GNSS幹擾信號多級辨識檢測系統及方法與流程
2023-06-15 23:45:56 1
本發明屬於gnss幹擾信號檢測領域，具體涉及一種gnss幹擾信號的多級辨識檢測系統及方法。
背景技術：
物聯網、智能設備的飛速發展，促使人們對定位導航技術的可靠性提出更高的要求。全球衛星導航系統(globalnavigationsatellitesystem,gnss)作為日常生活中廣泛應用的定位系統，其可靠性卻受到諸多因素的影響。衛星信號經過兩萬多公裡的距離傳播到地面，功率只有-130dbm，很容易受到各種有意或無意的幹擾。這些幹擾又分為欺騙幹擾和壓制式幹擾兩類。欺騙式幹擾是發射與衛星信號相似的的幹擾信號欺騙接收機，使接收機解算出錯誤的定位信息；而壓制式幹擾則是通過大功率的帶內噪聲、連續波、掃頻波等幹擾信號壓制衛星信號，使得gnss接收機無法正常工作。
在gnss幹擾檢測上，主要有採用能量檢測法、前端agc模塊的輸出等進行檢測幹擾的存在，但是卻不能檢測出幹擾的類型；也有採用改進的dft算法進行窄帶幹擾的檢測，但是檢測只適用用於窄帶幹擾；採用多相關器的方法可以進行信號質量的監測，但是對信號異常的原因也沒能進行實現。
基於相關器的輸出功率、載波相位波動、偽距變化等參數進行的自動幹擾檢測能夠進行高斯白噪、連續波、脈衝波等幹擾的檢測，但是檢測所需參數是在信號跟蹤部分，受捕獲成功率的限制，在檢測工作的可實現上還需要進一步研究。
總體上，目前大量的幹擾檢測技術使用範圍比較單一，在不同種類的壓制式幹擾和欺騙幹擾的檢測上，全面性還有所不足，不能實現多種幹擾的識別檢測。而幹擾檢測的最終目標是為了抑制幹擾，但是目前大量的幹擾抑制算法只針對性某一種或幾種幹擾具有良好的抑制效果，不能很好的對各種幹擾都進行抑制，因此在不能確定幹擾類型時很難準確全面地去抑制幹擾。因此具有幹擾辨識能力的檢測算法，也保證了後續對不同幹擾的抑制，為提高抑制方案的全面性打下基礎。
技術實現要素：
正常衛星信號在傳播的過程中，環境中的其他無線電波會發出各種連續波、掃頻波、噪聲等信號，因此，天線接收到的信號本身就帶有不同的幹擾。有些在固定頻段的幹擾可能在射頻前端處理的中頻階段就與正常信號不同，可以辨識；但是噪聲幹擾、欺騙幹擾等幹擾在前面環節是看不出來的，要到捕獲跟蹤階段才能發現和正常信號的區別。
基於上述考慮，本發明提出了一種gnss幹擾信號的多級辨識檢測技術。具體技術方案如下：
本發明公開一種gnss幹擾信號多級辨識檢測系統，包括射頻前端模塊、一級檢測器、捕獲處理模塊、二級檢測器、多通道跟蹤處理模塊、三級檢測器、幹擾判定模塊及定位解算模塊，其中，射頻前端模塊的輸入端連接衛星天線，射頻前端模塊的第一輸出端連接捕獲處理模塊的輸入端，第二輸出端連接一級檢測器的輸入端；捕獲處理模塊的第一輸出端連接多通道跟蹤處理模塊的輸入端，第二輸出端連接二級檢測器的輸入端；多通道跟蹤處理模塊的第一輸出端連接至定位解算模塊，第二輸出端連接至三級檢測器的輸入端；一級檢測器、二級檢測器和三級檢測器的輸出端均連接至幹擾判定模塊。
進一步的，一級檢測器用於檢測單頻或多頻幹擾信號，二級檢測器用於檢測噪聲幹擾信號和部分欺騙幹擾信號，三級檢測器用於檢測欺騙幹擾信號和脈衝幹擾信號。
進一步的，一級檢測器所採用的檢測算法是：通過提取中頻信號的時域變化值及頻域譜值，做差分和高階統計量後得到反應不同幹擾信號各自特點的特徵參數。如，一級檢測器提取從射頻前端模塊接收的中頻信號的時域和頻域，進行短時傅立葉變換，通過窗函數移動得到信號頻譜隨時間的變化規律，並從中提取幹擾信號的頻率。
進一步的，二級檢測器所採用的檢測算法是：通過提取信號在捕獲處理階段的參數，進行積分和差分處理後得到反應s2中未分辨的其他幹擾信號特點的特徵參數。如，二級檢測器通過增長相干積分和非相干積分的時間，以增大信號的信噪比，並通過配置積分時間進行噪聲幹擾的檢測。二級檢測器還用於檢測部分欺騙幹擾信號，採用多門限設置或多相關峰檢測能夠對欺騙距離較明顯的欺騙幹擾和互相關幹擾。
進一步的，二級檢測器還用於檢測部分欺騙幹擾信號。
進一步的，二級檢測算法採用多門限設置法或多相關峰法對部分欺騙幹擾進行檢測。
進一步的，三級檢測器所採用的檢測算法是：通過提取信號在跟蹤階段處理的參數，進行統計量計算和分布擬合後得到反應s2和s3中未分辨的剩餘幹擾信號特點的特徵參數。如，三級檢測器將從多通道跟蹤處理模塊接收到的信號與本地相關信號通過相關器進行採樣，並得到相鄰採樣點的曲線斜率，根據信號相關值的分布和信號相關曲線變化檢測欺騙信號和脈衝幹擾信號。
進一步的，射頻前端模塊被配置為將接收的衛星信號處理成中頻信號，射頻前端模塊包括帶通濾波器、放大器、混頻器、a/d轉換器及自動增益控制器。
本發明還公開一種gnss幹擾信號多級辨識檢測方法，包括以下步驟：
s1.天線接收到的衛星信號經過射頻前端模塊處理得到中頻信號，
s2.中頻信號經一級檢測器提取單頻幹擾或多頻幹擾的特徵參數，並輸入至幹擾判別模塊；
s3.s2中未檢測出幹擾信號，在捕獲階段經二級檢測器提取噪聲幹擾的特徵參數，並輸入至幹擾判別模塊；
s4.s2和s3中未檢測出幹擾信號，在跟蹤階段經三級檢測器提取脈衝幹擾和欺騙幹擾的特徵參數，並輸入至幹擾判別模塊；
s5.幹擾判別模塊將各級檢測器輸入進來的特徵參數與各類幹擾信號的公認的特徵進行比對，以檢測出最終的幹擾類型。若s2～s4中均未檢測出幹擾，則認為信號未受幹擾，直接進行定位解算。
進一步的，一級檢測器所採用的檢測算法是：通過提取中頻信號的時域變化值及頻域譜值，做差分和高階統計量後得到反應不同幹擾信號各自特點的特徵參數；二級檢測器所採用的檢測算法是：通過提取信號在捕獲處理階段的參數，進行積分和差分處理後得到反應s2中未分辨的其他幹擾信號特點的特徵參數；三級檢測器所採用的檢測算法是：通過提取信號在跟蹤階段處理的參數，進行統計量計算和分布擬合後得到反應s2和s3中未分辨的剩餘幹擾信號特點的特徵參數。
進一步的，經二級檢測器還可提取部分欺騙幹擾的特徵參數，並輸入至幹擾判別模塊。
進一步的，二級檢測算法採用多門限設置法或多相關峰法對部分欺騙幹擾進行檢測。
本發明所公開的gnss幹擾信號多級辨識檢測系統及方法具有以下有益效果：
1)綜合分析不同幹擾信號在接收機處理信號各個環節的影響特點，提取幹擾特徵參數，優化在每個環節的檢測算法，提高檢測的準確度。
2)與射頻前端對接收信號處理、基帶信號的捕獲和跟蹤階段(即接收機的處理解算信號)同步進行工作，保證了幹擾檢測的實時性、快速性和低成本的優勢。
3)流程檢測的方案具有後續環節對前面檢測環節的檢測結果進行修正和補缺的功能，複雜程度低，檢測結果的可信度高。
4)實現了從信號採集到信號解算的一套流程檢測方案，極大的削弱了幹擾對後續定位解算環節的影響能力，從而保證了接收機的抗幹擾能力和穩定性。
5)檢測出的幹擾類型能夠針對幹擾類型採取不同的幹擾檢測方案，提高系統抑制幹擾的成功率；同時，檢測出幹擾的類型，後續接收機的處理環節可以針對性的採用不同的策略減小幹擾的影響，提高定位解算的精度。
說明書附圖
圖1為gnss幹擾信號的多級辨識檢測系統框圖
具體實施方式
如圖1所示，gnss幹擾信號的多級辨識檢測系統的環路結構如下：
天線接收到衛星信號輸入到接收機的射頻前端，前端的輸出分為兩路：一路輸入到一級檢測器，一級檢測器的輸出輸入到幹擾判定模塊；另一路前端處理的輸出輸入到捕獲處理模塊。捕獲的輸出也分為兩路：一路輸入到二級檢測器，二級檢測器的輸出輸入到幹擾判定模塊；另一路捕獲處理的輸出輸入到多通道跟蹤處理模塊。跟蹤處理模塊的輸出同樣分為兩路：一路輸入到三級檢測器，三級檢測器的輸出輸入到幹擾判定模塊；另一路跟蹤處理的輸出輸入到定位解算模塊。最後幹擾判定模塊輸出gnss的幹擾類型。
三個級別提取信號中對應的幹擾類型的特徵參數，輸入到幹擾判定模塊後統一進行處理和判定，最終得到幹擾的類型。
gnss幹擾信號的多級辨識檢測系統的工作原理包括如下兩個階段：
第一階段是各級檢測算法的確定：
s11、在gnss軟體接收機的信號處理過程基礎上，拓展改進信號處理的過程進行gnss幹擾信號的檢測；
s12、提取中頻信號的時域變化值及頻域譜值，做差分和高階統計量後得到反應不同幹擾信號各自的特點的檢測參數，確認一級檢測算法；
s13、提取信號在捕獲處理階段的參數，進行積分和差分處理後得到s12中未分辨的其他幹擾的特性的檢測參數，確認二級檢測算法；
s14、提取信號在跟蹤階段處理的參數，進行統計量計算和分布擬合後得到s12和s13中為分辨的剩餘幹擾的特性的檢測參數，確認三級檢測算法。
第二階段是基於第一階段確定的各級檢測算法，進行幹擾類型的判定：
s21、天線接收到的衛星信號經過射頻前端的處理得到中頻信號，中頻信號經過第一階段s12所確定的一級檢測算法提取出單頻幹擾、多頻幹擾的不同參數，與幹擾判別模塊的信號模型比較進行類型判定；
s22、s21中若未檢測出幹擾信號，在捕獲階段，利用第一階段s13所確定的二級檢測算法的參數，再次由幹擾判別模塊進行幹擾類別的檢測識別，可以辨別出噪聲幹擾和部分欺騙幹擾；
s23、s22中若未檢測出幹擾信號，在跟蹤階段，幹擾判別模塊處理第一階段s14所確定的三級檢測算法的參數，進行幹擾信號的檢測，可辨別出脈衝幹擾和欺騙幹擾；
s24、若s21、s22和s23中均未檢測出幹擾，則認為信號未受幹擾，直接進行定位解算。
在以上步驟中，一、二、三級檢測器提供的是各種信號的初步檢測參數，而幹擾判定模塊是根據各級檢測器輸入進來的提取到的各種信號特徵參數與幹擾判別模塊的信號模型進行幹擾信號特徵類型的比對，進行最終的幹擾類型檢測。即，若輸入的特徵參數與某種幹擾信號的公認的特徵相符，則認為輸入信號中含有此類幹擾。
例如，一級檢測發現信號中頻處的頻譜變化很大，在誤差容許範圍外，則將該中頻頻譜值輸入到幹擾檢測模塊；二級檢測模塊中未發現異常，輸入0至幹擾判定模塊；三級檢測模塊中發現信號即時相關值呈周期性失鎖，則將周期t輸入到幹擾判定模塊。最終幹擾判定模塊根據三組參數判別：一級檢測中檢測出了頻率對準信號頻率的連續波幹擾，二級檢測中未發現幹擾，三級檢測中存在周期為t的脈衝幹擾。故，可以得到信號中主要受到了連續波和脈衝兩種幹擾，即信號中存在單頻幹擾信號和脈衝幹擾信號。
基於上述原理，gnss幹擾信號的多級辨識檢測系統中各級別所採用的檢測算法如下：
一級檢測算法：將從射頻前端處理後得到的數字中頻信號進行短時傅立葉變換(stft)，同時觀察信號的時域和頻域特徵，得到幹擾在時域和頻域上的影響情況，在時域上的明顯增大，在頻域上某段頻率處的頻譜增大，依次來確定幹擾的頻率點或頻率段。
經過射頻前端處理後得到的數字中頻信號sif(n)為：
式中，衛星i的中頻信號為：
式中，n代表離散信號的時間序列，t代表的是傳播時間延時，a為信號的幅值，c(n)為衛星播發的c/a碼，d(n)為導航數據碼，ωif為信號的中頻，θ為相位偏移，τ是傳播延時，n(n)為信號中的傳播誤差和噪聲，j(n)是信號受到的幹擾信號，如連續波幹擾、掃頻幹擾、帶限噪聲、脈衝幹擾、欺騙幹擾等。
短時傅立葉變換能夠同時觀測到信號的時域和頻域特徵，得到更多的信息量，更好的觀測信號特徵，因此將(1)式進行短時傅立葉變換:
式中，ω(n)為窗函數，m為離散時間序列。通過窗函數移動，得到信號頻譜隨時間n的變化規律。從中提取幹擾信號的頻率，能夠進行單頻或多頻幹擾的檢測。
二級檢測算法：增長相干積分和非相干積分的時間，能夠增大信號的信噪比，通過合理配置積分時間，進行噪聲幹擾的檢測。具體的，當捕獲的積分時間較短時，噪聲比較明顯，甚至有些信號被噪聲淹沒，通過增大相干積分和非相干積分的時間，捕獲的成功率會提高，由此檢測出噪聲幹擾。
多門限設置和多相關峰檢測能夠對欺騙距離較明顯的欺騙幹擾和互相關幹擾進行檢測。故，二級檢測算法還可以結合了多門限設置法和和多相關峰法以對欺騙幹擾和互相關幹擾進行檢測。
其中，多門限設置方法是：接收機搜索先搜索44db·hz的正常強度的衛星信號，在降低捕獲門限去搜索39db·hz以上的弱信號，若在檢測弱信號的過程中發現其都卜勒頻移與之前已捕獲到的強信號的頻移相差1khz的整數倍，則該信號可能是欺騙信號或互相干幹擾。類似逐步降低檢測門限，逐漸搜索各級弱信號。
因為多相關峰法和多門限法原理近似，這裡不再贅述。
三級檢測算法：收到從捕獲模塊輸出的信號x1(t)，與本地估計的與輸入信號類似的信號通過即時相關器，即0延時相關器進行相關操作，得到相關函數為
另外，本地產生了相對輸入信號δτ和2δτ等延時的其他復現信號，輸入信號同時與延時信號通過對應的延時相關器進行相關操作，得到相關值：
不同延時信號對應了不同的採樣點，因此根據不同延時的相關器輸出的相關值，可以得到相鄰採樣點的曲線斜率：
lr1＝rr1-r0，lr2＝rr2-r1(7)
根據不同延時的相關值擬合出相關曲線，根據斜率判斷等判斷信號相關曲線的對稱性、平滑性等，相關曲線若左右不對稱、或斜率出現多次跳變則說明信號中存在欺騙幹擾；若即時相關值的分布不符合正態分布，且存在周期性的失鎖跳變，則說明存在脈衝幹擾信號。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例，並非本發明任何形式上和實質上的限值，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明方法的前提下，還將可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應視為本發明的保護範圍。凡熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，當可利用以上所揭示的技術內容而做出的些許更動、修飾與演變的等同變化，均為本發明的等效實施例；同時，凡依據本發明的實質技術對上述實施例所做的任何等同變化的更動、修飾與演變，均仍屬於本發明的技術方案的範圍內。