卫星导航干扰检测技术研究

李圣军

摘要：复杂电磁环境会对卫星导航接收机定位性能造成严重影响，尤其在干扰情况下，将导致卫星导航接收机无法正常工作。当前，卫星导航接收机干扰检测技术主要集中在时频联合域分析（Joint Time-Frequency Analysis， JTFA）方面，如，短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform ，ST FT）和Wigner-Ville分布（Wigner–Ville Distribution，WVD），本文聚焦将STFT和WVD，分析其对扫频干扰的影响。

关键词：全球卫星導航系统;干扰检测;STFT;WVD

中图分类号： TP3      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）16-0250-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

全球卫星导航系统在全世界广泛的应用，如美国的GPS[1]、欧盟的伽利略系统[2]、中国的北斗[3]，高性能的GNSS接收机都致力于增加其完整性、可用性、准确性、和服务的完整性。特别是在生命安全（Safety Of Life，SOL）应用中（例如，在飞机着陆期间需要的准确性）。高精度定位和可靠的SOL服务代表了即将推出的卫星导航系统的主要挑战。但是由于无线电密切的使用到时频谱资源的使用相当的饱和，导致GNSS信号容易受到干扰的影响而无法正常[4]，所以干扰检测和缓解已成为制约GNSS发展的一个重要问题，本文从信号处理在时频域角度来分析[5]，传统的短时傅里叶变换和谱图分析[6]存在时频分辨率权衡的问题，而时频分辨率较好的Winger-Ville分布，表现出良好的时频聚集特性，但是存在交叉干扰项问题。因此本文提出采用分数阶时频分析能够更好用于卫星导航干扰检测并抑制噪声影响。

1 系统模型

系统中需要处理的信号是来自接收机射频前端下变频A/D转换后的中频数字信号。接收机前端通过天线接收到GPS信号后，首先经过前置滤波器和放大器处理后，再与本地振荡器产生的正弦本振信号进行混频而下变频成模拟中频信号，然后进行模数转换形成数字信号中频信号。再叠加上干扰信号后，形成带噪信号进入干扰检测模块后，最后再被软件接收机接收。

1.1 GNSS信号模型

在有电磁干扰的环境下GNSS接收机接收到的信号，可以写为：

其中[rit]表示在视线范围内接收到来自第[i]个卫星的信号，[Ns]表示卫星的个数，[jt]表示干扰信号，在接收到的信号中由于干扰信号类型不同，[jt]表示也不同。[ηt]表示均值为0的加性高斯白噪声（AWGN）。不同的卫星导航系统，接受到的[rit]也不同，以本文中讨论的GPS L1 信号为例，可以写成：

其中：

1.2 chirp信号模型

2 时频变换

时频分析即时频联合域分析是现代信号处理的一个热点，处理非平稳随机信号非常有效，其基本思想是通过设计时间和频率的联合函数，来同时描述信号在不同时间和频率的能量密度或强度。而联合函数被称为时频分布，通过时频分布可以分析信号在各个时刻的幅值和瞬时频率。

2.1 短时傅里叶变换

时频分析中最基础的方法是短时傅里叶变换，其基本思想是“时域局部化”，原理在于对待分析的信号加窗，得到较小的时间间隔，再对每个小间隔进行傅里叶变换，但是窗函数的选择也面临问题，时间间隔的大小难以选择，太大会导致效果不理想，太小会导致加窗后的频谱与原始信号频谱不相符，面对这些问题，需要更多的时频分析方法。短时傅里叶变换是在傅里叶变换的基础上加窗，假设[wt]为窗函数，[ω=2πf]为角频率的情况下，[st]的短时傅里叶变换可为

3 实验结果

在本节，将主要分析新提出的时频分析检测方法的性能。在实验中，采集到的GNSS信号参数如表1所示，表示由恒定的线性调频干扰破坏的零均值高斯噪声中的真实GPS L1信号，通常为GNSS接收机干扰检测的测试平台。

4 结论

本文提出一种用于卫星导航的分数阶时频分析干扰检测方法，在干扰场景下对GPS L1信号进行实验，与WVD、PWVD和谱图法进行综合性的性能对比。验证了WVD具有良好的时频分辨特性且明显优于谱图，但是其自身存在交叉干扰项难以抑制的问题 ，使其难以应用于时频域的干扰检测。而谱图法不存在交叉干扰项问题 ，但是时频分辨性太差也难用于干扰检测。为了保持良好的时频特性且不带来交叉干扰项问题。

参考文献：

[1] D. Borio， L. Camoriano， S. Savasta， and L. L. Presti. Time–frequency excision for GNSS application[J]. IEEE Syst. J.， Mar. 2008： 27–37.

[2] X. Ouyang and M. G. Amin.Short-time Fourier transform receiver for nonstationary interference excision in direct sequence spread spectrum communications[J] IEEE Trans. Signal Process， Apr. 2001： 851–863.

[3] 杨朝，徐慨，杨海亮.卫星通信干扰信号的检测方法[J].指挥控制与仿真，2016，38（6）：125-128.

[4] 李豹，许江宁，朱银兵，曹可劲，胡彦逢，李松林.卫星导航欺骗干扰技术研究进展[J].海洋测绘，2018，38（3）：69-72.

[5] 戴志春，刘文祥，封欣，孙广富.卫星导航信号捕获的一种高效相关算法[J].全球定位系统，2018，43（6）：33-36.

[6] 吴为，赖生建，邓建华，白志刚，陶炜，吴凌华.一种小型化北斗二代卫星导航系统收发模块的研制[J].中国测试，2016，42（2）：71-74.

【通联编辑：张薇】