《電子技術(shù)應(yīng)用》
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頻域干擾抑制技術(shù)對測量接收機(jī)測量精度影響
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
王振偉,,崔曉偉,,陸明泉
清華大學(xué) 電子工程系,北京100084
摘要: 選用門限檢測方式的頻域干擾抑制算法(FDIS),,將其應(yīng)用于測量型接收機(jī)中,。通過仿真,分析了不同干擾類型被抑制后信號(hào)的相關(guān)性變化,、環(huán)路測量精度變化,。仿真結(jié)果顯示,,頻域干擾抑制技術(shù)可以對干信比為50 dB的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制,。剔除干擾譜線會(huì)造成信號(hào)能量損失,不同類型干擾信號(hào)對測量精度影響程度存在差別,,窄帶干擾影響最大,。受到影響的測量值仍滿足精度要求。
中圖分類號(hào): TN965.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.027
中文引用格式: 王振偉,,崔曉偉,,陸明泉. 頻域干擾抑制技術(shù)對測量接收機(jī)測量精度影響[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,,41(7):96-99.
英文引用格式: Wang Zhenwei,,Cui Xiaowei,Lu Mingquan. The effect on measurement accuracy by frequency-domain interference suppression technique on surveying receiver[J].Application of Electronic Technique,,2015,,41(7):96-99.
The effect on measurement accuracy by frequency-domain interference suppression technique on surveying receiver
Wang Zhenwei,Cui Xiaowei,,Lu Mingquan
Department of Electrical Engineering,,Tsinghua University,Beijing 100084,,China
Abstract: A frequency-domain interference suppression(FDIS) technology with a threshold for interference detection is employed and applied to a surveying receiver in this thesis. By suppressing different interferences,,the correlation of signal and measurement accuracy of tracking loops is analyzed via simulations. The simulation results and analysis show that the FDIS can suppress the interference with jam-to-signal ratio 50 dB. The signal energy is lost while the spectral line is excised. The effect on measurement accuracy by different interferences is various, and the effect by narrowband interference is the most significant. The effected measured value still meets the accuracy requirement.
Key words : frequency domain interference suppression;measurement accuracy,;narrowband interference,;surveying receivers

   0 引言

    近幾年衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展較快,,全球已經(jīng)擁有四個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)航系統(tǒng),統(tǒng)稱為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,,GNSS),。相比早期單一系統(tǒng),GNSS為用戶提供了更多可用衛(wèi)星和可用信號(hào)頻點(diǎn),。測量型接收機(jī)在作業(yè)時(shí)需要持續(xù)穩(wěn)定接收衛(wèi)星信號(hào),,早期基于單一系統(tǒng)的測量型接收機(jī)會(huì)盡量選擇開闊、無遮擋的環(huán)境進(jìn)行作業(yè),,而GNSS為測量型接收機(jī)提供更多衛(wèi)星,、信號(hào)頻點(diǎn)數(shù)量,這使測量型接收機(jī)改善了解算精度,,同時(shí)擴(kuò)展了使用范圍,。目前測量型接收機(jī)用途十分廣泛,如工程測量,、工程形變監(jiān)測和資源勘查等,,隨著技術(shù)的不斷提高,其用途也發(fā)展到城市道路,、建筑工程測量等,,所以其作業(yè)環(huán)境很復(fù)雜,有時(shí)無法隨意選擇,,這就面臨著環(huán)境中的電磁干擾問題,。

    寬帶干擾在作業(yè)環(huán)境中不常見,多數(shù)為人為有意干擾,同時(shí)也很難在數(shù)字基帶部分有效濾除,。實(shí)際環(huán)境中常見的干擾形式為連續(xù)波干擾,、掃頻連續(xù)波干擾,白噪聲窄帶干擾等,,是作業(yè)中實(shí)際面對的電磁干擾類型,。本文將這幾種干擾類型作為抑制對象,研究濾波算法應(yīng)用后的影響,。

    導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾的方法較多,,如在天線、射頻,、基帶等不同環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn),,時(shí)域、空域,、頻域有不同算法處理等,,研究的關(guān)注點(diǎn)主要是干擾抑制能力強(qiáng)弱及對導(dǎo)航定位解算精度的影響,而位置解算精度主要是關(guān)注對偽距的影響程度。測量型接收機(jī)為提高位置精度,,主要采用載波觀測量,、差分解算的方式完成位置計(jì)算,如果因抗干擾而加入干擾濾波算法,,會(huì)對載波觀測量精度有何影響,,這是目前研究中很少關(guān)注的。

    本文通過仿真實(shí)驗(yàn),,在數(shù)字中頻信號(hào)中加入固定功率的干擾信號(hào),,使用頻域干擾抑制技術(shù)進(jìn)行抗干擾處理,分析干擾抑制后信號(hào)的相關(guān)性變化,;建立跟蹤模型,,跟蹤剔除干擾的信號(hào),分析碼環(huán),、載波環(huán)相位測量精度的變化情況,。

1 頻域干擾抑制技術(shù)

    頻域干擾抑制思路比較簡單,將信號(hào)進(jìn)行頻域變換,,在頻域內(nèi)分析信號(hào)及干擾的幅頻特性,,使用一定方法對確認(rèn)為干擾的譜線分量進(jìn)行抑制,達(dá)到消除干擾的目的,。頻域干擾抑制方法最簡單且常用的實(shí)現(xiàn)方式為設(shè)置檢測門限,,將超出門限值的譜線分量定為干擾部分并進(jìn)行處理。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過長距離傳輸后到達(dá)用戶端時(shí)衰減很大,,信號(hào)功率低于環(huán)境噪聲功率,,因此用戶接收的主要是白噪聲信號(hào),,而白噪聲的頻譜是平坦的,,這非常適合于使用門限檢測的方式進(jìn)行頻域干擾抑制處理。文獻(xiàn)[1]中提出了重疊選擇頻域干擾抑制方法,,并使用此方法對GPS信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理,,其核心思路如圖1所示。

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    主要組成部分為:時(shí)頻域變換(FFT/IFFT),、數(shù)據(jù)序列加窗,、干擾門限生成及干擾抑制、重疊合成結(jié)構(gòu),。

    時(shí)頻域變換部分主要是將需要處理的衛(wèi)星數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)換到頻域,,并對頻域譜線幅度進(jìn)行干擾分析及濾除,處理后的數(shù)據(jù)通過反變換的方式轉(zhuǎn)換到時(shí)域供后續(xù)處理部分使用,。數(shù)字時(shí)頻變換方法主要采用FFT/IFFT實(shí)現(xiàn),,設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮算法的計(jì)算量、資源消耗程度、計(jì)算點(diǎn)數(shù)幾個(gè)部分,。計(jì)算點(diǎn)數(shù)選取越多,,頻譜的分辨率越精確,消耗的資源或計(jì)算量越大,,因此可根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì),。

    由于FFT計(jì)算對數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理,相當(dāng)于乘以矩形窗函數(shù),,當(dāng)信號(hào)頻率點(diǎn)與FFT的分析頻率點(diǎn)不重合時(shí),,會(huì)引起信號(hào)頻譜泄露。處理頻譜泄露的方法就是使用窗函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán),,抑制其旁瓣幅度,。不同的窗函數(shù)具有不同的旁瓣衰減幅度,同時(shí)其主瓣寬度也發(fā)生變化,,當(dāng)旁瓣能量降低時(shí),,主瓣能量增加,主瓣寬度也將變寬,,如果是剔除干擾信號(hào),,將有更多的譜線被剔除[2]。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)需要抑制的干擾強(qiáng)度合理選擇窗函數(shù),,平衡主瓣寬度及旁瓣抑制能力的關(guān)系,。

    加窗可以抑制頻譜能量泄露,但因窗函數(shù)序列兩端平滑減小至零,,加權(quán)后會(huì)造成分塊數(shù)據(jù)在連接處的能量損失,,重疊合成處理就為解決這一問題。文獻(xiàn)[1]中采用兩路50%延遲重疊選擇的方法進(jìn)行信號(hào)能量補(bǔ)償,,50%延遲因計(jì)算量適中而使用較多,,合成結(jié)構(gòu)除重疊選擇外也可使用重疊相加的方式,且重疊相加可以獲得更小的能量損失[3],。

    干擾抑制算法采用N-sigma方法[1],,此方法利用信號(hào)的頻域幅度的統(tǒng)計(jì)值計(jì)算干擾抑制門限,計(jì)算公式如下:

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式中:μcale為對數(shù)譜線幅度均值,;σcale為對數(shù)譜線幅度標(biāo)準(zhǔn)差,;N為自適應(yīng)調(diào)節(jié)因子。

    N取值取決于幅度標(biāo)準(zhǔn)差σcale的值,,按不同情況將標(biāo)準(zhǔn)差劃分為預(yù)設(shè)的四個(gè)等級,,根據(jù)不同等級設(shè)計(jì)N為不同取值,當(dāng)干擾功率越強(qiáng),、干擾數(shù)量增多時(shí),,綜合信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)較大,此時(shí)N取值較小,反之當(dāng)干擾功率較弱時(shí),,標(biāo)準(zhǔn)差也會(huì)變小,,此時(shí)N取值較大,確保包含全部有用信號(hào),。計(jì)算公式如下,。

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    抑制技術(shù)可以選用直接置零或等比例鉗位兩種方法,直接置零方式將引起較多的信號(hào)能量損失,,等比例鉗位方式雖然可以減少信號(hào)能量損失,,但也會(huì)殘留干擾信號(hào)能量,相位信息也將受到干擾,,會(huì)對后期信號(hào)誤碼率產(chǎn)生一定影響,。

    本文仿真中設(shè)計(jì)的頻域干擾抑制方法參數(shù)如表1。

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2 信號(hào)相關(guān)性仿真

2.1 信號(hào)及干擾模型

    衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理上是一個(gè)基于碼分多址的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng),,無噪聲的輸入信號(hào)可表述為:

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式中:A為信號(hào)幅度,,D為調(diào)制信息碼,C為偽隨機(jī)碼,,f為載波頻率,,θ為信號(hào)相位。

    數(shù)字化的輸入信號(hào)在移除多普勒值后其序列相關(guān)函數(shù)如式(4)所示[4]

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式中:N為序列長度,;Tc為偽碼碼寬,;τ為序列時(shí)延。

    即序列延時(shí)在正負(fù)一個(gè)碼片內(nèi)的自相關(guān)峰為三角函數(shù)形式,。

    最常見干擾形式為窄帶干擾,,單音干擾是窄帶干擾的一種特殊形式,其模型可表述為:

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    通過調(diào)整參數(shù)Aj1,、fj可改變干擾信號(hào)的功率和干擾頻點(diǎn)位置,。

    窄帶干擾可由高斯白噪聲通過一個(gè)窄帶數(shù)字濾波器來產(chǎn)生,窄帶數(shù)字濾波器可用M階自回歸(AR)模型實(shí)現(xiàn),。干擾信號(hào)表達(dá)式為[5]

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2.2 相關(guān)性仿真

    圖2所示為頻域?yàn)V波后信號(hào)相關(guān)性仿真流程,,無噪聲信號(hào)與干擾信號(hào)合成后送入頻域干擾抑制模塊,,經(jīng)干擾分析抑制后與本地載波混頻,,分析去除干擾后信號(hào)的相關(guān)性變化。

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    仿真條件為:輸入信號(hào)偽碼速率10.23 MHz,;采樣率21 MHz,;信噪比-30 dB;干信比50 dB,;仿真時(shí)間1 ms,。

    輸入信號(hào)為不同中心頻點(diǎn)的窄帶干擾:窄帶截止帶寬1.2 MHz(7.3~8.5),通帶帶寬1 MHz(7.4~8.4);窄帶截止帶寬1.2 MHz(2.0~3.2),,通帶帶寬1 MHz(2.1~3.10,。干擾中心頻點(diǎn)在不同位置時(shí)相關(guān)性與原信號(hào)相關(guān)性比對如圖3所示。

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    從圖3可以看出,,當(dāng)窄帶信號(hào)中心頻點(diǎn)離信號(hào)中心頻點(diǎn)近時(shí),,相關(guān)峰能量損失更多,且曲線的旁瓣上升較大,,即信號(hào)的低頻部分能量較高,,且低頻部分決定信號(hào)單脈寬內(nèi)的幅度平坦程度;而高頻部分能量占比相對減少,,高頻部分更多影響信號(hào)脈寬的邊沿陡峭程度,。

    圖4所示為不同帶寬窄帶干擾影響比對。窄帶通帶起點(diǎn)2.1 MHz,;過渡帶寬度0.1 MHz,;帶寬取值為0.3 MHz、0.6 MHz,、0.9 MHz,、1.2 MHz。從圖中可以看出,,窄帶干擾時(shí)相關(guān)峰損失較大,,因窄帶干擾頻點(diǎn)接近信號(hào)中心頻點(diǎn),信號(hào)低頻譜線損失較多,,所以旁瓣較高,,其中0.3 MHz帶寬時(shí)信號(hào)能量損失較大,原因是其帶寬較窄,,加窗后干擾旁瓣能量抑制不理想,,而設(shè)置的分段加權(quán)因子在此條件時(shí)較小,導(dǎo)致生成門限較低,,將窄帶干擾外的一部分有用信號(hào)剔除所致,。

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    圖5為不同類型信號(hào)經(jīng)過干擾抑制模塊后信號(hào)相關(guān)峰的變化,輸入類型為無干擾信號(hào),、信號(hào)+高斯白噪聲,、單音信號(hào)、窄帶信號(hào),。在沒有干擾及白噪聲時(shí),,信號(hào)的相關(guān)峰值最高;當(dāng)含有白噪聲后信號(hào)的相關(guān)峰值下降,,旁瓣能量升高,,這主要是受到噪聲影響,,信號(hào)延時(shí)超過一個(gè)碼片后的正交性變差,其主瓣,、旁瓣兩側(cè)不對稱,,是因?yàn)椴蓸宇l率稍大于信號(hào)頻率2倍,采樣點(diǎn)相位受噪聲影響較大,,在一次積分時(shí)間內(nèi)樣點(diǎn)的相關(guān)曲線會(huì)有較大的波動(dòng),;單音干擾抑制后相關(guān)峰值有所下降,但其旁瓣較??;窄帶干擾抑制后旁瓣左右對稱,旁瓣能量有較大增長,,最大旁瓣能量與含白噪聲時(shí)的旁瓣接近,。

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3 環(huán)路測量精度仿真

3.1 仿真模型

    添加跟蹤環(huán)路模型,仿真流程變化如圖6所示,。

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    為進(jìn)行環(huán)路仿真,,對仿真模型進(jìn)行修改,添加噪聲項(xiàng)干擾,,輸入信號(hào)模型變化為:sin(t)=s(t)+n(t)+j(t),,其中n(t)為加性高斯白噪聲。

    碼環(huán)選用二階非相干超前減滯后延遲鎖定環(huán),,鑒相器表示[6]

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式中|E|,、|L|為超前、滯后支路的相干積分幅值,;d為超前滯后支路碼片間隔,。

    噪聲帶寬與濾波器振蕩頻率關(guān)系式為Bn0(4ζ2+1)/(8ζ),ζ為阻尼系數(shù),。

    載波環(huán)選用三階科斯塔斯鎖相環(huán),,鑒相器表示為:

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    噪聲帶寬與濾波器振蕩頻率關(guān)系式Bn0/1.2。

    穩(wěn)定跟蹤時(shí)環(huán)路參數(shù)選擇為:載波環(huán)噪聲帶寬12 Hz,;碼環(huán)噪聲帶寬0.2 Hz,;碼環(huán)超前滯后間隔1碼片;環(huán)路積分時(shí)間1 ms,。

    可使用熱噪聲估算公式計(jì)算環(huán)路測量精度大小,,載波環(huán)熱噪聲估算公式為[7]

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式中:載噪比C/N0值約43 dBHz(信噪比-30 dB、帶寬21 MHz),;Bfe為射頻帶寬取值21 MHz,;TC為偽碼序列碼片寬度,約97.75 ns,。

3.2 仿真結(jié)果

    選用不同干擾信號(hào)作為輸入條件,,通過計(jì)算測量歷元輸入信號(hào)與本地信號(hào)偽碼、載波的相位差值,,分析碼環(huán),、載波環(huán)的測量精度。

    選取的干擾類型為連續(xù)波干擾(CWI),、掃頻干擾(SFI),、1 MHz寬度的窄帶干擾(NBI)。其中CWI頻點(diǎn)2.140 223 MHz,;SFI起點(diǎn)2.140 223 MHz,,掃頻速率40 kHz;NBI起點(diǎn)2.1 MHz,,通帶帶寬1 MHz,。

    仿真時(shí)間為30 s,測量條件為:信號(hào)無干擾無FDIS模塊,、信號(hào)無干擾有FDIS模塊,、連續(xù)波干擾、掃頻干擾,、窄帶干擾5種條件,。測量誤差統(tǒng)計(jì)值如表2。

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    由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出:(1)偽碼,、載波測量精度在不同條件時(shí)與理論估計(jì)結(jié)果近似,;(2)偽碼測量誤差隨測量條件變化逐漸放大,最差為窄帶干擾條件,;(3)載波測量誤差只有窄帶時(shí)存在較明顯不同,;(4)載噪比估計(jì)值在窄帶干擾時(shí)有明顯下降,其余干擾條件時(shí)存在小幅度下降,。

4 結(jié)論

    由信號(hào)相關(guān)性仿真可知,,窄帶干擾位置不同影響不同,當(dāng)接近信號(hào)中心頻點(diǎn)時(shí)干擾影響增大,;窄帶干擾比連續(xù)波干擾造成更多的相關(guān)功率損失,,且旁瓣功率增高。

    由環(huán)路仿真結(jié)果可知,,窄帶干擾對偽碼,、載波的測量精度、載噪比影響最大,;偽距測量精度隨干擾形式有逐漸變差的趨勢,;載波測量精度在仿真條件下影響較小。

    在典型的仿真條件下,,頻域干擾抑制技術(shù)可以對設(shè)定干信比為50 dB的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制,,對濾除干擾后的信號(hào)進(jìn)行跟蹤,,因剔除干擾譜線造成的信號(hào)能量損失,會(huì)引起測量精度的惡化,,但變化程度不大,,可以滿足1/100相位精度要求,因此干擾抑制算法可以應(yīng)用于測量型接收機(jī)中,。

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