卫星GPS地质勘探目标定位信号检测仿真

摘要：对卫星GPS地质勘探目标定位信号的检测，能够有效提高地质勘探过程信号检测效率。对卫星GPS目标信号的检测，需要对信号进行变频运算，得到定位信号的基本方程和状态方程，完成对目标信号的检测。传统方法将目标信号分解为多个模态函数和趋势分量，将其转化为具有不同尺度特征的平稳分量。但忽略了得到定位信号的状态方程，导致检测精度偏低。提出基于Duffing的卫星GPS地质勘探目标定位信号检测检测方法，首先计算无线传感网络发射端的GPS目标定位信号，在GPS目标定位信号接收端，对接收到的GPS目标定位信号进行混频下变频运算，计算GPS定位信号的基本方程和状态方程，以及其对应的Jacobian矩阵;然后通过对系统状态改变的检测实现对卫星GPS地质勘探目标定位信号的检测。仿真测试结果表明，所提方法相比于对比方法具有更好地检测性能，提高了检测成功率。关键词：__定位系统;地质勘探：信号检测中图分类号：TN967 文献标识码：B

Simulation of Target Location Signal Detection in Satellite GPS Geological Exploration ZHU Xiu—ying (School of Computer Science and Technology，Huaibei Normal University，Huaibei Anhui 23500 China) ABSTRACT：This paper presents a detection method for target positioning signal of satellite GPS geological exploration based on Duffing，Firstly，the GPS target location signal of transmitting terminal in wireless sensor network is cal. culated.At signal receiving terminal of GPS target location，the mixing down-conversion operation for received GPS target location signal is carried out，and basic equation and state equation of GPS location signal and corresponding Jacobian matrix are calculated.Thus，the detection of satellite GPS geological exploration target location signal through detc 2tion of change of system state is realized.Simulation result shows that the proposed method has better detection performance relative to comparison methods.It improves Success rate of detection. KEYWORDS：GPS;Geological)exploration;Signal detection

1 引言 GPS是__定位系统的简称.它是由美国国防部研究并建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统。能够为__用户提高成本低廉、精度较高的三维位置信息、速度信息和精确定时信息等导航数据。[14]无论是在军事还是在民用上.该技术都是导航领域的应用典范。它在很大程度上推动了__信息化水平，促进了数字经济的发展【3--41。无线传感网络中的GPS被动定位是指已经授权给对方，对方能够对所处位置信息进行定位跟踪，GPS被动定位是无论需不需要信号。信号都是发出的情况[5。6]。在实际基金项目：安徽省高等学校自然科学研究一般项目(KJ20168021);淮北师范大学校级一般教研项目(jyl5164) 收稿日期：2017—07—28修回日期：2017—08—03 应用中，人们对GPS定位技术的依赖性与13俱增。并不断提出新的要求，其中一个方面是在一些特殊的环境下，无线传感网络信号比较微弱或者存在一些干扰信号，又或者在信号发出过程中发生了故障，此时GPS目标定位信号发出的信号很难被捕获，需要对无线传感网络下GPS目标定位信号检测进行检测【“。对于GPS目标定位信号处理中存在的各种问题，常用的检测方法有基于粒子群优化、基于小波分析和基于两级调频率逼近等。其中，文献[8]中的行鸿彦、张强等人采用总体平均经验模式分解法将卫星GPS地质勘探目标定位信号分解为若干个固有模态函数和趋势分量，将GPS目标定位信号的非线性信号转化为具有不同尺度特征的平稳分量;然后利用粒子群算法对GPS目标定位信号支持向量机的惩罚系数和核函数进行分类处理，根据分类结果进行数据检测。该方法存在检测成功率较低的问题。2015年郑妍等人[91以表面等一445— 万方数据离子体共振传感理论为基础.对卫星GPS地质勘探目标定位信号检测结果进行数据处理，获得采用均值估计的线性模型;然后利用小波变换分析法进行信号校正处理。该方法的检测性能较差。针对无线传感网络中GPS目标定位信号突发信号检测问题，崔诵祺等人[1o]首先利用合理近似，将无线传感网络中GPs目标定位信号转化为相对简单的线性调频信号参数估计问题进行计算：然后提出了两级调频率逼近法用于GPS目标定位信号参数估计：最后提出了GPS目标定位信号的自适应傅里叶变换峰均比门限信号数据检测方法。该方法在检测的过程中丢包率较高，且网络带宽占用率较大。在当前方法研究成果基础上，为了减小检测时的计算量，改善上述方法的检测性能，提出一种基于Duffing的卫星 GPS地质勘探目标定位信号检测检测方法。

2 卫星GPS地质勘探目标定位信号检测原理为了实现对卫星GPS地质勘探目标定位信号检测进行检测。首先对无线传感网络接收到的GPS目标定位信号进行采样;其次利用非线性阈值系统检测方法(NTS)对GPS目标定位信号的离散采样信号进行非线性阈值预处理：最后通过采样最小平均错误概率准则对预处理后的GPS目标定位信号进行数据检测。假设卫星GPS地质勘探目标定位信号传输的二进制离散信号表示为S。(k)=0和s。(k)=1，1≤k≤N，其中J7、r表示GPS目标定位信号每个码元持续时间内的采样点数，则接收的卫星GPS地质勘探目标定位信号表达式为石(%)：f5。(‘)+f(k)，Ho (1) 【s。(k)+f(k)，Hl 其中，%和q表示GPS目标定位信号检测检测统计量的二元假设;f(k)表示卫星GPS地质勘探目标定位信号的非高斯噪声，假设f(k)表示一种均值为o、方差为盯;的广义高斯噪声，则其概率密度函数表达式为地P，卢)2丽P而exp(一I焘叫(2) 其中，口>0，P>0均表示GPS目标定位信号的伽玛函数。假设无线传感网络阈值节点为符号函数.即GPS目标定位信号输出在采样值大于阈值0时表示为b=1：反之GPS目标定位信号输出采样值小于阈值0时表示为o=一1.则非线性阈值系统检测方法(NTS)中GPS目标定位信号输出信号表达式如下 z=sgn[s+孝一口]={：_。女。霎磊B2 s+孝≥一(3) 其中，sgn[·]表示GPS目标定位信号的符号函数，则NTS中 GPS目标定位信号省的均值计算公式如下 E[z r]=P(戈=1)一P(石=一1) =P(5+孝≥0)一P(5+孝<0) (4) =1—2t(0一s) 一446一式中，P0和P。分别表示GPS目标定位信号发送信息…0’和 “1”的先验概率;t(0一s)表示为上述式(4)计算获得的 GPS目标定位信号噪声概率密度函数。则 E[筇2 r]=12p(X=1)+(一1)2P(戈=一1)=l(5) 根据式(4)和(5)可以计算得到GPS目标定位信号输出信号戈的方差，其表达式为 Var[戈I r]=E[戈2 r]=酽[z r] … =4f善(0一s)一4《(0—5) 根据计算得到的髫计算出采用NTS检测方法的GPS目标定位信号检测检测统计量;为. N 互=专∑石(詹) x (7) 2可厶3\K J \。j 1’^=l 则GPS目标定位信号检测检测统计量z的概率密度分布函数的表达式如下 3 卫星GPS地质勘探目标定位信号检测方法 3.1 卫星地质勘探目标定位信号模型首先计算无线传感网络发射端的GPS目标定位信号;然后在GPS目标定位信号的接收端，对接收到的GPS目标定位信号进行混频下变频运算：最后在满足带通采样定理的条件下。

对卫星GPS地质勘探目标定位信号的中频信号进行采样。详细过程描述如下：假设Ai表示卫星GPS地质勘探目标定位信号发送端信号振幅;d(t)表示GPS目标定位信号检测电文，d(t)=±1; c(￡)表示卫星GPS地质勘探目标定位信号的C/A码相位，且 c(t)=±1。则无线传感网络发射端的GPS目标定位信号的计算表达式为 S。=Afd(t)c(￡)COS(∞RF+妒o) (10) 式中，∞。，代表卫星GPS地质勘探目标定位信号的载波频率;妒。代表GPS目标定位信号的载波初始相位。在GPS目标定位信号的接收端，对接收到的GPS目标定位信号进行混频下变频。其表达式如下 S，，=Ad(t)c[(1+田)(t—下)]·cos[(∞伊一∞D)t+妒o]+口 (11) 式中，A代表GPS目标定位信号接收端信号幅度：r代表卫星万方数据 GPS地质勘探目标定位信号C/A码相位的时延;to，代表 GPS目标定位信号的中频频率;∞。代表由卫星公转周期与地球本身自转周期差异以及GPS目标定位信号接收机与卫星的相对位移导致的Doppler频移：口代表GPS目标定位信号的噪声;田代表Doppler频移对GPS目标定位信号C/A码时延的影响因子.其计算表达式如下可=(∞D/(27r X山肼) (12) 通常情况下，叼可以忽略不急。在满足带通采样定理的条件下，对卫星GPS地质勘探目标定位信号的中频信号进行采样，获得的GPS目标定位信号离散数据表达式如下 Y=Ad(t)c(t—r)COS[(cE，伊一∞D)t+妒o]+刨(13) 3.2 地质勘探目标定位信号检测方法依据卫星GPS地质勘探目标定位信号的采样结果，引入混沌振子(Duffing)，计算GPS目标定位信号的基本方程和状态方程，以及其对应的Jacobian矩阵：然后通过对系统状态改变的检测实现对卫星GPS地质勘探目标定位信号检测的检测。具体过程如下：假设K表示GPS目标定位信号的阻尼系数：P和q表示 GPS目标定位信号的实数因子;px(t)一qx2(t)表示GPS目标定位信号的非线性恢复力i厂表示GPS目标定位信号的周期策动力幅度。引入混沌振子(Duffing)，其计算表达式如下 x(t)+KX(t)一px(t)+qx2(t)=feOS(t) (14) 将上式改写为状态方程，可得 {;：二‘y+戈一戈，+知。。。;， c·s，考虑GPS目标定位信号状态方程的固点。设定茹=0，多 =0.在不考虑卫星GPS地质勘探目标定位信号外部的周期扰动力时。厂=0，可以计算得到状态方程的3个固点为(0， 0)，(1，0)，(一l，0)。则上式(15)对应的Jacobian矩阵计算表达式为 -，=l o 1 (16) L1—3 z3一，cJ 如果待检测GPS目标定位信号中含有与周期策动力fcos 的角频率相近的信号，会使得无线传感网络检测系统状态发生较大的改变.通过对系统状态改变的检测实现对GPS目标定位信号检测的检测。为了能够检测到频率为甜=to。的卫星GPS地质勘探目标定位信号检测，对GPS目标定位信号的 Duffing振子作尺度变化，假设t=tOT，可得互(t)+∞cKX(t)一∞2c[z(f)一戈3(t)]=tO：fcos(∞ct) (17) 假设Fcos(to。.t)表示卫星GPS地质勘探目标定位信号的微弱信号;山矗表示接收GPS目标定位信号的实际频率;F 表示GPS目标定位信号的幅度值;6(t)表示均值为零的GPS 目标定位信号白噪声。

含有卫星GPS地质勘探目标定位信号的待检测数据计算表达式为 U(t)=Fcos(∞c。t)+6(t) (18) 根据上述计算，当∞%与∞c极其接近时，即可实现卫星 GPS地质勘探目标定位信号微弱信号数据检测。 4仿真结果与分析为了检测所提方法的性能。采用实测PRN21号卫星GPS 信号的数据进行实验测试，并与当前方法进行比较。所提方法的Matlab实现以及仿真数据参数设置为：无线传感网络中 GPS目标定位信号的中频信号频率为4.318MHz，采样频率为13MHz。GPS目标定位信号的数据总长为280ms.GPS目标定位信号的载频为1.309MHz;GPS目标定位信号的频移为 180Hz;GPS目标定位信号的初始相位为∥3;GPS目标定位信号的时延为l/4ms;GPS目标定位信号的Koppler步进步移为60Hz;GPS信号强度CNO为28dB—Hz。仿真网络拓扑结构如图l所示。图1仿真网络拓扑结构首先考察无线传感网络中GPS目标定位信号的一个疾病信号类型的数据检测效果。设置GPS目标定位信号e的长度为244，由三个正弦分量叠加而成，其时域波形图如下图 2所示罨蚓馨0 0 30 60 90 120 150 180 210 时间/s 图2 GPS目标定位信号e的时域波形图然后针对GPS目标定位信号e从以下两个方面检验所提方法与当前方法的检测效果。实验1.考察在无线传感网络中相同GPS目标定位信号检测采样点数下，所提方法与文献[8]、文献[9]方法在各信噪比下的检测效果。设置GPS目标定位信号检测采样点数一447— 万方数据为30，信噪比SNR的波动区间为[一10，5]。 · 从图3中可以看出，文献[9]方法的检测稳定性能较差;文献[8]方法的检测成功率始终较低;而所提方法可以在信噪比较低的条件下有效检测无线传感网络中GPS目标定位信号检测是否存在。且所提方法的检测性能随着信噪比SNR 的不断提高而有所改善.在GPS目标定位信号信噪比SNR 大于15dB时。其检测成功率达到了100%。 25 .15 .5 0 5 15 25 信嗓比SNR/dB 图3 不同方法的检测性能对比曲线图实验2，为了对比文献[10]方法与所提方法的检测性能，在MATLAB仿真环境下。在实验1的基础上。设置卫星 GPS地质勘探目标定位信号的调频斜率分别为62MHz/tLs、 92MHz/p,s和76MHz/tts，对应的幅度值分别为0.7、O.2和O. 1。文献[10]方法的阈值选择测量按照蒙特卡洛模拟基于最小检测误差选择，其中GPS目标定位信号的阈值选择范围在【0，1]内，GPS目标定位信号的步长为0.2，每个对应的阈值分别进行150次蒙特卡洛实验。统计绘制的这两种检测方法随信噪比的变化曲线如图4所示。 -25 ·15 ·5 0 5 15 25 倌嗓比SNR/dB 田4两种检测方法的性能对}t分析图分析图4可知，两种不同方法在相同的条件下。检测性能基本一致，从图4中可以看出，文献[10]方法比所提方法略占优势，但是文献[10]方法对无线传感网络中存在的GPS 目标定位信号噪声比较敏感。其阈值的设定必须经过蒙特卡洛模拟进行选择和计算。而所提方法对卫星GPs地质勘探目标定位信号检测进行检测时，不需要进行阈值选择。节省了...——448...—— 大量空间，减小了计算量，提高了检测时效性。在i7—3210M CPU、8GB运行内存仿真平台上，从检测运算其它性能上进行分析测试，仿真参数同上，对比文献[10] 方法与所提方法在典型信噪比下的丢包率(%)以及网络带宽占用率(%)。统计结果如下表1所示。表1中的I代表所提方法，Ⅱ代表文献[10]方法;Lost 代表丢包率：BOR代表无线传感网络带宽占用率。裹1典型信嗓比条件下不同方法的性能Et较从表1中可以看出，文献[10]方法在几种典型信噪比条件下的平均丢包率为25.8%。无线传感网络平均带宽占用率为32.1%;而所提方法在几种典型信噪比条件下的平均丢包率为16.2%，无线传感网络平均带宽占用率为17.8%，由此可以看出，所提方法具有明显的优越性。 5结束语根据以上仿真测试分析结果说明，对卫星GPS地质勘探目标定位信号进行数据检测的不同方法。混沌振子检测方法具有很强的优势，不仅提高了检测成功率，而且降低了丢包率和网络带宽占用率，保证了数据的完整性。为后续GPS目标定位信号检测传输提供了奠定了良好的数据基础。

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