看小波如何緩解GNSS的干擾效應(yīng)？

本文提到了利用小波包變換、基于魯棒矢量跟蹤的GPS軟件接收機(jī)，成為較好地緩解GNSS干擾效應(yīng)的一種方法。阿爾弗雷德·哈爾是一位匈牙利數(shù)學(xué)家，在其做博士論文期間，提出了小波的概念。小波，顧名思義，是一個(gè)短暫的隨著時(shí)間的振蕩波，其幅度從零值開始，經(jīng)歷一個(gè)或多個(gè)波形變化后，又返回到零值。在這里，小波（wavelet）是具有明確定義屬性的數(shù)學(xué)函數(shù)。雖然哈爾于1909年就提出“小波”的概念，但是直到20世紀(jì)70年代至80年代，人們才真正開始研究使用小波，利用所謂的小波分析，以幫助解決科學(xué)和工程中的各種問題，這些新的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷涌現(xiàn)。《GPS World》創(chuàng)新欄目（2019年4月號(hào)）又引入了其中一個(gè)新領(lǐng)域—GNSS干擾緩解。

通常，小波分析也有助于改善GNSS的應(yīng)用。正在進(jìn)行的任務(wù)包括：偽距測(cè)量的去噪，載波相位測(cè)量中的周跳檢測(cè)和消除，以及將諸如多徑的偏差與高頻接收機(jī)噪聲分離。這里，讓人們了解小波分析的另一個(gè)GNSS應(yīng)用，特別是通過小波包變換（WPT），有效地識(shí)別和分離在GPS接收機(jī)接收到的組合信號(hào)中的干擾信號(hào)。在使用硬件模擬器系統(tǒng)的窄帶干擾測(cè)試中，傳統(tǒng)的接收機(jī)往往無法進(jìn)行定位運(yùn)作。但是利用所提出的WPT方法，容易抑制干擾信號(hào)，允許獲取衛(wèi)星信號(hào)并能夠計(jì)算定位解。

GPS技術(shù)已融入我們?nèi)粘Ｉ钪械脑S多方面。因此，對(duì)能在沒有外部輔助的情況下可有效操作的穩(wěn)健GPS接收機(jī)需求不斷增長(zhǎng)，以提供連續(xù)可靠和準(zhǔn)確的定位、導(dǎo)航和定時(shí)（PNT）解決方案。但是，由于頻繁的信號(hào)丟失或衰減、多路徑或干擾，這些解決方案并不是總是可行的。在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下，接收系統(tǒng)的故障會(huì)導(dǎo)致安全問題，特別是在生命與健康有關(guān)的關(guān)鍵應(yīng)用中。

接收機(jī)架構(gòu)在定義接收機(jī)在挑戰(zhàn)環(huán)境下的魯棒性方面起著重要作用?；跇?biāo)量跟蹤的GPS接收機(jī)可以在視距（LOS）條件下，實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航。然而，它們總是無法在信號(hào)惡化的環(huán)境中提供足夠的精準(zhǔn)度，例如在城市峽谷，郊區(qū)茂密的樹林植被環(huán)境中。相反，基于矢量跟蹤的GPS接收機(jī)在這種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中可提供更好的性能。在基于矢量跟蹤的接收機(jī)中，跟蹤環(huán)路和導(dǎo)航處理器被組合以解決單個(gè)估值計(jì)算問題。因此，與基于標(biāo)量跟蹤的接收機(jī)相比，矢量感知接收機(jī)架構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)信號(hào)高度衰減甚至完全阻塞時(shí)，來自健康衛(wèi)星的強(qiáng)信號(hào)信息可用于跟蹤微弱信號(hào)。因此，基于矢量跟蹤的接收機(jī)具有更好的抗干擾和干擾緩解能力。其次，它們可以在衛(wèi)星中斷后快速重新獲取信號(hào)。第三，即使在正常的LOS條件下，與基于標(biāo)量跟蹤的接收機(jī)相比，它們也具有改進(jìn)的導(dǎo)航解決方案精度的作用。所有這些優(yōu)勢(shì)使基于矢量跟蹤的接收機(jī)成為研究接收機(jī)穩(wěn)健性的最佳平臺(tái)。然而，在存在強(qiáng)干擾信號(hào)的情況下，基于矢量跟蹤的接收機(jī)仍然面臨性能降級(jí)的厄運(yùn)。因此，這里提出了一種新的抗干擾技術(shù)，用于基于矢量跟蹤的GPS軟件接收機(jī)的干擾緩解。

由于分別在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處發(fā)生的擴(kuò)頻和解擴(kuò)過程，GPS信號(hào)的擴(kuò)頻特性提供了對(duì)窄帶干擾的抗干擾能力。然而，GPS信號(hào)以-158 dBW量級(jí)的非常低的功率到達(dá)接收機(jī)，使其易于受到干擾。具有足夠功率和合適的時(shí)間和頻率特性的干擾會(huì)降低定位解決方案的精度，并且可能導(dǎo)致GPS信號(hào)的完全阻塞。此外，干擾信號(hào)的存在增加了獲取所需GPS信號(hào)的挑戰(zhàn)性。因此，已經(jīng)采用了許多抗干擾技術(shù)旨在緩解GPS接收機(jī)的干擾。 GPS接收系統(tǒng)采用的抗干擾方法，主要分為四類：一是天線級(jí)技術(shù)，其基于使用天線陣列來產(chǎn)生輻射（接收）模式，該模式基于到達(dá)方向衰減干擾信號(hào)；二是自動(dòng)增益控制（AGC），其中可以通過AGC的飽和來檢測(cè)干擾；三是后相關(guān)技術(shù)，在通過相關(guān)器后處理信號(hào)；四是預(yù)相關(guān)技術(shù)，是基于在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器之后，但在它們到達(dá)相關(guān)器之前處理信號(hào)。這里介紹的基于小波包變換（WPT）的新型干擾抑制技術(shù)，屬于預(yù)相關(guān)技術(shù)類。 WPT使得所接收的受干擾組合GPS信號(hào)能夠在變換域中表示，其中可以更好地識(shí)別和分離干擾信號(hào)，而不會(huì)顯著降低GPS有用信號(hào)。雖然WPT在干擾緩解方面表現(xiàn)出色，但以往技術(shù)的主要缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜性。這里所介紹新的基于小波包的窄帶干擾抑制技術(shù)，能顯著地降低計(jì)算復(fù)雜度。

該文章從信號(hào)干擾模型、小波包變換、干擾緩解算法、實(shí)驗(yàn)工作等幾個(gè)部分描述了整個(gè)方法的要點(diǎn)，并且得到了很好的結(jié)果，形成明確無誤的結(jié)論。總之，在該文中，提出了一種基于WPT減輕線性啁啾窄帶干擾信號(hào)的新方法。結(jié)果表明，這里提出的算法，在顯著降低計(jì)算復(fù)雜性的情況下，能夠在抑制干擾信號(hào)方面保持優(yōu)異性能。在所提出的技術(shù)中，可識(shí)別受干擾影響的子帶，并進(jìn)一步分解并用于重建干擾信號(hào)。然后，通過從接收信號(hào)中減去估計(jì)的干擾信號(hào)，來獲得GPS有用信號(hào)。并利用捕獲和導(dǎo)航性能對(duì)算法性能進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，該算法成功地抑制了窄帶干擾，而不會(huì)顯著降低GPS有用信號(hào)。