减轻卫星信号接收器中干扰的方法和设备维护

1 引言

处于空间轨道当中运行的GNSS卫星，在地面所接收到的信号非常弱，所以势必会受到外界各种因素的干扰，所以必须要采取有效的手段抑制这些干扰信号，确保卫星接收机工作正常[1]。在GNSS接收机中，抑制干扰的主要方法之一就是进行自适应阵列处理[2]。在自适应算法的基础上调整阵列加权系数，并借助空域特征区分干扰和信号，在信号方位可以直接形成对应的波束，所以干扰处可以出现零缺陷[3]。如果已经知道了信号导向矢量，在传统波束的影响下，将会出现最小方差无畸变波束形成算法等来避免形成干扰因素。在GNSS导航的应用领域实际上无法正常使用自适应波束形成算法的。

估算卫星定位的过程可以通过GNSS信号中的历史信息得以实现[4]。但实际上，如果处于干扰环境下，是很难获取历史数据的。整理归纳GNSS接收机当中的存储历史，从而能够递推出相应的卫星方位，但需要注意的是，无法确保最终结果的一致性。同时，由于各方面因素的显著干扰，会造成GNSS接收机平台出现问题，很难通过卫星定位的方式确定GNSS信号导向矢量。信号导向矢量的精确性实际上是自适应波束形成算法的关键内容，否则将会造成严重的指向偏差，甚至导致信号能力的损失，阻碍接收机的正常运行过程。现阶段，已经出现了很多不需要信号导向矢量的自适应波束形成算法，在无需信号导向矢量时，通过功率倒置法可对强功率干扰进行有效抑制，但在进行弱干扰抑制时，其能力有限[5]。基于此，本文对减轻卫星信号接收器中干扰的方法进行了分析研究，并提出对卫星接收器设备进行维护。

2 阵列信号模型

对于单频信号而言，通过传播波的波动方程，可得到如公式(1)所示的波的表达式：

s(r,t)=Aexp[j(ωt-KTr)]

(1)

公式中，波传播路径矢量用表示，其中字母A、k分别表示复振幅和波束矢量，k的单位表示为弧度/米，单位波长的周期数即为其实际大小。

由于阵列会同时接收多个信号，假设此时共K颗GNSS卫星信号被接收到，有P个干扰被接收到，变频和采样后所得到的信号如公式(2)所示。

(2)

公式中，第k个信号的导向矢量用ak表示，接收到的第k个GNSS信号的功率为Pk，dk(n)当中的k表示的为导航电文，gk(n)、θk、ωk分别指的是扩频序列、载波相位以及第k个卫星信号的多普勒的中频频率。第j个干扰为ij(n)，噪声为v(n)。

3 基于自相关的波束形成算法

在常见的GNSS接收机结构中，由PLL和DLL等相关硬件能够捕获、跟踪GNSS信号接收机所收到的信号，并采取解算处理的方式将其实现，GNSS信号信噪比对其捕获和定位过程将产生极大影响，如果信噪比较低，此时其定位精度将出现混乱现象。信号信噪比损失是干扰抑制过程中需要强调的重要内容。在抑制干扰的过程中，GNSS信号信噪比的最大值出现在输出过程当中。可用公式(3)表示接收信号x(n)的协方差矩阵：

(3)

公式中，所表示的内容为噪声功率，GNSS接收机能够接收到-20 dB的信号信噪比，因此通过忽略处理的手段整合GNSS在协方差矩阵Rx中的自相关值，对于接收信号x(n)估计的协方差矩阵来说，干扰和噪声是非常关键的两个主要部分，如公式(4)所示。

(4)

对于PRN1卫星发射的GNSS信号而言，在处理时，GNSS接收机产生的参考信号要与PRN1卫星对应，其表达式见公式(5)：

r1(n)=g1(n)cos(ω1n)

(5)

公式中，PRN1卫星对应的扩频序列为g1(n)，用公式(6)表示参考信号r1(n)和接收信号x(n)的相关值c(m)：

(6)

公式中，第i个阵元收到的信号为xi(n)，i=1,2,···,N，积分长度为T。构造向量c(m)=[c1(m),c2(m),…,cN(m)]T。使用的扩频序列，GNSS信号具有非常强的自相关性，互相关性较差，因此在相关值c(m)中，因扩频增益，PRN1卫星信号功率增大。

(7)

在公式(7)中，输出信干噪比为是干扰加噪声输出功率，对任意权矢量W，不等式(8)成立：

(8)

因此，在公式(8)中，最大化输出信干噪比等价于优化目标，矩阵对(C,Rx)的最大广义特征值对应的特征矢量为最优权，见公式(9)：

CWopt=λmaxRxWopt

(9)

公式中，矩阵对(C,Rx)的最大广义特征值为λmax，λmax对应的特征矢量为Wopt。在本算法中。GNSS接收机具有并行处理通道的能力，不同的接收机通道与参考信号是相互对应的，按照上述内容能够对卫星信号干扰抑制的过程进行实现，满足定位和结算等相关过程。

4 算法实施及性能分析

4.1 符号翻转对所提方法性能影响及抑制方法

本研究当中存在的算法必须制定与之相适应的相关值矢量的协方差矩阵Rc,1，从而实现估算的过程，如果协方差矩阵估计性能损失没有达到3 dB时，此时需要增强协方差矩阵的系统自由度，将其扩展至2倍以上，所以，在对Rc,1进行估算时，首先需要获得充足的相关值样本。导航电文信息包含在GNSS信号中，在计算公式(6)当中的相关值时，如果对导航电文符号进行翻转，此时将会不断衰减扩频序列，对最终得到的估算结果造成显著影响。将相关值峰值的有效性充分展现出来，对最终结果进行估算，如果反转符号，此时可以有效确保协方差矩阵的正常运行。假设当前已经获得了GNSS信号，最终得出公式(10)：

(10)

公式中，T0表示完整码序列的长度。在公式(10)当中融入公式(2)的接收信号可以得到：

(11)

综合分析GNSS卫星PRN1信号和参考信号的相关值，在信号接收过程中要重视其他信号的分量，从而简化其形式，最终能够得到公式(12)：

(12)

因将r1(n)=g1(n)cos(ω1n)代入公式(12)，得到公式(13)：

(g1(n)cos(ω1n))*

(13)

因相关值峰值是参考信号完全与GNSS信号匹配的结果，在GNSS信号内，符号翻转不会发生，因此可得：

(14)

则协方差矩阵为：

(15)

因此，使用相关值峰值对协方差矩阵进行估计，确保相关值幅度不会受到符号翻转的影响。在相关值峰值的基础上估计相关矩阵，无需从干扰和噪声获得精确相关值。

4.2 GNSS信号多普勒捕获误差对所提方法的影响

因为接收机和卫星的相对运动关系非常显著，所以如果GNSS信号传递到接收机后，此时会产生多普勒频偏现象。本文是在GNSS信号相关性和参考信号之上提出的方法，考虑多普勒频偏会影响所提方法性能，可用公式(16)表示多普勒频偏对相关值的影响：

(16)

公式中，相干积分时间为T，多普勒频率为fd。参考信号和接收GNSS信号的相关为c(τ)。由公式(16)知，在接收信号有多普勒存在时，通过相关运算，受sinc函数调制，相关值下降严重。

一般来说，GNSS信号能够接收到的-10 ～10 kHz的多普勒频率。多普勒频率为0时，此时得到最大的GNSS信号和参考信号相关值。对本地信号的载波频率进行变换，准确找出最大相关峰值，从而对多普勒频率进行接收，因为搜索波长的限制，再加上载波频率仍有剩余多普勒，假设补偿后，Δf为剩余多普勒频率，公式(17)为GNSS信号相关矩阵：

(17)

多普勒频偏影响算法主要在于GNSS信号的损耗Rc,1和自相关值，如果对扩频增益进行降低处理，此时可得到1 ms的积分时间，为了将损耗控制在1 dB范围内，此时需要确保多普勒剩余频率不超过500 Hz。

5 仿真与实测结果

本文所采取的验证过程为实测数据和计算机仿真的手段，同时给出SCORE方法、功率倒置法的结果进行比较。

5.1 仿真结果

仿真平台使用MATLAB软件，GNSS信号选择的信号为L1=1 574.31 MHz上的GPSC/A码，天线是半波长排列的4元方阵，如图1所示。设定中频信号为15.234 MHz，在各仿真情况中，对其余参数进行具体说明。

图1 阵列天线模型

假设有一个窄带干扰在接收信号当中产生作用，此时单频余弦是以干扰信号的方式存在的，频率为14.8 MHz，表1为窄带干扰仿真参数。

表11 窄带干扰仿真参数

图2为窄带干扰抑制结果，由图2知，相比于另外两种算法，本研究所使用的方法可以有效增强输出信息的干燥比，其信号增益接近四元阵列增益上限。通过模归一的方法处理各算法阵列加权值，其中信号增益发挥着至关重要的作用，分别统计输入输出信号，最终得出信号增益。

图2 窄带干扰抑制结果

5.2 实测数据分析

GNSS接收机天线阵列是四元方阵非常典型的代表，中频和采样频率分别为7.48 MHz、10.05 MHz。在中频输出端得到了-90.5 dBm的GPS信号加噪声功率，不同的天线单元均有41.5 dB的中频增益；-50.5 dBm功率的干扰信号，在实验过程中，设置单频余弦的过程即为干扰信号的主要形式，达到1 574.31 MHz的频率。在坐标系下为方位角θ=0°和俯仰角φ=30°为干扰来波方向。由于铁杆架设小天线到GPS阵列阵面的垂直高度已知，根据相关数据可得出铁杆水平位置，确定其干扰方向。实测数据表明，在多种干扰场景下，所提方法均能干扰抑制能力均良好，相比于SCORE方法、功率倒置法，本研究所提方法在抑制干扰的同时，能保证输出中GNSS信号信干噪比最大化，可见对阵列误差稳健性很强。

6 卫星接收器的维护

卫星接收器完成安装、调试、固定后，一般在工作的过程中不会有问题出现。但因卫星接收器常年都暴露在外，受阳光照射、冷热变化、酸雨腐蚀、大风等天气影响，会损害卫星接收器表面的涂覆，进而出现腐蚀等。因此，在使用卫星接收器时，对其定期进行清理、维护、保养等工作。若发现接收器表面发生漆层脱落后，要及时对其补修一般需要对接收器进行定期的维护保养，以免造成反射结果出现较大误差。定期对传动系统的轴承等构建进行黄油的涂抹，避免出现腐蚀现象。及时清理接收器抛物面中的垃圾，对外露接口件做防水处理；确保天线馈源口薄膜完好。馈源内部不能有水珠、水汽等。冬季要及时清除馈源与反射面中的冰凌、积雪等。

7 结论

本文基于一种对导航信号当中产生抑制现象的干扰盲波束形成的算法，以免因为干扰因素的存在而造成造成信息接收过程出现问题，最大化的增益GNSS信号，增强其准确性和有效性。以该方法为基础不需要事先确定GNSS信号来波方向，阵列误差稳健。实测数据表明，在多种干扰场景下，所提方法均能干扰抑制能力均良好，相比于SCORE方法、功率倒置法，本研究所提方法在抑制干扰的同时，能保证输出中GNSS信号信干噪比最大化，稳健性很强。最后提出对卫星接收器的维护措施。