看小波如何緩解GNSS的干擾效應？

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，成為較好地緩解GNSS干擾效應的一種方法。阿爾弗雷德·哈爾是一位匈牙利數(shù)學家，在其做博士論文期間，提出了小波的概念。小波，顧名思義，是一個短暫的隨著時間的振蕩波，其幅度從零值開始，經(jīng)歷一個或多個波形變化后，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，以幫助解決科學和工程中的各種問題，這些新的應用領域還在不斷涌現(xiàn)。《GPS World》創(chuàng)新欄目（2019年4月號）又引入了其中一個新領域—GNSS干擾緩解。

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

GPS技術已融入我們日常生活中的許多方面。因此，對能在沒有外部輔助的情況下可有效操作的穩(wěn)健GPS接收機需求不斷增長，以提供連續(xù)可靠和準確的定位、導航和定時（PNT）解決方案。但是，由于頻繁的信號丟失或衰減、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)的故障會導致安全問題，特別是在生命與健康有關的關鍵應用中。

接收機架構在定義接收機在挑戰(zhàn)環(huán)境下的魯棒性方面起著重要作用?；跇肆扛櫟腉PS接收機可以在視距（LOS）條件下，實現(xiàn)高精度導航。然而，它們總是無法在信號惡化的環(huán)境中提供足夠的精準度，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中，跟蹤環(huán)路和導航處理器被組合以解決單個估值計算問題。因此，與基于標量跟蹤的接收機相比，矢量感知接收機架構有許多優(yōu)點。首先，當信號高度衰減甚至完全阻塞時，來自健康衛(wèi)星的強信號信息可用于跟蹤微弱信號。因此，基于矢量跟蹤的接收機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。第三，即使在正常的LOS條件下，與基于標量跟蹤的接收機相比，它們也具有改進的導航解決方案精度的作用。所有這些優(yōu)勢使基于矢量跟蹤的接收機成為研究接收機穩(wěn)健性的最佳平臺。然而，在存在強干擾信號的情況下，基于矢量跟蹤的接收機仍然面臨性能降級的厄運。因此，這里提出了一種新的抗干擾技術，用于基于矢量跟蹤的GPS軟件接收機的干擾緩解。

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

該文章從信號干擾模型、小波包變換、干擾緩解算法、實驗工作等幾個部分描述了整個方法的要點，并且得到了很好的結果，形成明確無誤的結論。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的新方法。結果表明，這里提出的算法，在顯著降低計算復雜性的情況下，能夠在抑制干擾信號方面保持優(yōu)異性能。在所提出的技術中，可識別受干擾影響的子帶，并進一步分解并用于重建干擾信號。然后，通過從接收信號中減去估計的干擾信號，來獲得GPS有用信號。并利用捕獲和導航性能對算法性能進行了評估。結果表明，該算法成功地抑制了窄帶干擾，而不會顯著降低GPS有用信號。