(yīng)的多普勒倉(cāng)以及碼相位采樣點(diǎn),如圖7(c)和圖8(c)所示。

圖7 PRN6的相關(guān)結(jié)果

為了進(jìn)一步評(píng)估算法的性能,對(duì)算法的捕獲成功率進(jìn)行分析,仿真時(shí)令弱信號(hào)(即6號(hào)、19號(hào)衛(wèi)星)信噪比從-51dB至-45dB變化,每次改變1dB,且信噪比每改變一次,都分別進(jìn)行100次的中頻數(shù)據(jù)仿真以及捕獲試驗(yàn),捕獲成功率R的計(jì)算方法如式(12)所示。

圖8 PRN19的相關(guān)結(jié)果

式中:Ns為成功捕獲的次數(shù);Nt為每次試驗(yàn)的總次數(shù)(此處取100),得到兩顆衛(wèi)星的捕獲成功率隨著強(qiáng)弱信號(hào)信噪比之差的變化曲線如圖9所示。

圖9 捕獲成功率隨強(qiáng)弱信號(hào)信噪比之差的變化曲線

從圖9中可以看出,當(dāng)弱信號(hào)低于強(qiáng)信號(hào)29 dB時(shí),該算法依然可以達(dá)到93%的捕獲成功率。

然而,當(dāng)弱信號(hào)的自相關(guān)峰和其與干擾信號(hào)間的互相關(guān)峰在同一多普勒倉(cāng)中,或者說(shuō)強(qiáng)弱信號(hào)的RDC在臨界多普勒窗中時(shí),該檢測(cè)算法便無(wú)法正確的檢測(cè)到微弱信號(hào),此時(shí)只能進(jìn)一步采取減去法、投影法等專門(mén)的互相關(guān)干擾抑制算法來(lái)減輕干擾。需要說(shuō)明的是,出現(xiàn)這種特殊情況的概率比較小,當(dāng)相干積分時(shí)間T取20ms時(shí)出現(xiàn)該特殊情況的概率約為10%[15],并且在輔助GPS、接收機(jī)熱啟動(dòng)或重新捕獲等一些多普勒搜索范圍較小的情況下,其發(fā)生概率會(huì)更?。?3]。

5 結(jié) 論

基于GPS的C/A碼互相關(guān)干擾理論模型,詳細(xì)研究分析了強(qiáng)弱衛(wèi)星信號(hào)的RDC對(duì)于互相關(guān)干擾的影響,并利用互相關(guān)干擾項(xiàng)隨著相干積分時(shí)間的變化特性,研究了一種新的互相關(guān)干擾下的微弱GPS信號(hào)的直接檢測(cè)算法,并利用仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的有效性,結(jié)果表明:在干擾信號(hào)高出弱信號(hào)29dB時(shí),利用該算法可以達(dá)到超過(guò)90%的捕獲成功率。

該算法優(yōu)點(diǎn)是不需要扣除互相關(guān)干擾,計(jì)算量小,容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是在一些特殊情況下即當(dāng)強(qiáng)弱信號(hào)的RDC落在臨界多普勒窗中時(shí)單獨(dú)采用該算法不能正確檢測(cè)弱信號(hào),此時(shí)需要進(jìn)一步采用專門(mén)的互相關(guān)干擾抑制算法,在后續(xù)的工作中將重點(diǎn)研究此類抑制算法。

[1] AKOS D M,NORMARK P L,LEE J T,et al.Low power global navigation satellite systems(GNSS)signal detection and processing[C]//In Proc.ION GPS 2000,Salt Lake City,UT,Sep.2000:784-791.

[2] GLENNON E P,DEMPSTER A G,RIZOS C,et al.Feasibility of air target detection using GPS as a bistatic radar[J].Joural of Global Positioning Systems,2005(1-2):119-126.

[3] 徐定杰,呂東澤,沈 鋒.GPS輻射源的無(wú)源雷達(dá)兩級(jí)干擾抑制方法 [J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(3):336-341.

[4] WANG Bo,WU Zhensen,ZHAO Zhenwei,et al.A passive technique to monitor evaporation duct height using coastal GNSS-R.[J].IEEE Geosci.Remote Sensing Lett.2011,8(4):587-591.

[5] ZHANG Jinpeng,WU Zhensen,WANG Bo,et al.Modeling low elevation GPS signal propagation in maritime atmospheric ducts[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2012(80):12-20.

[6] 唐衛(wèi)濤,李 瓊,唐 斌.一種新的消除GPS互相關(guān)干擾的方法-Q路濾波法[J].測(cè)繪通報(bào),2007(7):19-22.

[7] GLENNON E P,DEMPSTER A G.A review of GPS cross correlation mitigation techniques[C]//In the 2004International Symposium on GNSS/GPS,Sydney,Australia,2004.

[8] MORTON Y T,TSUI J B Y,LIN D M,et al.Assessment and handling of C/A code self-interference during weak GPS signal acquisition[C]//In Proc.of ION GPS,Portland,OR,Sep.2003:646-653.

[9] GLENNON E P,DEMPSTER A G.A novel cross correlation mitigation technique[C]//ION GNSS,Long Beach,CA,Sep.2005.

[10] LU Bidong,ZHONG Jie,ZHAO Minjian,et al.A near-far effect canceller for GPS high sensitivity receiver[J].Position Location and Navigation Symposium(PLANS)2012IEEE/ION,Myrtle Beach,SC,Apr.2012.

[11] PARKINSON B,SPILKER J.Global positioning system:theory and applications(vol.I)[M].Washington DC:American Institute of Aeronautics and Astronautics,Inc.,1996.

[12] VAN DIGGELEN F.Indoor GPS theory &implementation[C]//In Proc.IEEE Position Location &Navigation Symposium 2002:240-247.

[13] QAISAR S U,DEMPSTER A G.Cross-correlation performance assessment of global positioning system(GPS)L1and L2civil codes for signal acquisition[C]//Radar,Sonar &Navigation,IET,2011.

[14] LOPEZ-RISuENO G,SECO-GRANACOS G.Detection and mitigation of cross-correlation interference in high-sensitivity GNSS receivers[C]//The 18th Annual IEEE International Symposium on PIMRC,2007.

[15] QAISAR S U,DEMPSTER A G.Cross-correlation performance comparison of L1 &L2CGPS codes for weak signal acquisition[C]//In Proc.of Int.Symp.on GPS/GNSS,Tokyo,Japan,2008.

猜你喜歡
顆衛(wèi)星干擾信號(hào)接收機(jī)
衛(wèi)星迷宮
“一箭41星”刷新多個(gè)紀(jì)錄
數(shù)字
正弦采樣信號(hào)中單一脈沖干擾信號(hào)的快速剔除實(shí)踐方法
基于粒子群算法的光纖通信干擾信號(hào)定位方法
一種用于調(diào)幅接收機(jī)AGC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
一種面向ADS-B的RNSS/RDSS雙模接收機(jī)設(shè)計(jì)
電子制作(2018年19期)2018-11-14 02:36:40
數(shù)字接收機(jī)故障維修與維護(hù)
電子制作(2016年1期)2016-11-07 08:42:41
基于多接收機(jī)的圓周SAR欺騙干擾方法
淺析監(jiān)控干擾信號(hào)的優(yōu)化處置措施
九台市| 绥德县| 海盐县| 清新县| 青川县| 德兴市| 苏尼特右旗| 兴安盟| 阿巴嘎旗| 马龙县| 汉寿县| 容城县| 台州市| 鄂托克旗| 当阳市| 德格县| 彝良县| 全椒县| 阳东县| 刚察县| 高邮市| 日照市| 巢湖市| 古蔺县| 景泰县| 高淳县| 长岭县| 秀山| 日土县| 南丰县| 文成县| 固原市| 呈贡县| 鄄城县| 桑日县| 上杭县| 乌苏市| 鄢陵县| 沁阳市| 康定县| 秀山|