一种基于循环平稳特征分析与循环滤波的GPS卫星导航接收机抗干方法技术

本发明专利技术公开了一种基于循环平稳特征分析与循环滤波的GPS接收机抗干扰方法，主要针对GPS接收机存在强时频重叠干扰时而设计，是一种新的GPS抗干扰方法。首先将接收到的含有强干扰GPS信号下变频到接收机中频上，并进行采样和离散化处理；然后对离散化的信号进行变换和运算以得到循环谱结果，并从中分析得到强干扰信号的循环平稳特征及循环频率；接着根据所得的强干扰信号的循环频率，采用自适应频移滤波器，估计和重构出强干扰信号，并利用输入信号采用信号抵消的方法去除强干扰，同时分离出弱GPS信号；最后按照常规的GPS信号跟踪捕获方法，对分离出的GPS信号进行解扩与解调，并通过定位解算即可得到最终的导航定位结果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于循环平稳特征分析与循环滤波的GPS卫星导航接收机抗干方法
本专利技术涉及一种卫星导航接收机抗干扰方法，属于卫星导航
，尤其涉及基于循环平稳特征分析与循环滤波的GPS卫星导航接收机抗干方法。
技术介绍
GPS卫星导航系统由于卫星的高轨特性以及信号的码分多址(CDMA)体制，使得卫星到达地面的信号功率非常低，这样就会导致系统的抗干扰能力较差，很容易受到各种有意或无意的干扰影响。另一方面，现代无线通信系统技术的快速发展，以及大量无线电子设备的涌现，也会给GPS接收机带来邻道干扰或谐波干扰。此外，在一些敏感的区域或特殊的环境下还会出现人为的有意干扰，这些干扰会使得GPS接收机性能下降，甚至会使得GPS接收机无法正常工作。这样，增加GPS接收机抗干扰设计，提高接收机在一些强干扰环境下可用性以及抗干扰性能，也就具有非常重要的意义和价值。当前，人们对于GPS接收机单处理域抗干扰技术如时域、频域、空域等已研究的比较透彻，并给出了诸如时域有限冲击响应(FIR)滤波、频域傅里叶变换(FFT)滤波、空域基于不同到达角(DOA)、到达时(TOA)方法的滤波处理技术等。这些滤波技术能够有效抑制或消除相关信号处理域中的强干扰，从而提高了GPS接收的导航定位性能；但对于一些情况下出现的多域重叠强干扰如时频、空时等重叠性干扰，若再用前面所提的单域处理方法就很难或根本无法消除。对此，就需要研究这些情况下的抗干扰方法，以增强GPS接收机的工作性能。因此，探索发掘出基于循环平稳特征分析与循环滤波的GPS卫星导航接收机抗干扰方法非常必要。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于循环平稳特征分析与循环滤波的GPS卫星导航接收机抗干方法，为提高GPS接收机在强时频重叠干扰环境下的可靠性与完好性提供一种新的保障措施。技术方案：为达到上述目的，本专利技术包括下列步骤：S1对接收卫星导航信号进行下变频及离散化处理：为便于方法说明，假设GPS接收机受到与卫星导航信号具有相同调制方式的BPSK强干扰，在时间和载波都同步后，下变换后的含扰GPS卫星导航信号可表示为y(t)＝sg(t)cos[2π(f0+fb+fd)t+φg]+si(t)cos[2π(f0+fd)t+φi]+n(t)(1)式中f0、fd以及fb分别为卫星导航信号载波频率，多普勒频偏以及GPS信号相对于强干扰信号的频偏；为载波初始相位，n(t)为噪声；且有在式(2)与(3)中，为信号幅度，满足Ai＞Ag；为信号数据比特，且bi(n)与bg(n)均等概率在{+1,-1}上取值；为GPSC/A扩频码序列，扩频增益为N，且有cm∈{+1,-1}；与分别为干扰信号与卫星导航信号数据比特时间宽度，Tp为C/A码码片宽度；τg为GPS信号相对于干扰信号的时间延迟；为[0,T]上的单位矩形脉冲。利用本地导航接收机产生的载波信号2cos[2π(f0+fIF)t+φi]对接收信号y(t)进行下变频并经低通滤波，这样接收的卫星导航信号可进一步表示为式中fIF为下变频后中频频率；n′(t)为变换后噪声信号，这里假设其为加性高斯白噪声。对式(4)考察上的结果并忽略φi-φg对r(t)的影响，这样离散化后的信号可表示为式中Ts为采样时间间隔,表示向上取整，且S2对变换后的信号进行循环平稳分析以得到强干扰信号的循环谱密度分布：对于接收信号r(t)，其循环谱密度分布可通过计算得到，其中α为循环频率，由于强干扰信号的循环谱幅度要远大于弱GPS信号的循环谱幅度，同时考虑到数据变化的周期性，可只对一个干扰数据周期进行分析，这样由式(4)可得到(α,f)平面上的强干扰信号循环谱密度分布为式中fi＝fIF-fd为接收信号中强干扰信号的载波频率，式中为干扰信号数据自相关结果。在实际中，由于处理数据有限，主要通过循环谱平滑计算得到，即这里其中为数据平滑窗，Δf为频率分辨率，P、L分别为处理数据块数及数据重叠因子。S3对干扰信号的循环谱进行分析，得到其循环平稳特征及相应的循环频率：通过式(6)可得到如下循环平稳特征及相应的循环频率参数：(i)对式(6)取包络并取f＝0截面，有由于这样有：(a)只有当α＝±2fi时，式(10)第二项才有最大值，且它表明，通过检测与f＝0对应的循环频率域上的循环谱幅值最大值，可得到干扰信号的循环频率值±2fi，进而得到载波频率值fi；(b)只有当时，式(10)第二项才取得次最大值，此时有它表明，通过检测对应于f＝0的循环频率域上的循环谱幅值次最大值，可得到强干扰信号的循环频率值或者说通过检测(a)中所得到的循环谱最大值以及这里所得到的循环谱次最大值，可得到干扰信号的码速率(ⅱ)对式(6)取包络并取f＝±fi截面，有由式(11)同样可得到，除第一项取与式(10)相同的次最大值外，其它各项取值都很小，即此时有这样通过检测对应于f＝±fi截面的循环频率域上循环谱幅值次最大值，也可获得干扰信号的码速率参数，这样将其同前面(b)中的结果结合起来，通过对所有得到的求平均值，可提高的估计结果，进而提高循环频率的估计精度。S4利用自适应循环频移滤波器，结合所得的干扰信号循环频率，估计重构出强干扰信号：令αγ(γ＝1,2,…,Υ)与分别为强干扰信号的非共轭与共轭循环频率，其中这里Ri与分别为通过循环平稳特征分析得到的干扰信号码速率与载波频率估计值。利用式(5)所给的r(k)＝r(ksT)，并令为的估计值，通过所给的频移滤波器结构，可估计重构出具体为：式中H为共轭转置；h(k)，分别为频移滤波器滤波系数向量及r(k)的循环频移矩阵向量，具体为：其中在式(12)～(16)中，上标T与*分别表示转置与共轭；而Lγ与分别是第γ个非共轭支路与第个共轭支路的FIR滤波器的阶数。S5利用输入信号采用信号抵消的方法去除强干扰，并从中分离出弱GPS信号：令d(k)为参考频移信号，其循环频率满足且同时令为经过频移滤波后分离出的卫星导航信号，这样干扰信号的抵消和弱GPS信号的分离具体可通过实现；在实际中，该过程可通过最小平方算法(LMS)或多级嵌套维纳滤波算法(MSWF)等完成。本专利技术的有益效果是：通过上述本专利技术的技术方案，利用本专利技术实现的GPS卫星导航接收机在受到强时频重叠干扰时，能够利用循环平稳特征分析所得的结果并结合频移滤波器，实现对强干扰有效地去除，从而提高接收机的跟踪捕获性能及导航定位精度。此外，本专利技术在GPS接收机无干扰信号时，对于噪声信号也有一定的抑制作用。因而，所提方法是一种优于现有常规滤波方法的技术，适合在GPS接收机中推广应用。附图说明图1是通过循环谱密度包络f＝0截面检测获取干扰信号载波频率fi与码速率Ri示意图图2是通过循环谱密度包络f＝fi截面检测获取干扰信号码速率Ri示意图图3是自适应频移滤波器去除强干扰的原理示意图图4是基于所给方法设计出的GPS接收机抗干扰原理图图5是只含噪声时的-20dBGPS信号利用所提方法滤波前后的捕获性能对比图图6是只含噪声时的-15dBGPS信号利用所提方法滤波前后的捕获性能对比图图7是存在7dB单一强干扰时MF方法与所提方法滤波后的GPS信号检测概率图图8是存在12dB单一强干扰时MF方法与所提方法滤波后的GPS信号检测概率图图9是存在7dB单一强干扰时MF方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于循环平稳特征分析与循环滤波的GPS卫星导航接收机抗干方法，主要针对GPS民用C/A码信号中存在强时频重叠干扰时而设计，其特征在于包含以下步骤：S1利用含有干扰的GPS接收信号下变频和离散化后的处理结果，通过变换与运算得到强干扰信号的循环谱：为便于方法说明，假设GPS接收机受到与卫星导航信号具有相同调制方式的BPSK强干扰；在时间和载波都同步后，下变频后的含扰GPS信号可表示为

【技术特征摘要】
1.一种基于循环平稳特征分析与循环滤波的GPS卫星导航接收机抗干方法，主要针对GPS民用C/A码信号中存在强时频重叠干扰时而设计，其特征在于包含以下步骤：S1利用含有干扰的GPS接收信号下变频和离散化后的处理结果，通过变换与运算得到强干扰信号的循环谱：为便于方法说明，假设GPS接收机受到与卫星导航信号具有相同调制方式的BPSK强干扰；在时间和载波都同步后，下变频后的含扰GPS信号可表示为其中：为信号幅度，满足Ai＞Ag；fIF、fd及fb分别为接收机中频频率，多普勒频偏以及GPS信号相对于强干扰信号的频偏；为载波初始相位；为数据比特，且bi(n)与bg(n)均等概率在{+1,-1}上取值；为GPSC/A扩频码序列，扩频增益为N，且有cm∈{+1,-1}；与分别为干扰信号与卫星导航信号数据比特时间宽度，Tp为C/A码码片宽度；τg为GPSC/A码相位；为[0,T]上的单位矩形脉冲；n(t)为噪声信号。对式(1)考察上的结果并忽略φi-φg对r(t)的影响，这样离散化后的信号可表示为式中Ts为采样时间间隔,表示向上取整，且对于接收信号r(t)，通过可计算得到其循环谱密度分布，其中α为循环频率，由于强干扰信号的循环谱幅度要远大于弱GPS信号的循环谱幅度，这样通过可进一步获得强干扰信号的循环谱密度分布即有S2利用干扰信号的循环谱，分析得到强干扰信号的循环平稳特征及循环频率：考虑到数据变化的周期性，可只对一个干扰数据周期进行分析，这样由式(1)可得到(α,f)平面上的强干扰信号循环谱密度分布为式中fi＝fIF-fd为接收信号中强干扰载波频率，式中为干扰信号数据自相关结果。通过进一步分析式(3)所给的即可得到干扰信号的循环平稳特征及相应的循环频率α。S3利用自适应循环频移滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡毅，林其斌，欧美英，邹国柱，丁健，谢国雄，石永华，李辛毅，
申请(专利权)人：滁州学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34