基于小波变换的GPS微弱信号捕获组合算法

袁超　康国华　夏青　郑峰婴　华冰

摘 要： 针对战场环境下GPS信号易受到敌方压制式干扰而产生严重衰减，提出了一种相干积分、非相干积分和小波降噪相结合的组合算法。该算法先通过相干积分和非相干积分结合的方法提高整体信号强度，避免导航数据位可能发生跳变的特性，然后采用小波降噪技术，克服信号与噪声的频带相互重叠时， 滤波效果变差的问题，实现对弱信号的捕获。仿真结果表明，采用20 ms的相干积分时间、5次非相干积分和小波降噪，可以接收比传统方法低5 dB信噪比的微弱GPS信号。这种方法容易实现，预测可靠，具有实际应用价值。

关键词： 压制式干扰； 弱信号； 相干积分； 非相干积分； 小波去噪

中图分类号： TN97?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0008?04

0 引 言

现代战争，电子战已成为常态。电子信号的压制、干扰和欺骗成为电子战的基本手段，在这一严酷的电子环境下，GPS微弱信号的定位问题就显得十分突出。通常这些信号会受到外界遮挡和干扰而产生严重衰减，信号功率比正常情况下的信号要低20 dB左右[1?2]。研究GPS微弱信号捕获技术，对发展我国北斗卫星导航系统，适应现代化信息战的需要有着非常重要的借鉴意义。

本文以强干扰淹没GPS信号的压制式干扰为背景，以快速傅里叶变换为基础，采用相干积分、非相干积分与小波降噪相结合的方法，提高GPS接收机对弱信号捕获的灵敏度，以提高GPS接收机战场适应性。

1 GPS压制式干扰

压制式干扰使用噪声或类似噪声的干扰信号遮挡或淹没有用信号，旨在使GPS接收机受到扰乱，不能有效检测信号。为了使干扰有效，干扰机产生的干扰信号J必须具有遮挡有用信号S的（功率）强度（即干信比必须足够高），使GPS接收机的信噪比大大降低，难以检测出有用信号。

压制式干扰按照干扰信号中心频率[fj、]干扰带宽[ΔFj，]相对于被干扰电子设备的中心频率[fs、]带宽[ΔFs]的关系可以分为3种，见表1。

2 压制式干扰对微弱信号捕获的影响

对于微弱信号的捕获，输入信号的信噪比是首先需要考虑的因素。本文中所涉及的特殊环境下的微弱信号由于受到压制式干扰的影响，信号功率往往比正常功率低20 dB左右，因此必须提高信噪比，使信号功率在大于噪声功率的情况下获得良好的检测概率和虚警概率。

由图6，图7可以看出，即使当信号信噪比低至-24 dB时，通过新算法依旧可以捕获到有用信号，并在一定程度上消除了噪声信号，提高了微弱信号捕获的灵敏度。

5 结 论

本文针对微弱信号情况下，无法通过无限增长相干积分时间来捕获有用GPS信号的问题，提出了采用相干积分、非相干积分和小波去噪相结合的新捕获算法。相比传统捕获算法，该算法克服了导航电文可能发生比特翻转的特性，并实现了对更低信噪比下的GPS信号捕获。仿真实验表明该方法能有效提高了捕获的灵敏度，具有一定的现实意义和实用价值。

参考文献

[1] BICKERSTAFF J， FRAYLING R， HADDRELL T. Capture analysis and mitigation of multipath in a high sensitivity GPS receiver [C]// Proceedings of ION GNSS 2006. Fort Worth， TX： GNSS， 2006： 1696?1705.

[2] ZHANG Jing， MAO Xu?chu. The algorithm for GPS weak signal tracking using unscented Kalman filter [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2007， 41（11）： 1834?1838.

[3] 谢钢.GPS原理与接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] KAPLAN E D. Understanding GPS principle and applications [M]. 2nd ed. Boston： Artech House， 2006.

[5] WU Ling?juan， LU Wei?jun. YU Dun?shan. Research of weak signal acquisition algorithms for high sensitivity GPS [C]// Proceeding of 2009 Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronics and Electronics. Shanghai， China： PrimeAsia， 2009： 173?176.

[6] ZIEDAN N I. GNSS Receiver for weak signal [M]. Boston： Artech House， 2006.

[7] 郑奎.微弱GPS信号的跟踪方法研究[D].北京：中国科学院国家授时中心，2012.

[8] 雷娜娜.微弱GPS信号捕获算法的研究[D].郑州：郑州大学，2012.

[9] 胡丛玮，李晓玲，安雷.一种改进的GPS微弱信号捕获方法[J].武汉大学学报，2008，33（8）：821?823.

[10] 倪林.小波变换与图像处理[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2010.

[11] 孙延奎.小波变换与图像、图形处理技术[M].北京：清华大学出版社，2012.

[12] 梁前浩.GPS中频信号仿真与微弱信号捕获、跟踪方法研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[13] 刘杨，金天.小波降噪在微弱GPS信号捕获中的应用[J].系统工程与电子技术，2011（4）：842?846.

[14] 魏联兵，楼立志.小波去噪的GPS算法在减少多路径效应方面的应用研究[J].地矿测绘，2009（4）：15?17.

[15] 姜冰心，张中兆，孟维晓.弱信号下软件GPS接收机全比特捕获算法[J].电子技术应用，2008（9）：99?102.

[16] 蔡铁，朱杰.小波阈值降噪算法中最优分解层数的自适应选择[J].控制与决策，2006（2）：217?220.

摘 要： 针对战场环境下GPS信号易受到敌方压制式干扰而产生严重衰减，提出了一种相干积分、非相干积分和小波降噪相结合的组合算法。该算法先通过相干积分和非相干积分结合的方法提高整体信号强度，避免导航数据位可能发生跳变的特性，然后采用小波降噪技术，克服信号与噪声的频带相互重叠时， 滤波效果变差的问题，实现对弱信号的捕获。仿真结果表明，采用20 ms的相干积分时间、5次非相干积分和小波降噪，可以接收比传统方法低5 dB信噪比的微弱GPS信号。这种方法容易实现，预测可靠，具有实际应用价值。

关键词： 压制式干扰； 弱信号； 相干积分； 非相干积分； 小波去噪

中图分类号： TN97?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0008?04

0 引 言

现代战争，电子战已成为常态。电子信号的压制、干扰和欺骗成为电子战的基本手段，在这一严酷的电子环境下，GPS微弱信号的定位问题就显得十分突出。通常这些信号会受到外界遮挡和干扰而产生严重衰减，信号功率比正常情况下的信号要低20 dB左右[1?2]。研究GPS微弱信号捕获技术，对发展我国北斗卫星导航系统，适应现代化信息战的需要有着非常重要的借鉴意义。

本文以强干扰淹没GPS信号的压制式干扰为背景，以快速傅里叶变换为基础，采用相干积分、非相干积分与小波降噪相结合的方法，提高GPS接收机对弱信号捕获的灵敏度，以提高GPS接收机战场适应性。

1 GPS压制式干扰

压制式干扰使用噪声或类似噪声的干扰信号遮挡或淹没有用信号，旨在使GPS接收机受到扰乱，不能有效检测信号。为了使干扰有效，干扰机产生的干扰信号J必须具有遮挡有用信号S的（功率）强度（即干信比必须足够高），使GPS接收机的信噪比大大降低，难以检测出有用信号。

压制式干扰按照干扰信号中心频率[fj、]干扰带宽[ΔFj，]相对于被干扰电子设备的中心频率[fs、]带宽[ΔFs]的关系可以分为3种，见表1。

2 压制式干扰对微弱信号捕获的影响

对于微弱信号的捕获，输入信号的信噪比是首先需要考虑的因素。本文中所涉及的特殊环境下的微弱信号由于受到压制式干扰的影响，信号功率往往比正常功率低20 dB左右，因此必须提高信噪比，使信号功率在大于噪声功率的情况下获得良好的检测概率和虚警概率。

由图6，图7可以看出，即使当信号信噪比低至-24 dB时，通过新算法依旧可以捕获到有用信号，并在一定程度上消除了噪声信号，提高了微弱信号捕获的灵敏度。

5 结 论

本文针对微弱信号情况下，无法通过无限增长相干积分时间来捕获有用GPS信号的问题，提出了采用相干积分、非相干积分和小波去噪相结合的新捕获算法。相比传统捕获算法，该算法克服了导航电文可能发生比特翻转的特性，并实现了对更低信噪比下的GPS信号捕获。仿真实验表明该方法能有效提高了捕获的灵敏度，具有一定的现实意义和实用价值。

参考文献

[1] BICKERSTAFF J， FRAYLING R， HADDRELL T. Capture analysis and mitigation of multipath in a high sensitivity GPS receiver [C]// Proceedings of ION GNSS 2006. Fort Worth， TX： GNSS， 2006： 1696?1705.

[2] ZHANG Jing， MAO Xu?chu. The algorithm for GPS weak signal tracking using unscented Kalman filter [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2007， 41（11）： 1834?1838.

[3] 谢钢.GPS原理与接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] KAPLAN E D. Understanding GPS principle and applications [M]. 2nd ed. Boston： Artech House， 2006.

[5] WU Ling?juan， LU Wei?jun. YU Dun?shan. Research of weak signal acquisition algorithms for high sensitivity GPS [C]// Proceeding of 2009 Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronics and Electronics. Shanghai， China： PrimeAsia， 2009： 173?176.

[6] ZIEDAN N I. GNSS Receiver for weak signal [M]. Boston： Artech House， 2006.

[7] 郑奎.微弱GPS信号的跟踪方法研究[D].北京：中国科学院国家授时中心，2012.

[8] 雷娜娜.微弱GPS信号捕获算法的研究[D].郑州：郑州大学，2012.

[9] 胡丛玮，李晓玲，安雷.一种改进的GPS微弱信号捕获方法[J].武汉大学学报，2008，33（8）：821?823.

[10] 倪林.小波变换与图像处理[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2010.

[11] 孙延奎.小波变换与图像、图形处理技术[M].北京：清华大学出版社，2012.

[12] 梁前浩.GPS中频信号仿真与微弱信号捕获、跟踪方法研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[13] 刘杨，金天.小波降噪在微弱GPS信号捕获中的应用[J].系统工程与电子技术，2011（4）：842?846.

[14] 魏联兵，楼立志.小波去噪的GPS算法在减少多路径效应方面的应用研究[J].地矿测绘，2009（4）：15?17.

[15] 姜冰心，张中兆，孟维晓.弱信号下软件GPS接收机全比特捕获算法[J].电子技术应用，2008（9）：99?102.

[16] 蔡铁，朱杰.小波阈值降噪算法中最优分解层数的自适应选择[J].控制与决策，2006（2）：217?220.

摘 要： 针对战场环境下GPS信号易受到敌方压制式干扰而产生严重衰减，提出了一种相干积分、非相干积分和小波降噪相结合的组合算法。该算法先通过相干积分和非相干积分结合的方法提高整体信号强度，避免导航数据位可能发生跳变的特性，然后采用小波降噪技术，克服信号与噪声的频带相互重叠时， 滤波效果变差的问题，实现对弱信号的捕获。仿真结果表明，采用20 ms的相干积分时间、5次非相干积分和小波降噪，可以接收比传统方法低5 dB信噪比的微弱GPS信号。这种方法容易实现，预测可靠，具有实际应用价值。

关键词： 压制式干扰； 弱信号； 相干积分； 非相干积分； 小波去噪

中图分类号： TN97?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0008?04

0 引 言

现代战争，电子战已成为常态。电子信号的压制、干扰和欺骗成为电子战的基本手段，在这一严酷的电子环境下，GPS微弱信号的定位问题就显得十分突出。通常这些信号会受到外界遮挡和干扰而产生严重衰减，信号功率比正常情况下的信号要低20 dB左右[1?2]。研究GPS微弱信号捕获技术，对发展我国北斗卫星导航系统，适应现代化信息战的需要有着非常重要的借鉴意义。

本文以强干扰淹没GPS信号的压制式干扰为背景，以快速傅里叶变换为基础，采用相干积分、非相干积分与小波降噪相结合的方法，提高GPS接收机对弱信号捕获的灵敏度，以提高GPS接收机战场适应性。

1 GPS压制式干扰

压制式干扰使用噪声或类似噪声的干扰信号遮挡或淹没有用信号，旨在使GPS接收机受到扰乱，不能有效检测信号。为了使干扰有效，干扰机产生的干扰信号J必须具有遮挡有用信号S的（功率）强度（即干信比必须足够高），使GPS接收机的信噪比大大降低，难以检测出有用信号。

压制式干扰按照干扰信号中心频率[fj、]干扰带宽[ΔFj，]相对于被干扰电子设备的中心频率[fs、]带宽[ΔFs]的关系可以分为3种，见表1。

2 压制式干扰对微弱信号捕获的影响

对于微弱信号的捕获，输入信号的信噪比是首先需要考虑的因素。本文中所涉及的特殊环境下的微弱信号由于受到压制式干扰的影响，信号功率往往比正常功率低20 dB左右，因此必须提高信噪比，使信号功率在大于噪声功率的情况下获得良好的检测概率和虚警概率。

由图6，图7可以看出，即使当信号信噪比低至-24 dB时，通过新算法依旧可以捕获到有用信号，并在一定程度上消除了噪声信号，提高了微弱信号捕获的灵敏度。

5 结 论

本文针对微弱信号情况下，无法通过无限增长相干积分时间来捕获有用GPS信号的问题，提出了采用相干积分、非相干积分和小波去噪相结合的新捕获算法。相比传统捕获算法，该算法克服了导航电文可能发生比特翻转的特性，并实现了对更低信噪比下的GPS信号捕获。仿真实验表明该方法能有效提高了捕获的灵敏度，具有一定的现实意义和实用价值。

参考文献

[1] BICKERSTAFF J， FRAYLING R， HADDRELL T. Capture analysis and mitigation of multipath in a high sensitivity GPS receiver [C]// Proceedings of ION GNSS 2006. Fort Worth， TX： GNSS， 2006： 1696?1705.

[2] ZHANG Jing， MAO Xu?chu. The algorithm for GPS weak signal tracking using unscented Kalman filter [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2007， 41（11）： 1834?1838.

[3] 谢钢.GPS原理与接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] KAPLAN E D. Understanding GPS principle and applications [M]. 2nd ed. Boston： Artech House， 2006.

[5] WU Ling?juan， LU Wei?jun. YU Dun?shan. Research of weak signal acquisition algorithms for high sensitivity GPS [C]// Proceeding of 2009 Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronics and Electronics. Shanghai， China： PrimeAsia， 2009： 173?176.

[6] ZIEDAN N I. GNSS Receiver for weak signal [M]. Boston： Artech House， 2006.

[7] 郑奎.微弱GPS信号的跟踪方法研究[D].北京：中国科学院国家授时中心，2012.

[8] 雷娜娜.微弱GPS信号捕获算法的研究[D].郑州：郑州大学，2012.

[9] 胡丛玮，李晓玲，安雷.一种改进的GPS微弱信号捕获方法[J].武汉大学学报，2008，33（8）：821?823.

[10] 倪林.小波变换与图像处理[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2010.

[11] 孙延奎.小波变换与图像、图形处理技术[M].北京：清华大学出版社，2012.

[12] 梁前浩.GPS中频信号仿真与微弱信号捕获、跟踪方法研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[13] 刘杨，金天.小波降噪在微弱GPS信号捕获中的应用[J].系统工程与电子技术，2011（4）：842?846.

[14] 魏联兵，楼立志.小波去噪的GPS算法在减少多路径效应方面的应用研究[J].地矿测绘，2009（4）：15?17.

[15] 姜冰心，张中兆，孟维晓.弱信号下软件GPS接收机全比特捕获算法[J].电子技术应用，2008（9）：99?102.

[16] 蔡铁，朱杰.小波阈值降噪算法中最优分解层数的自适应选择[J].控制与决策，2006（2）：217?220.