基于分数阶伪Wigner-Ville分布的卫星导航接收机干扰检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分数阶伪Wigner

【技术实现步骤摘要】
基于分数阶伪Wigner
‑
Ville分布的卫星导航接收机干扰检测方法


[0001]本专利技术涉及全球导航卫星系统领域，具体来说是一种基于分数阶伪Wigner
‑
Ville分布(Fractional Pseudo Wigner
‑
Ville Distribution,FrPWVD)的卫星导航接收机干扰检测方法。

技术介绍

[0002]全球导航卫星系统接收机的安全问题(例如民航和飞机着陆)引起了人们广泛的关注。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)接收机接收信号中电磁干扰将导致卫星导航接收机导航与定位性能下降，甚至导致无法正常工作。大多数卫星导航系统中使用扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)技术，其原理是将接收到的GNSS信号功率扩展到更宽的带宽上，确保GNSS接收机中解扩增益，从而减少不良干扰信号造成的损害。DSSS技术使卫星导航系统具有一定的抗干扰能力，但是由于GNSS接收机接收的导航信号功率非常低，即使十分微弱的电磁干扰信号也将导致GNSS接收机的导航与定位性能严重下降。
[0003]当前，GNSS干扰检测和缓解技术(Interference Detection and Mitigation，ID&M)成为GNSS应用中非常重要的组成部分。GNSS干扰检测中现已经采用不同的时间
‑
频率表示形式(Time Frequency Reference，TFR)的方法，例如频谱图和韦格纳分布(Wigner
‑
Ville Distribution，WVD)。频谱图方法根据海森堡测不准原理存在时频(Time Frequency，TF)分析分辨率的权衡问题，呈现较差的TF定位特性，无法用于干扰信号的瞬时频率估计。为了解决时频分辨率的折衷问题，在GNSS接收机的干扰检测中可采用WVD方法。虽然WVD具有许多良好的性能，并在所有时频分布中能够提供几乎最佳的分辨率，但由于不同频率分量的相互作用，它在时频平面中会存在严重的交叉干扰项，这会导致GNSS接收机干扰信号瞬时频率估计产生严重的误差。
[0004]为了减少WVD中存在的交叉干扰项，一种合理的解决方法是在时域中引入窗口函数，因此，提出了伪Wigner
‑
Ville分布(Pseudo Wigner
‑
Ville Distribution，PWVD)的概念。PWVD中窗口函数的引入可以一定程度抑制部分交叉干扰项；这种滤波窗口的缺点是使时频分析能量分布聚集特性衰减，因此时频定位精度降低，还可以观察到PWVD中交叉干扰项平行于扫频方向振荡。
[0005]在信号处理领域中，傅里叶变换作为一种成熟的数学工具被广泛使用，傅里叶变换是一种将时间信号从时间轴旋转π/2转移到频域轴的线性算子，而分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,FrFT)是可以旋转任意角度的算子，其保留了傅里叶变换的原有性质又具备新的技术优势，被认为是一种广义的傅里叶变换。FrFT通过从0到1分数阶数的连续变换，可充分体现信号从时域到频域的变换特性。FrFT可作为一种有效的时频分析工具，可用于信号估计瞬时频率估计和相位信息恢复。
[0006]随着全球卫星导航系统的现代化进程和快速发展，GNSS干扰检测与缓解技术的要
求越来越高，为此需构建一种更高效的基于分数阶伪Wigner
‑
Ville分布的卫星导航接收机干扰检测方法。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于分数阶伪Wigner
‑
Ville分布的卫星导航接收机干扰检测方法，采用FrFT和PWVD相结合对包含扫频干扰的BDS
‑
B1I信号进行分析，提取GNSS接收信号中扫频干扰的特征；FrPWVD方法可有效消除双线性时频WVD中存在的交叉项对GNSS干扰检测性能的影响，并可较好保留GNSS干扰信号的自项成分，显著改善GNSS干扰信号的时频聚集特性，从而有效提升GNSS接收机干扰检测性能。
[0008]为了便于描述本专利技术的内容，首先对GNSS接收信号进行说明，每次处理的卫星导航接收信号采样频率为100MHz，数字中频为14.58MHz。GNSS有效信号中加入的干扰信号为线性调频干扰。本专利技术采用的技术方案是：
[0009]基于分数阶伪Wigner
‑
Ville分布的卫星导航接收机干扰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010]步骤1：射频信号接收：通过接收机天线接收BDS
‑
B1I射频信号r
RF
(t)；
[0011]步骤2：采用干扰机生成干扰信号η
RF
(t)，并加载到BDS
‑
B1I信号，获得待分析的信号，其表达式如下：
[0012]y
RF
(t)＝r
RF
(t)+η
RF
(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0013]步骤3：使用射频电缆将射频信号传输至信号采集器进行处理，将处理后的信号用USB电缆传输到GNSS接收机作进一步处理；
[0014]步骤4：GNSS接收机读取长度为n的数据流，可用下式表示：
[0015]y＝[y1，y2，y3，
…
，y
n
]T
ꢀꢀꢀ
(2)
[0016]步骤5：对GNSS接收机读取的数据流y进行希尔伯特变换获得，将接收到的实信号转换成解析信号，公式如下：
[0017][0018]公式(3)中，j为虚根单位。
[0019]步骤6：在GNSS接收机中取分数阶数p＝0计算解析信号y
a
(t)的FrFT，其公式如下：
[0020][0021]公式(4)中，F
p
(
·
)表示FrFT运算，K
p
(u，t)表示FrFT的积分核，积分核函数不仅为(u，t)的函数，还和分数阶数p相关。其中，K
p
(u，t)可表示如下：
[0022][0023]公式(5)中，
[0024]公式(5)中，α＝pπ/2，代表时频面的旋转角度；
[0025]公式(5)中，当α＝2nπ或α＝(2n
±
1)π时，K
p
(u，t)表现为冲击响应；
[0026]通过FrFT，得到1
×
n矩阵型数据F
p
(u)
1*n
；
[0027]步骤7：在PWVD中采用高斯窗函数，用PWVD来处理分数阶傅立叶变换后的信号F
p
(u)
1*n
，获得FrPWVD，公式如下：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分数阶伪Wigner
‑
Ville分布的卫星导航接收机干扰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：射频信号接收：通过天线采集BDS
‑
B1I信号r
RF
(t)；步骤2：采用GNSS干扰机生成干扰信号η
RF
(t)加载到BDS
‑
B1I信号，得到待分析的信号，其表达式如下：y
RF
(t)＝r
RF
(t)+η
RF
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)步骤3：使用连接GNSS接收机天线的射频电缆将卫星导航接收信号传输至GNSS信号采集器进行处理，将采集的BDS
‑
B1I信号用USB电缆线传输到GNSS接收机进行处理；步骤4：GNSS接收机读取长度为n的数据流，读取的数据可用下列公式表示：y＝[y1，y2，y3，
…
，y
n
]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)步骤5：对GNSS接收机读取的数据流y进行希尔伯特变换获得从而将接收到的实信号转换成解析信号，公式如下：公式(3)中，j为虚根单位；步骤6：在GNSS接收机中取分数阶数p＝0计算解析信号y
a
(t)的分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform，FrFT)，其公式如下：公式(4)中，F
p
(
·
)表示FrFT运算，K
p
(u，t)表示FrFT的积分核，积分核函数不仅为(u，t)的函数，同时还与分数阶数p有关；其中，K
p
(u，t)可表示如下：公式(5)中，公式(5)中，α＝pπ/2，表示时频面的旋转角度；公式(5)中，当α＝2nπ或α＝(2n
±
1)π时，K
p
(u，t)表现为冲击响应；通过FrFT后得到1
×
n矩阵型数据F
p
(u)
1*n
；步骤7：在伪Wigner
‑
Ville分布(Pseudo Wigner
‑
Ville Distribution，PWVD)中采用高斯窗函数，用PWVD处理FrFT后的信号F
p
(u)
1*n
，公式如下：公式(6)中，是y
a
(t)在分数阶数为p条件下的FrFT，*表示共轭运算；公式(6)中，h(t)表示时域上的窗函数，其满足广义时间带宽积准则，可表示如下：
公式(7)中，代表了信号在最小时间带宽积(Time
‑
Bandwidth Product，TBP)...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙克文，郑逸飞，汪银，吴成，王聪，王军，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：