一种基于典型卫星导航接收机基带处理流程的压制干扰检测方法
2021-02-07
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第35卷第2期 2016年6月 通 信 对 抗 V01.35 No.2 Jun.2016 C0MMUNICA110N C0 一种基于典型卫星导航接收机基带处理流程的 压制干扰检测方法 高腾 ,一,金晓帆 ,一,王李军1,2 (1.通信信息控制和安全技术重点实验室,浙江嘉兴314033; 2.中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴314033) 摘要:当前卫星导航接收机面临各种干扰的影响。为此首先从典型卫星导航接收机结构出发,分析了 压制干扰检测方法;提出了根据接收机信号捕获与跟踪过程中提取噪声功率,并利用噪声功率进行压 制干扰检测的方法;最后对该方法进行了仿真分析,验证了其有效性。 关键词:卫星导航接收机;压制干扰;干扰检测;信号捕获 中图分类号:TN911.23 文献标识码:A A Blanket Jamming Detection Method Based on Typical Satellite Navigation Receiver Baseband Signal Processing GAO Teng 一,JIN Xiao-fan 一,WANG Li-jun , (J.Science and Technology on CommunicationInformationSecud ̄ControlLabortaory, JiaxingZhejiang314033,China;2.No.36Research Institute ofCETC,JiaxingZhejiang314033,China) Abstract:Nowadays satellite navigation receiver faces various kinds of interference.This paper first analysis sev— eral blanket jamming detection methods based on typical satellite receiver structure,then describes a blanket jamming detection method using noise power esitmated from signal acquisiiton and sinagl tracking,finally the detection method is verified through simulation, Keywords:satellite na ̄gation receiver;jamming;blanket interference detection;sinagl acquisition 1引言 当前卫星导航系统已经成为重要的基础设施,然 此外对干扰是否存在进行检测成为接收机的辅助功能 之一。通常来说对卫星导航接收机的干扰可以分为压 制干扰与欺骗干扰,其中针对压制干扰检测存在很多 成熟的技术【 】,并且已有频谱检测接收机等设备。 本文针对典型卫星导航接收机的结构特点,提出 了适合导航接收机在捕获与跟踪过程中进行压制干扰 而卫星导航系统信号因为到达地面功率小,容易受到 干扰。卫星导航接收机经常受到各种干扰影响t¨,除 了无意干扰,还存在各种类型的干扰设备施加的有意 干扰[2-31。对军用导航接收机来说抗干扰能力是重要指 标之一,而民用接收机也开始具备一定的抗干扰能力, 收稿日期:2016--07—12 检测的方法,并进行了仿真分析,验证了方法的有效 -I生。 ・24・ 通 信 对 抗 第35卷 2导航接收机典型结构 当前卫星导航接收机主要由射频处理部分、基带信 号处理部分以及信息处理与定位解算处理部分组成 ], 典型结构如图1所示。射频处理部分主要包含天线、下 变频器以及AD转换器,可实现信号接收及放大变频滤 波功能,并将模拟信号转化为基带数字信号。基带处理 部分主要包括信号捕获与跟踪部分,可实现导航信号捕 获与连续跟踪,并进行观测量提取。信息处理与定位解 算部分包含译码与电文解析、完好性监测以及定位解算 部分,可实现星历提取、完好性检测以及定位解算等功 能。 针对典型导航接收机结构特点,可以利用接收机的 相关功能部件进行压制干扰检测,主要是在射频处理部 分与基带处理部分中进行。在射频处理部分可以根据 AGC增益值检测压制干扰是否存在『4],此外还可以根据 AD转换并量化后的数字信号分布进行检测 ;在基带 处理部分可以采用功率检测方法进行检测。 射频处理部分 基带信号处理部分 信息处理 与定位解算部分 V 7天线 t 前饕放大器 r1L —— 译码暂电文解折 l敷字接收帆避道I}二j一 ——l Il下变额器1.…… }转 H { I兜好性监谢I}{ —1tF _—_一l 1 I, { I 蹙拉解葬 J ll I I包含信号接 完成译码电文解析、 频以及AD转换 收、放大与变 信号捕获、跟踪、观测量提取 完好性监测与定位解 算等 图i典型卫星导航接收机结构框图 3基带处理过程中压制干扰检测方法 在存在压制干扰情况下,接收到的信号功率会发生 变化,功率检测方法常用于检测压制干扰的存在。卫星 导航信号微弱,以GPS C/A码信号为例,接收机收到的 典型功率值为一I57dBW,淹没在热噪声下。正常情况下 导航接收机接收到的信号以热噪声为主,而通常所说的 压制干扰是指干扰功率超出热噪声,因此通过检测收到 的噪声功率是否比热噪声高可以用于检测压制干扰是 否存在。在基带信号处理过程中,会涉及到导航信号的 捕获与跟踪,在捕获与跟踪过程中可以提取到信号功率 与噪声功率。考虑到卫星导航接收机接收到的导航信号 功率可能因为遮挡而衰减变弱,甚至在室内很微弱,而 热噪声在没有受到干扰情况下保持恒定,因此通过提取 噪声功率检测压制干扰是否存在更为合适。 3。1捕获过程中压制干扰检测 导航信号捕获实质是在多普勒与码相位二维域搜 索信号的过程,并且得到导航信号载波频率与码相位的 初始估计[7]。图2表示了简单的信号捕获原理,数字信 号与本地产生的载波与伪随机码序列相乘,并进行累加 求和,得到的积分结果与门限进行对比,如果超出检测 门限则认为捕获到信号,并且得到载波频率与伪随机码 相位的初始估计值,如果小于检测门限,则调整伪随机 码相位或者载波频率继续进行搜索。当前导航接收机为 了实现快速捕获,配有大量相关器可以一次搜索多个伪 随机码相位或者载波频点。 图2简单的卫星导航信号捕获原理框图 在不含干扰的情况下,若,与Q分别为捕获过程中 同相与正交支路的积分结果,积分结果满足高斯分布, 则其包络、/ 满足莱斯分布 1,包络的分布概率密 度函数满足 p 0):f{ 一r O"n exp {一筹},o(鲁卜IJ >0(㈩ 1) 【0 其它 式中 为随机变量; 为均方根噪声功率;A为信号幅 度均方根值;,0( )中 。)表示零阶修正的贝塞尔函数, 当 远远大于1时, )可以近似表述为 一— 。 、/2 ̄rx 式中当z>10时,可以用预检测信号与噪声功率之 比来表述,而在只包含噪声的情况下即A=0时,p 0)满 足瑞利分布【7】,可以表述为: po- ̄ -e Z2) (2) 式子所描述的分布为不含干扰情况下的噪声分布, 在存在压制干扰的情况下,积分结果的包络分布规律会 出现变化。如果利用单个相关积分结果进行判断,则积 分结果超过检测门限可能是存在信号或者干扰引起的, 而对这两种情况无法分辨。因为信号相关峰只出现在正 第2期 高腾,等:一种基于典型卫星导航接收机基带处理流程的压制干扰检测方法 ・25・ 确的码相位与载波频率周边很小范围内,而压制干扰的 存在范围很广,通常会抬高整个噪底,所以可以通过积 噪声功率的1.5倍,对比不存在压制干扰与存在干扰的 情况,得到的仿真结果如图3 图5所示。 分结果均值进行压制干扰检测,考虑到信号的存在,为 了减少检测的虚警概率,可以在进行均值计算时去掉一 个或前几个最大值,将去除最大值后的均值作为干扰检 测子。 捕获过程压制干扰检测流程为:首先得到积分结 果,在去除几个最大值后,求取积分结果均值,将均值与 门限进行比较,如果超过门限认为存在压制干扰。在捕 获过程中进行压制干扰检测需要消耗捕获模块资源,会 影响到捕获时间,但是可以通过对当前接收机进行算法 升级得到,不用额外设计硬件。 3.2跟踪过程中压制干扰检测 在环路对信号进行跟踪过程中会估计得到与信号 质量相关的参数,如信号功率、噪声功率以及载噪比。使 用噪声功率作为压制干扰检测参数更为合适,对噪声功 率的提取存在很多估计方法[8]。假设导航接收机采用的 环路结构为经典的二阶锁相环,同样,与Q分别为及时 码通路的同相与正交支路积分结果,定义变量 = z+ ),其中k为积分结果序号,对变量序列求取出其均 值z与方差 ,然詹可以得到噪声功率估计值: 1 喃=÷(二 2-、/ 二 ) (3) 得到噪声功率后,将其与设置的检测门限进行对比,如 果超过检NI'-J限,则认为存在压制干扰。 在环路跟踪过程中对压制干扰进行检测,实现简 单,只需在接收机中增加噪声功率估计功能,并对噪声 功率设定检测门限进行检测即可。然而在压制干扰功率 比信号功率超出很多的情况下,跟踪环路会因为压制干 扰而失锁,此时无法根据跟踪结果提取噪声功率,本文 的基于跟踪过程的压制干扰检测方法将不再适用。 4压制干扰检测仿真分析 对于上一节中的检测方法,按照描述的典型捕获跟 踪结构,分别进行仿真分析。 4.1捕获过程中压制干扰检测方法仿真分析 按照3.1节中的捕获结构,仿真产生载噪比为 45dBHz的导航信号模拟真实信号,针对窄带干扰与宽 带干扰两种情况,分别选取单音与宽带白噪声作为压制 干扰信号。在仿真过程中将同一频率、不同码相位的积 分结果分为一组进行检测,检测门限设置为正常情况下 不同码相位 x104 图3不存在干扰情况下的捕获积分结果 12c00 1∞00 眯姆求 8O0O 锄 一 撇 哪 蛐碟 姆600O 求 400O O 5 1 1 5 2 2 5 3 不同码相位 x 图4加入单音干扰后的压制检测结果 ㈣ 栅 ・26・ 6 4 通 2 O 信 瓣嚣 8 对 6 4 抗 瓣 2 第35卷 4.2跟踪过程中压制干扰检测方法仿真分析 按照经典二阶锁相环的跟踪环路【’1,采用早迟码鉴 相的方法进行环路跟踪,然后按照3.2节中的噪声功率 估计方法进行噪声功率估计并进行干扰检测,仿真过程 中开始一段时间不加干扰进行正常跟踪,1秒钟后加入 压制干扰,得到的结果如图6一图8所示。 x106 } fl……一噪声功率变化曲线 fI.…… 曼£ =-y堡 f J限 【I l^ -……,再 L… 【/ f 『{ }L、 _f 图6加入单音压制干扰后的压制检测结果 x’ : :孟=竺 】^ / , ,_一 / ./ } | f f / \ 0 1000 2000 3000 舢 5000 e00O 7000 8000 90o0 时间/m 图7加入宽带压制干扰后的压制检测结果 噪声功率变化曲线 ……■… … \ ~ 、 | 从图中可知:在环路仍然保持跟踪的情况下,无论 :窨 0 ::; ¨ := : 是宽带干扰还是单音干扰,都能够有效地进行检测;而 在压制干扰功率足够大,使得环路很快失锁的情况下, 跟踪过程中利用噪声功率进行压制干扰检测方法只能 在环路失锁前能有效地进行检测,当环路失锁后,该检 测方法无效。 5结束语 本文根据典型卫星导航接收机的基带信号处理流 程,提出了利用接收机在信号捕获与跟踪过程中提取噪 声功率,然后进行压制干扰检测的方法;并通过仿真分 析验证了在典型干扰情况下检测方法的有效性。该检测 方法便于在现有的卫星导航接收机中通过算法升级实 现。值得注意的是采用这种检测方法会受到射频前端 AGC增益变化以及ADC量化失真的影响。射频前端 AGC增益值的变化会直接改变射频通路增益值,从而 使得接收机的噪声功率发生变化,进而影响检测结果; 在信号过大饱和等情况下,ADC量化失真如果较大则 采样得到的数字信号不能确切地反映接收到的模拟信 号,同样会影响检测结果。 参考文献 [1】 Volpe J A.Vtlfnerability Assessment of the Transportaiton Inffastraucmre Relying on the Global Posiitoning System 【R】.Office of the Assistant Secretary for Transportation Policy US Department of Transportation,2001. 【2】 Bauemfeind R,Kraus T,Eissfeller B.Survey of in—Car Jammers:AnalVsis and Modehng of the lkF Signals and IF Samples(Suitable for Active Signal Cancellation)[c]// ION.24th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation,Pordand,oR, 2011. 【3 l Dougherty R C,Mitch R H,Psiaki M L,et a1.Singal Characteristics of Civil GPS Jammers[c]//ION.24th In— ternational Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute ofNavigation,Pordand,0R,2011. 【4】 Akos D,Bastide F,Macabina C,et a1.Automatic Gain Control(AGC)as an Interference Assessment Tool【c]// ION GPS/GNSS 2003,Pordand,OR,2003. 【5】甄卫民,韩超,杜黎明,等.我国GNSS开放服务中的干 扰检测与减缓计划[C]//第三届中国卫星导航学术年会, 广州,2012. (下转第62页) ・62・ 通 信 对 抗 tions(ICC’03),PP.3575~3579,May 2003. 第35卷 论:信道带宽能改变博弈时间的时间尺度;信道带宽越 宽,博弈的时间尺度越小。 H.Urkowitz,“Energy detection of unknown deterministic signals,”ProcIEEE,Vo1.55,PP.523—531,At,ril 1967. .5总结 本文提出了一种在空间通信网络背景下的认知干 扰/抗干扰博弈。文章假设认知干扰机能够同时监控所 有通信信道并使用“检测和干扰”策略来中断发射机和 接收机之间的通信。因为抗干扰发射机~接收机端使用 有限跳速的跳频,干扰/抗干扰问题被表示为二人零和 Q.Wang,P.Xu,K.R.en,and X.一Y.Li,“Delay—bounded adaptive ufhbased ntai-jamming wireless communication,’’ inProc.IEEE INFOCOM’11,2011,PP.1413—1421. Y.Wu,B.Wang,K.J.R.Liu,and T.C.Clancy,”An~ ti-Jamming Games in Multi——Channel Cogniitve Radio Networks.”IEEE loumal on Selected Areas irl Communi~ cations,Vo1.30,No.1,PP.1—12,Jan.2012 W.Arbaugh,“Improving the latency of the probe phase during 802.1 1 handoff,”online at http://www.umiacs. umd.edu/parmerships/ltsdocs/Arbaug talk2.pd ̄ 博弈来最大限度提高每段博弈时间数据传输的总量。它 同时考虑到干扰检测器的检测速度和空间通信中传输 时延的影响。为了检测信道的数据传输,假设干扰机使 用了滑窗能量检测器(SWED o发射机一接收机端对传 输功率有控制权,同时对虚警率有要求的干扰机对用于 检测的滑窗的长度有控制权。作为发射机一接收机端的 4 5 6 7 8 保守策略,最大最小博弈结果是在多种情况下获得的。】 】 J T.Shu and M.Krunz,“Throughput—efficient sequential channel sensing and probing in cognitive radio networks under sensing errors,”in Proc.MobiCom’09,2009,PP. 9 J 37-48. 】 1 D ● 对能决定博弈结果的三种因素(即两种路径的时延差、 发射机一接收机和发射机一干扰机一接收机、接收机一 I.F.Akyildiz et a1.“NeXt generation/aym ̄nic spectrum access/cogniive radito wireless networks:a survey,”Com— puter Networks,vo1.50,no.13,PP.2127—2159,Sep. 2006. 干扰机端信噪比比值和信道带宽)和发射机一接收机端 可实现信道效率进行分析。本文结果为评估干扰机对空 间通信链路的潜在影响提供了有效信息并为空间抗干 扰通信网络的发展提供了有效支撑。 X.Tian,Z.Tian,E.Blasch,K.Pham,D.Shen,G.Chen, “Performance Analysis of Sliing Window Energy Detec— dtion for Spectrum Sensing”,submitted to Journal of Computer Networks and Communications,2012. 参考文献 [1】J P Sflve ̄“Satellite Communications Tutorial",john@rifc. CO-uk 原题名:Jamming/Anti-jamming Game with a Cognitive Jammer in Space Communication 来源:Proceedings of SPIE—The International Soci— ety for Optical Engineering,May 201 2 【2】 M.O.Kolawole,[Satellite Communication Engineering], Marcel Dekker,Inc.2002. 翻审译:周华吉 校:杨红娃 【3】F.F.Digham,M.一S.Alouini andM.K.Simon,“Onthe energy detection of unknown signals over fading channels,” in Proc.of IEEE Intemation Conference on C0//111112nica— (上接第26页) 【6】 吕再兴.通信对抗中的干扰检测算法研究p].成都:电子 科技大学,2011. f 7】Kaplan E D,Hegarty C J.Understanding GPS:Principles nd Applaications[M】.Second Ediiton.Norwood,MA: Artech Housse,2006. 作者简介 高腾(1986-),男,博士,工程师,现从事卫星导航技术、 侦察干扰等方面的研究工作。 金晓帆(1989-),女,硕士,助理工程师,现从事卫星导航技 术、调零天线等方面的研究工作。 【8】 Spilker J J Jr,Parkinson B W.Global Posiitoning System: Theory and Applications fM】.Washington DC:Am ~ can Institute ofAeronautics and Astronautics,1996. 王李- ̄(-1978一),男,博士,研究员,现从事卫星导航技术、 侦察干扰等方面的研究工作。