基于非相干积分的新型频域抗干扰系统设计

2019.19科学技术创新

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基于非相干积分的新型频域抗干扰系统设计

翟晓东徐敏

（上海司南卫星导航技术股份有限公司，上海

201801)

摘要：本文就GNSS系统中常见的窄带干扰带来的定位精度差、性能弱等缺点，介绍了传统的频域窄带干扰抑制算法的实

现过程，并且针对其灵敏度低的缺点，提出了基于非相干积分的频域窄带干扰抑制算法，能够有效的提高窄带抑制的灵敏度，最

后实现在上海司南卫星导航技术股份有限公司的新产品，并且通过新产品和传统产品的干扰抑制性能对比实验，展示了本文提

案算法的干扰抑制性能，为北斗全球卫星导航定位的干扰抑制技术提供了新的解决方案

。

关键词：窄带干扰抑制；非相干积分；高灵敏度；GNSS导航

中图分类号：文献标识码：文章编号：（）

TN973.3A2096-4390201919-0001-03

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概述

由于全球卫星导航系统（间长等缺点

GNSS）具有固有的脆弱性、我们面。频域窄带干扰抑制技术的核心是利用数字信号处

临的电磁环境越来越复杂及各类卫星导航干扰技术的长足发理技术估计信号的频谱，并在频域遍历所有频点，查找超过门限

展使得卫星导航系统的精密应用面临严峻的挑战阈值的干扰频点，并对超过门限的干扰频点进行滤波处理，从而

[1,2]

。在这些挑

战中，最为普遍和典型的就是窄带干扰

。窄带干扰限制了接收、保留有用信号的目的。与时域窄带干扰抑制

定位领域的应用,更限制了接收机在定向、

[3-5]

。为了提

机的性能技术相比，频域窄带干扰抑制技术不存在收敛问题，对干扰类型

高导航接收机的性能，窄带干扰抑制技术是非常有必要的

。FFT/IFFT快速算法减少了计算量，

针对传统的各种频域干扰抑制算法，窄带干扰抑制模块中。

[6]

干扰探测灵敏度较低，较难准确发现强度较弱的窄带干扰信号

的问题，本提案提出了一种改进的窄带干扰抑制模块实现架构，

该架构在上述窄带干扰抑制信号处理流程的基础之上，增加干

扰检测模块且该模块的输入为

FFT的输出，其结果输出给抑制

模块而构成新的窄带干扰抑制系统

。改进的窄带干扰抑制模块可以在一定程度上进一步降低加窗损耗。

通过独立的基于非相干累加的窄带干扰检测模块实现干扰信

号的检测，干扰检测模块采用非相干累加获取非相干增益，从而

实现了干扰信号探测灵敏度的提高

。

2传统窄带干扰抑制方法

现有的窄带干扰抑制技术主要分为基于自适应滤波的时域

窄带干扰抑制技术和基于

FFT/IFFT的频域窄带干扰抑制技术。。

相比而言，时域窄带干扰抑制技术有硬件实现复杂度高、收敛时

达到有效抑制干扰

不敏感，同时，频域算法采用

在工程实现上得到了广泛应用

在工程应用中，FFT处理的数据长度是有限的，由于数据截

断的影响，用

FFT方法估计的信号频谱存在频谱泄露；加窗离

散傅立叶变换可以在一定程度上减小频谱泄露，但同时也会对

有用信号引入失真，造成一定的信噪比损失；采用重叠加窗技术

[7]

首先，重叠加窗模块对输入信号做重叠加窗处理；其次，对

），将时域信号变换到频域；接FFT

加窗信号做快速傅里叶变换（

着，将频域信号通过干扰抑制滤波模块，对干扰频点进行频域抑

制滤波，以消除干扰；然后，将干扰抑制后的频域信号经过

IFFT

变换到时域；最后，将时域信号经过反加窗函数，实现干扰抑制

后信号与输入信号之间的无缝链接输出

图1改进的窄带干扰抑制系统结构框图

图

2干扰检测模块处理流程

作者简介：

翟晓东（1987，1-），男，籍贯：安徽芜湖，民族：汉，学历：研究生，职称：助理工程师，研究方向：卫星导航算法研发。

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科学技术创新2019.19

图3干扰判断门限阈值自适应更新流程图

图

4干扰抑制性能测试设备连接示意图

根据公式(2)更新非相干和向量p非相干累加，

nc

和非

Step3

相干次数

n；

(2)

Step4.

判断非相干累加次数是否达到设定次数N

nc

，若不超

过，则回到

Step2，等待下一次FFT结果；

Step5.如果非相干累加次数达到设定次数N

nc

，则通过非相

干和向量

p做噪声估计；

nc

Step6.对非相干和向量p

nc

频点，结合估计噪声检测干扰

频点，并生成干扰频点掩膜向量；

(3)

Step7.

输出干扰频点信息即干扰频点掩膜向量M给干扰

抑制滤波模块测灵敏度，同时也不增加太多的硬件资源，有利于推广到工程

。

3.2非相干累加及其干扰检测灵敏度分析

本论文提案中的干扰检测模块主要采用频域信号非相干累

加算法进行干扰频点检测

。非相干累加主要有利于削弱由于噪

声的变化而带来的干信比波动，稳定干信比，让原本隐藏在噪

声之中，峰值不突出的干扰频点，经过非相干累加之后，使得干

扰频点峰值突出

、稳定，有利于提高对弱干扰信号检测的准确。

度和灵敏度

。设输入数字中频信号，

其中噪声部分的实部和虚部均服从高斯分布，幅值服从瑞利分为了增强干扰抑制系统的干扰检测的准确性和灵敏度，本

频域信号频点强度FFT变换后不改变分布类型，

布，经

也服从瑞利分布，设该瑞利分布均值

为

μ，干扰频点为。不经过非相干累加时，干扰频点a.检测并返回输入的频域信号是否有干扰频点的使能

的干信比

R可以表示为：

(4)

(5)

经过N非相干累加之后得到，其中。

nc

干扰频点为

f，所以可以得到非相干累加后的干扰频点的干信

nc

比量信息：

R可以表示为：

nc

(6)(1)

(7)

图

5K705与K708的干扰抑制性能测试对比结果

在频域滤波技术实现窄带干扰抑制技术设计过程中，FFT

处理数据长度的增加有利于提高频域干扰信号探测的灵敏度，

但将直接导致硬件系统资源开销的增加并增加系统功耗

。

本论文提案手法通过增加非相干次数，来提高干扰信号探

应用之中

。

3改进的窄带干扰抑制算法

本论文在上述窄带干扰抑制信号处理流程的基础之上，针

对传统干扰抑制系统中存在的干扰检查灵敏度差的缺点，提出

了基于非相干积分的新干扰检测模块，提升系统对干扰检测的

灵敏度

3.1基于非相干累加的自适应窄带干扰检测的抑制系统

方案在

FFT变换之后频域滤波之前，增加基于非相干积分的自

适应窄带干扰检测模块，如图

1所示。该干扰检测模块的主要

功能有：

信号（详细介绍请参考

3.2）；b.检测并返回所有干扰信号频点信

息

。图1中的干扰检测模块具体处理流程如图2所示。基于非相

干积分的干扰检测模块包括非相干累加

、噪声估计、干扰频点

检测三个单元，处理流程有：

Step1.非相干累加次数n初始化为0，同时初始化非相干

累加结果向量

Step2.对N点FFT结果依据公式(1)计算每个频点强度向

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其中，p为第n次K705板卡中，其性能也是通过产品

nn

(i)为第n次FFT之后第个i频点的幅值，μ

新的高精度卫星导航定位

FFT之后所有服从瑞利分布的频点均值。根据瑞利分布特性可

测试完成了测试

。

以推出，该均值所以通过非相

4.1测试环境

干累加可以让干扰频点的干信比趋于稳定，伴随非相干累加次数

为了真实的验证提案手法的窄带干扰抑制性能，本测试采

的增多，瑞利分布的均值

μ越稳定，干信比无限接近于，K705板卡，和具有窄带干扰抑制功能

用了带有本提案算法的

当干信比提高，有利于提高对弱干扰信的高精度卫星导航定位

K708板卡做对比，同时对于输入的卫

号的检测灵敏度

。经理论和仿真实验验证，GSS9000信号源播放的纯净BDSB1频在一定程度上，伴随

采用思博伦的星信号源，

非相干积分累加次数的增加，干信比越趋于稳定，干扰信号检点信号，干扰源采用安捷伦的

N9310A信号发生器输出的纯净

测灵敏度越好，但是当非相干累加次数过度增加，干扰信号检

连续波干扰信号

。按照图4的连接方式连接，伴随着信号发生

测的灵敏度上升有限，反而会带来一定的硬件资源的开销和功

器产生的不同强度的干扰信号，观测载噪比

CN0的变化。

耗，当非相干积分累加次数为

1次的时候，则退化成最简单的

4.2测试结果及分析

干扰检测器，对干扰信号检测的灵敏度最弱本次测试只观测

。所以，BDSB1频点的PRN=1信号的抗干扰性能在实际应用

中，综合考虑性能和资源开销的前提下，非相干累加次数配置（通过调节模拟器输出的信号能量，使其播放能量相同，所以可

成一个经验值以认为所有卫星的载噪比相同），并且与没有干扰抑制功能的

。

3.3基于自适应噪声估计的干扰检测机制K708对比，实验结果如图5所示。

在上文提出了采用非相干累加的干扰检测模块提高对较弱

通过实验结果可以知道，一方面对于没有抗干扰功能的

干扰信号检测的灵敏度，然而对于强度

、频率不断变化的干扰，

K708而言，在干信比约为13dB的时候信号CN0衰减2dB，当

噪声能量估计的正确性是干扰探测准确性的前提，本提案中采干信比超过

30dB时，K708已经不能正常搜星；另一方面对于打

用自适应的方法来做噪声能量估计，从而根据估计的噪声能量

开抗干扰功能的

K705而言，在干信比约48dB的时候CN0衰减

计算出干扰探测阈值门限

。干扰检测阈值自适应估计主要由图

2dB，当干信比超过65dB的时候，K705才不能正常搜星。通过

对比

K708和K705的性能，可以知道带抗干扰的K705要比

2中噪声估计模块完成。具体的处理流程如图3所示。

Step1.输入频域信号经过非相干累加后的非相干和向量K708好35dB的干扰抑制性能。

P=0；5结论

ncacc

，初始化干扰判断阈值T=0，和噪声估计值N

本论文主要阐述了基于非相干积分的窄带干扰抑制算法的

Step2.判断第i个频点是否在带内，是带内频点则转到

实现过程，以及其自适应干扰检测的实现方式，最后在新产品

Step3，不是带内频点则i=i+1继续判断下一个频点；

并将其与传统板卡进行干扰抑制性能对比研发中实现该算法，

Step3.继续判断第i个频点是否是干扰频点，如果不是干

为我国北斗导航接收机的抗干扰技术提供了新的解决方测试，

扰频点则累加该频点强度值

P

nc

(i)，如果是干扰频点则累加上次

案

。

噪声估计值；

参考文献

(8)[1]刘宏华,陈巧霞,廖有幸.GNSS抗干扰技术的现状与发展[J].

舰船电子对抗,2014,37(6):44-48.

Step4.

判断所有N个频点是否累加完毕，如果累加完毕，

[2]

叶宝盛.GNSS抗干扰接收机技术研究[D].成都：电子科技大

则继续

Step5，.否则跳回Step2，i=i+1继续判断下一个频点；

学

[3]

邓志鑫,蔚保国,罗显志,司东晓.GNSS干扰检测与定位技Step5.当所有N个频点累加完毕后，求当前噪声估计值

术综述

[C].第一届中国卫星导航学术年会.CSNC2010.2010年

Step6.依据公式(9)对当前噪声估计值做平滑滤波处理；

5月.

[4]

タク暁東,杉本侑哉,宮部滋樹,山田武志,牧野昭二.高次

(9)

モーメント分析に基づく非線形

GCCによる高精度到来時間

差推定

[C].音講論集1-Q-23,pp.747-750(2013.9).

[5]X.Zhai,Y.Sugimoto,S.Miyabe,T.Yamada,andS.

Step7.

更新上次估计噪声值

Step8.对估计噪声乘以指定系数更新阈值门限

Makino.TDOAestimationbymappedsteeredresponpower

analysisutilizinghigher-ordermoments[C].in,FP-

干扰判断门限阈值更新周期为个样本点，针对干

P1-3,pp.1-4,Dec.2014.

扰强度不断变化的干扰信号，系统可以自适应的迅速更新门限

[6]

张春海,薛丽君,张尔扬.基于自适应多门限算法的变换域窄带

阈值，从而提高了干扰抑制系统对干扰信号检测的准确性

。

2006，3.[J].电子与信息学报，

干扰抑制

综上所述，本提案中一方面利用非相干积分累加算法，提高

[7]

赵宇,陈西宏,刘强.基于加窗DFT的直扩通信系统窄带干扰

系统弱干扰信号的检测灵敏度；另一方面，利用干扰判断门限

抑制研究

[J].电视技术，2011，15.

阈值自适应估计算法，增强系统对强度变化的干扰信号检测的

准确性

。

4干扰抑制性能测试

本论文提案手法作为上海司南卫星导航技术股份有限公司

的自主研发技术，已经完成了测试版验证，同时也应用到了最