舰载导航接收机变换域抗干扰技术研究

张道成，张正成

（解放军92785部队，秦皇岛066200）

0 引 言

人类进入了信息社会后，对地理信息的需求非常普遍。卫星定位系统已成为继通信、互联网之后的第3个IT新增长点，全球卫星定位技术的应用也日益广泛。在民用以及军用领域都大规模运用了全球定位系统（GPS）［1］，在各国海军的装备发展中发挥了越来越重要的作用，为在现代战争中有效打击敌舰提供了不可替代的作用。

1 抗干扰技术的发展概况

现代海战中，舰艇的及时定位成为海战能否胜利的一个重要因素，但是现实过程中，由于接收卫星信号弱，所以非常容易受到干扰。除了在战争中可能面对敌方专门干扰机的故意干扰，自然界所发生的一些现象也会引起信号干扰。一旦卫星信号被干扰就可能中断其使用，使定位误差增大甚至完全无法实现导航功能［2］。通常信号处理干扰抑制技术可分成3种：时域的滤波器处理技术、变换域处理技术和空域自适应滤波技术。

2 变换域抗干扰技术原理

变换域抗干扰技术的优点在于一次变换中能够同时抑制多个干扰且可进行快速自适应调整，因而适用于干扰特性未知且统计特性变化较快的环境。变换域处理技术主要利用扩频信号、背景噪声和窄带干扰不同的频域表现特征来去除干扰信号，扩频信号和白噪声的频谱相对比较平坦，而窄带干扰信号的频谱往往表现为很高很窄，从而可以在频域识别存在干扰的谱线，并可以通过相应的处理来去除干扰。

不同的变换域抗干扰算法的主要区别在于变换基的选择、干扰检测和谱线处理等。变换基包括Walsh－Hadamard 变 换、Karhumen－Loeve 变 换（KLT）、离散Fourier变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）和小波变换（DWT）等。目前基于DFT的频域干扰抑制方法应用最广泛，可以处理多干扰的情况，并且能快速适应。DFT变换的旁瓣衰减只有－13dB，存在严重的频谱泄漏，远远不能满足实际系统中抗强干扰的要求。通过时域加窗可以改善DFT变换的频谱特性，但同时会对有用信号产生失真，引入一定的信噪比损失。

在变换域窄带干扰抑制技术中，对干扰信号的处理是一个关键问题。常见的处理方法有域值方法、K谱线方法、中值滤波方法、权值泄漏方法等等。域值法与K谱线法对变换域中各分量或者保留，或者剔除。这涉及到干扰域值的估计问题。域值太低，有用信号损失太大造成严重失真；域值太高，则干扰残余过多，造成信噪比下降。

变换域技术大多属于开环自适应技术，因而能快速处理干扰，对干扰统计特性的变化能做出快速反应。与时域预测技术相比，变换域技术具有处理速度快的优点，更适用于快速变化干扰情况［3］，由于变化域技术不可避免的窄带干扰频谱泄漏以及变换域中处理干扰时不可避免地同时对有用信号造成损伤，所以，变换域技术对干扰带宽、样式和参数敏感。

3 变换域中的抗干扰研究与实现

当前信号处理中，由于FFT变换应用较多，技术成熟，在导航接收机抗干扰算法中可以直接应用，所以变换域采用频域变换FFT，这就涉及FFT点数的选取、是否加窗以及门限的选取。

3.1 信号加窗效果对比

快速离散傅立叶变换（FFT）隐含了对长度为N的截断序列进行周期拓展，如果截断后序列在边界不连续，经过周期拓展之后的波形在边界将出现“阶跃”，从而导致信号经过变换之后出现频谱泄漏，使得窄带干扰的能量对临近的频谱产生严重的“污染”。减轻FFT变换频谱泄漏常用的方法是对截断的数据序列加窗，加窗的作用是对截断序列的边界进行平滑，但是在降低窄带干扰旁瓣、取得好的频谱特性的同时，也对有用信号产生一定的失真，引起扩频信号的信噪比损失。

从图1中可以看出，当信号加窗后，频谱明显收敛，这对于频域抗干扰有着十分重要的意义。频域抗干扰的主要思想是在选定门限后，将高于门限部分滤除，如果频谱分散将会使得滤除信号过多，信号损失严重；加窗后会带来明显改善。但是加窗也会带来一定问题，从时域图中可以看出，加窗会对时域信号产生较严重的畸变，因此采用重叠加窗补偿的方法来弥补这一损失。

图1 信号加窗效果比对

3.2 FFT点数不同

由图2（b）可以看出，FFT点数越多，干扰频谱越集中，同时消耗资源也就越大，4 096点FFT与1 024点FFT从图2（a）中基本看不出区别。因此，从节省资源角度考虑选取1 024点。

3.3 门限选取仿真

最直接的变换域干扰检测方法是门限处理法，即设定一个干扰检测门限，将变换后各子带的谱线幅度与预先设计的门限进行比较，如果谱线幅度大于门限，则认为该子带存在干扰，对其进行进一步的处理；否则认为该子带没有干扰，不对其进行处理。基于门限检测的窄带干扰抑制技术中，干扰检测门限的设计是算法的关键。根据其原理，用谱线幅度平方和的平均值。如果门限选取过大，可能漏掉一些干扰；如果门限选取过小，可能误将信号当干扰去掉，对信号损失很大。因此，当干扰变化时，门限也应及时调整，需实时统计更新。FFT抗干扰结果如图3所示。

假定导航系统的信号带宽为20MHz，接收机的热噪声为－101dBm。如果导航信号到达地面的功率电平为－130dBm，那么接收机输入信号的信噪比就是－29dB。导航信号频点民码长度为10 230，插值滤波器阶数取31阶，当只有导航信号（功率为－130～－110dBm），无干扰信号，输出信噪比与理论信噪比比较情况如图4所示。

图2 1 024点FFT与4 096点FFT对比

图3 FFT抗干扰结果

图4 滤波器输出信噪比与理论信噪比比较

由图4可知，在无干扰情况下，滤波器输出信噪比与理论信噪比基本一致，比理论值低大约0.3dB，这是由于滤波器的引入会带来噪声所造成的，所以要比理论值低一些。当导航信号中存在干扰信号，导航信号功率为－120dBm，干信比为30～70dB，干扰信号频率为46.52MHz，信噪比的改善情况如图5所示。

图5 抗干扰后信噪比的改善情况

由图5可知，随着干信比的提高，信噪比的改善幅度越来越大，但是输出信噪比几乎保持不变，当干信比大于60dB后，稍稍有些下降。造成这种现象的原因是，随着干信比的提高，信干噪比越来越小，但由于滤波器的引入，将干扰滤除，使得输出的信噪比几乎保持不变，这也就使得信噪比的改善幅度越来越大。当干信比大约为60dB时，由于滤波抗干扰所能抵抗的干扰大小有限，超过一定大小，信噪比会随之降低。

4 结束语

本文利用变换域滤波的原理，实现了基于舰艇的导航接收机的抗干扰仿真，试验结果表明，在采用变换域抗干扰算法后，接收机的抗干扰能力得到了一定的提升。

［1］Plausinaitis Darius.GPS and others GNSS signals.Department of Electronic Systems［D］.Alborg，Danmark：Alborg University，2006.

［2］张莉敏，石卫平.世界卫星导航定位系统的发展与我国的对策［J］，2004（2）：127－134.

［3］张春海，薛丽君，张尔扬.基于自适应多门限算法的变换域窄带干扰抑制［J］.电子与信息学报，2006，28（3）：79－83.