基于解重擴算法的GPS抗干擾實時接收機研究

吳仁彪，李 曉，胡鐵喬，盧 丹

（中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

基于解重擴算法的GPS抗干擾實時接收機研究

吳仁彪，李 曉，胡鐵喬，盧 丹

（中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

提出了一種基于解重擴算法的GPS抗干擾實時接收機系統的硬件實現方案。此方案充分利用解重擴算法和GPS接收機的特點，將兩者緊密耦合，并根據FPGA和DSP的不同性能，實現了資源的合理配置。實測數據驗證表明，該系統不僅能夠抑制干擾信號，而且可對衛星信號產生較大增益，實現多波束抗干擾。

GPS；抗干擾接收機；解重擴算法；多波束

全球定位系統（global positioning system，GPS）是一種全球化的衛星導航定位系統，可以為用戶提供經度、緯度、高度以及時間等信息，具有性能好、精度高、應用廣等特點。但是GPS信號非常微弱，其功率不足用戶接收機噪聲功率的千分之一，較小的干擾就可能導致接收機不穩定或失效[1]。因此GPS抗干擾技術受到越來越多的關注。

近年來，基于天線陣的GPS抗干擾接收機得到廣泛的應用和發展，國外對此項技術已進行了非常深入的研究，主要包括自適應抗干擾模塊、天線陣信號源以及實際場地測試三個方面[2-3]；國內的研究和應用仍處于起步階段。目前實際硬件實現的抗干擾接收機大多基于最小功率算法，該算法實現簡單，但不能提供多天線系統帶來的信號處理增益。本文在文獻[4]所提出的解重擴算法的基礎上給出一種多波束GPS抗干擾實時接收機的硬件實現方案，此方案充分利用解重擴算法和GPS接收機的特點，將兩者緊密結合，并根據硬件平臺的性能，實現了資源的合理配置。本文還對所提方案做了仿真分析，并用實測數據進行了驗證。

1 解重擴算法原理

1.1 信號模型

考慮一個由M個陣元組成的GPS接收機天線陣列，當干擾入射到天線陣列上時，接收到的下變頻后的數字中頻信號為

1.2 解重擴算法

解重擴算法最早用于CDMA系統的抗干擾中[5]，文獻[4]將其用于GPS抗干擾中并結合GPS信號的特點將該算法簡化，不需解調導航數據，只需根據相關結果所估計的每顆衛星的C/A碼及含多普勒頻率的中頻信息重構信號。其原理框圖如圖1所示。

圖1 解重擴算法原理框圖Fig.1 Block diagram of despread respread algorithm

在圖1中，利用已知的C/A碼對天線陣列輸出信號進行相關處理，根據估計到的衛星信號的到達時間和多普勒頻率信息重建衛星信號，并以此信號為參考信號來更新天線陣列的加權矢量。設第l顆GPS衛星的加權矢量為wl，其更新公式[4]為

其中：h表示權矢量計算的迭代次數，為提高算法的收斂性能，用最小功率算法的權矢量作為初始權矢量[4]，即wl（1）=wPI。X為采樣數據矩陣；*表示共軛；rl（h）是期望信號，即

與最小功率算法相比，解重擴算法有較大優勢。最小功率算法無需知道衛星信號來向會在干擾來向上形成零陷，卻不能在衛星信號來向上形成增益，也不能實現多波束抗干擾；解重擴算法同樣不需知道衛星來向或陣列流形信息，但能產生多個高增益的波束，且多波束形成能力不受陣元數的限制[4]。

2 實現方案

根據解重擴算法的原理可知，解重擴算法中相關處理的方法和普通GPS接收機的捕獲算法原理一致。因此可將該算法和接收機緊密結合，設計具有緊耦合特性的多波束GPS抗干擾接收機。該抗干擾接收機設計方案如圖2所示。

圖2 系統方案框圖Fig.2 Block diagram of system scheme

從圖2可看出系統的整體流程是，首先按照式（4）根據上節所述計算解重擴算法的權矢量w，包括捕獲、信號重建等步驟；然后對輸入數據做加權處理；最后對處理后的數據捕獲、跟蹤并解算出定位結果。

系統實現采用塊自適應處理方法[6]，每一塊數據分別做自適應干擾抑制處理，再將處理后的數據依次拼接。每塊數據經不同的權矢量處理后，拼接時會出現相位或幅度不統一的問題，故用權矢量歸一化[6]方法使其統一；本方案中塊與塊之間的權矢量更新時，第一塊數據中算法的初始權矢量為最小功率權矢量，非第一塊數據中初始權矢量取為上一塊的解重擴權矢量，此方法可以提高算法和系統的性能。經多次實驗得出，解重擴權矢量經一次迭代性能就比較穩定，因而權矢量計算的迭代次數取為1。另外，算法權矢量求解中含有矩陣求逆運算，直接求逆在硬件實現中難度較大且資源占用率較高，方案中選用CholeSky分解方法[6]取代求逆運算。兼顧導航數據翻轉的影響和數據累加可提高信號信噪比這兩個方面，捕獲所用數據長度取為10 ms；綜合考慮運算速度、硬件資源和運算的準確度，選取10 ms數據用于計算解重擴算法的權矢量。跟蹤模塊采用碼跟蹤環和延遲鎖定環來實現；取跟蹤通道數為8，則最多有8顆衛星用于定位[7]。

系統的實現采用成都傅立葉電子科技有限公司生產的軟件無線電處理平臺，型號為FFT-SDR-V4。FFT-SDR-V4采用cPCI接口，特別適合對外界工作條件苛刻的應用場合，板載總容量上千萬門的FPGA（現場可編程門陣列），輕松應對高速的數據并行處理，所采用的DSP（數字信號處理器）為TI的TMS320C6416系列，處理器頻率從600 MHz到1 GHz，同時板上提供了大容量的存貯器方便開發。FFT-SDR-V4由TI公司的TMS320C6416T的DSP作為主處理器；Xilinx公司的Virtex4-XC4VLX60的FPGA作為協處理器，分別為FPGA-A和FPGA-B。

定位算法所需的參數較多，對參數的位長要求較高，并且定位算法運算量較小，適于在DSP中實現；FPGA中執行的運算算法結構較簡單[8]，可用來實現Hilbert變換、捕獲、自相關陣和互相關陣的計算、權矢量處理數據等模塊?；谒銎脚_，系統的具體實現方案如圖3所示。

由圖3可以看出系統的實現步驟為：

第一步：Hilbert變換和7倍分頻。輸入數據為實數，進行Hilbert變換后使其由實變為復；輸入數據采樣頻率為5.714 MHz，而系統時鐘為40 MHz，需進行7倍分頻。處理后的數據一路做最小功率算法；另一路延時480 ms后做解重擴算法。

第二步：最小功率算法處理數據。解重擴算法的初始權矢量為最小功率權矢量，本步驟則是計算最小功率權矢量，然后按照塊自適應方法處理長度約為10 ms的數據，塊大小為100點。

第三步：捕獲、跟蹤、重建信號。捕獲即搜索每顆有效衛星的碼相位和載波頻率，為跟蹤提供初值；跟蹤是追蹤得到較準確的碼相位和載頻，然后對數據解調解擴得到導航數據。導航數據送入定位模塊；碼相位和載頻送入信號重建模塊。信號重建模塊是根據式（3）重新生成每顆有效衛星的信號，即參考信號。

第四步：解重擴算法權矢量計算。分別計算輸入數據的自相關陣和輸入數據與參考信號的互相關陣，然后通過CholeSky分解計算得出每顆有效衛星對應的解重擴權矢量。

第五步：數據加權、跟蹤和定位。用解重擴權矢量對輸入數據進行處理，處理之后的信號是相對準確的衛星信號，然后用它們進行跟蹤和定位解算，得出定位結果。

硬件實現時捕獲模塊中快速傅里葉變換及其逆變換采用同一個快速傅里葉變換核來實現，根據所用平臺估計出捕獲所需時間約為475 ms；實際系統中數據流是連續的，為保證捕獲、跟蹤和自互相關陣計算三者輸入數據的一致性，需要對后兩者的輸入數據產生475 ms以上的延遲，算法權矢量也須隨數據的變化而更新。在此把延遲時長和權矢量更新間隔都取為500 ms，那么可把500 ms看作為一個小塊；塊數大于72即數據長度大于36 s時，可解算出定位結果[9]。

3 軟件仿真

本節介紹第二節所述系統實現方案的仿真。仿真流程如圖4所示。

圖4 軟件仿真流程圖Fig.4 Flow chart of software simulation

圖4是圖3所示方案的軟件仿真流程，為模仿實際硬件系統的實時性，需考慮衛星位置變化而引起的跟蹤失鎖和有效衛星的更新問題，具體分析如下。

若某顆衛星的跟蹤失鎖，可判定此衛星已不在接收機的觀測范圍內，清空通道，以為新出現的衛星所用；新衛星的檢測通過捕獲完成，當捕獲到新的衛星時，查找各通道狀態，若有閑置通道，則將該星放入閑置通道，這樣就實現了衛星的更新。另外，衛星更新可能會引起某個通道的跟蹤信息不連續，所以定位解算前需對每個通道的跟蹤結果作出判斷，從定位時刻往前的36 s內，若該通道均有連續的跟蹤結果，此通道可用，反之不可用。

硬件實現中大部分變量或參數是固定位長的，因此對軟件仿真進行了定點化。定點化過程是在保證抗干擾算法處理之后估計出的衛星信號的載噪比和最終的定位精度損失較小的前提下，盡可能地減少位長，以節省硬件資源。

4 實測數據驗證

本節給出了所提方案的實測數據的仿真結果，仿真工具為Maltlab。接收機所在位置的經緯度分別為39°06′44.95″和 117°20′40.39″，天線陣列是 2×2 的平面陣，陣元數為4。信號采樣頻率為5.714 MHz，模擬中頻是4.309 MHz，所采數據長度為37 s；所加干擾為調頻干擾。

圖5給出了分別采用最小功率算法和解重擴算法進行抗干擾后的捕獲結果的比較，從圖5可以看出，采用解重擴算法進行抗干擾后得到的捕獲峰值明顯優于最小功率算法的捕獲峰值。

圖6是經兩種算法處理之后跟蹤得出的衛星15#的解調結果。橫軸表示同相支路的即時碼（IP），它的極性為導航數據信息；縱軸表示正交支路的即時碼（QP），為噪聲信息。圖6（b）是解重擴算法處理后的跟蹤結果，IP正負極性分開，解調正常。圖6（a）是最小功率算法處理后的跟蹤結果，沒有完全解調開，無法得到正確的導航數據信息，故無法解算出定位結果。

表1估計了分別經最小功率算法和解重擴算法處理之后每顆衛星信號的載噪比?？梢钥闯?，與最小功率算法相比，解重擴算法對5顆衛星信號的載噪比有3～4 dB的增益，更全面地說明了解重擴算法對信號有高增益的優點。

表1 載噪比對比Tab.1 Contrast of carrier-to-noise ratio

圖7為經解重擴算法處理后的定位結果，而經最小功率算法處理后的數據無法得出定位結果。圖7（b）為解算出的衛星的位置，圖7（a）是解算出的接收機位置。從圖7中可看出用于定位的有效衛星分別為2#、5#、10#、15#、29#，以精確位置為基準計算出圖 7 中解算出的接收機位置的定位精度為3.46 m。

5 結語

本文提出了一種GPS數字多波束抗干擾實時接收機的硬件實現方案，對所提方案進行了軟件仿真，并對仿真進行了定點化。通過實測數據驗證表明，所提方案是有效的，該系統可有效抑制干擾，且對GPS信號有較大增益。

[1] JAY R S.Interference mitigation approaches for the global positioning system[J].Lincoln Laboratory Journal，2003，14（2）：168-180.

[2] 張文明.衛星導航干擾系統干擾抑制系統[D].長沙：國防科技大學研究生院，2002.

[3] 莊學彬，崔曉偉.基于天線陣的GPS抗干擾模塊涉及與實現[C]//第一屆中國衛星導航學術年會論文集（上）.北京：中國衛星導航學術年會組委會，2010：208-215.

[4] 盧 丹，吳仁彪，石慶研，等.一種基于碼字結構的盲自適應GPS干擾抑制方法：中國，200910069091.3[P].

[5]HONIG R A，MADHOW U，VERDU S.Blind adaptive multiuser detection[J].IEEE Trans Inform Therory，1995，41：944-960.

[6] 吳仁彪，孫擎宇，胡鐵喬，等.基于功率倒置算法的GPS抗干擾實時系統實現[J].中國民航大學學報，2010，28（3）：45-48.

[7] 吳錄喜，謝世杰.新型GPS接收機為何選用8通道[J].測繪通報，1996（6）：31-32.

[8] 薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD設計指南[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[9]JAMES BAO-YEN TSUI.GPS軟件接收機基礎[M].2版.北京：電子工業出版社，2007.

GPS Anti-Jamming Real-Time Receiver Based on Despread Respread Algorithm

WU Ren-biao， LI Xiao， HU Tie-qiao， LU Dan
（Tianjin Key Lab for Advanced Signal Processing， CAUC， Tianjin 300300， China）

Based on the despread respread algorithm， a realization scheme of GPS anti-jamming real-time receiver system is proposed.This scheme makes full use of the characters of the despread respread algorithm and GPS receiver， so the structure of the system is close coupled.In addition， the resources are allocated reasonably according to the different features of FPGA and DSP.Experimental results prove that the system is a multibeam anti-jamming receiver，which can not only suppress the jamming signals but also get extra gains of the satellite signals.

GPS；anti-jamming receiver；despread respread algorithm； multi-beam

TN911.7

A

1674－5590（2011）02－0027－05

2010-10-18；

2011-01-18

國家863高技術計劃項目（2006AA12Z321）；中國民航大學科研基金項目（07QD03X）

吳仁彪（1966—），男，湖北武漢人，教授，博士，研究方向為信號處理.

（責任編輯：楊媛媛）