基于非相干積分的新型頻域抗干擾系統設計

2019.19科學技術創新

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基于非相干積分的新型頻域抗干擾系統設計

翟曉東徐敏

（上海司南衛星導航技術股份有限公司，上海

201801)

摘要：本文就GNSS系統中常見的窄帶干擾帶來的定位精度差、性能弱等缺點，介紹了傳統的頻域窄帶干擾抑制算法的實

現過程，并且針對其靈敏度低的缺點，提出了基于非相干積分的頻域窄帶干擾抑制算法，能夠有效的提高窄帶抑制的靈敏度，最

后實現在上海司南衛星導航技術股份有限公司的新產品，并且通過新產品和傳統產品的干擾抑制性能對比實驗，展示了本文提

案算法的干擾抑制性能，為北斗全球衛星導航定位的干擾抑制技術提供了新的解決方案

。

關鍵詞：窄帶干擾抑制；非相干積分；高靈敏度；GNSS導航

中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）

TN973.3A2096-4390201919-0001-03

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概述

由于全球衛星導航系統（間長等缺點

GNSS）具有固有的脆弱性、我們面。頻域窄帶干擾抑制技術的核心是利用數字信號處

臨的電磁環境越來越復雜及各類衛星導航干擾技術的長足發理技術估計信號的頻譜，并在頻域遍歷所有頻點，查找超過門限

展使得衛星導航系統的精密應用面臨嚴峻的挑戰閾值的干擾頻點，并對超過門限的干擾頻點進行濾波處理，從而

[1,2]

。在這些挑

戰中，最為普遍和典型的就是窄帶干擾

。窄帶干擾限制了接收、保留有用信號的目的。與時域窄帶干擾抑制

定位領域的應用,更限制了接收機在定向、

[3-5]

。為了提

機的性能技術相比，頻域窄帶干擾抑制技術不存在收斂問題，對干擾類型

高導航接收機的性能，窄帶干擾抑制技術是非常有必要的

。FFT/IFFT快速算法減少了計算量，

針對傳統的各種頻域干擾抑制算法，窄帶干擾抑制模塊中。

[6]

干擾探測靈敏度較低，較難準確發現強度較弱的窄帶干擾信號

的問題，本提案提出了一種改進的窄帶干擾抑制模塊實現架構，

該架構在上述窄帶干擾抑制信號處理流程的基礎之上，增加干

擾檢測模塊且該模塊的輸入為

FFT的輸出，其結果輸出給抑制

模塊而構成新的窄帶干擾抑制系統

。改進的窄帶干擾抑制模塊可以在一定程度上進一步降低加窗損耗。

通過獨立的基于非相干累加的窄帶干擾檢測模塊實現干擾信

號的檢測，干擾檢測模塊采用非相干累加獲取非相干增益，從而

實現了干擾信號探測靈敏度的提高

。

2傳統窄帶干擾抑制方法

現有的窄帶干擾抑制技術主要分為基于自適應濾波的時域

窄帶干擾抑制技術和基于

FFT/IFFT的頻域窄帶干擾抑制技術。。

相比而言，時域窄帶干擾抑制技術有硬件實現復雜度高、收斂時

達到有效抑制干擾

不敏感，同時，頻域算法采用

在工程實現上得到了廣泛應用

在工程應用中，FFT處理的數據長度是有限的，由于數據截

斷的影響，用

FFT方法估計的信號頻譜存在頻譜泄露；加窗離

散傅立葉變換可以在一定程度上減小頻譜泄露，但同時也會對

有用信號引入失真，造成一定的信噪比損失；采用重疊加窗技術

[7]

首先，重疊加窗模塊對輸入信號做重疊加窗處理；其次，對

），將時域信號變換到頻域；接FFT

加窗信號做快速傅里葉變換（

著，將頻域信號通過干擾抑制濾波模塊，對干擾頻點進行頻域抑

制濾波，以消除干擾；然后，將干擾抑制后的頻域信號經過

IFFT

變換到時域；最后，將時域信號經過反加窗函數，實現干擾抑制

后信號與輸入信號之間的無縫鏈接輸出

圖1改進的窄帶干擾抑制系統結構框圖

圖

2干擾檢測模塊處理流程

作者簡介：

翟曉東（1987，1-），男，籍貫：安徽蕪湖，民族：漢，學歷：研究生，職稱：助理工程師，研究方向：衛星導航算法研發。

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科學技術創新2019.19

圖3干擾判斷門限閾值自適應更新流程圖

圖

4干擾抑制性能測試設備連接示意圖

根據公式(2)更新非相干和向量p非相干累加，

nc

和非

Step3

相干次數

n；

(2)

Step4.

判斷非相干累加次數是否達到設定次數N

nc

，若不超

過，則回到

Step2，等待下一次FFT結果；

Step5.如果非相干累加次數達到設定次數N

nc

，則通過非相

干和向量

p做噪聲估計；

nc

Step6.對非相干和向量p

nc

頻點，結合估計噪聲檢測干擾

頻點，并生成干擾頻點掩膜向量；

(3)

Step7.

輸出干擾頻點信息即干擾頻點掩膜向量M給干擾

抑制濾波模塊測靈敏度，同時也不增加太多的硬件資源，有利于推廣到工程

。

3.2非相干累加及其干擾檢測靈敏度分析

本論文提案中的干擾檢測模塊主要采用頻域信號非相干累

加算法進行干擾頻點檢測

。非相干累加主要有利于削弱由于噪

聲的變化而帶來的干信比波動，穩定干信比，讓原本隱藏在噪

聲之中，峰值不突出的干擾頻點，經過非相干累加之后，使得干

擾頻點峰值突出

、穩定，有利于提高對弱干擾信號檢測的準確。

度和靈敏度

。設輸入數字中頻信號，

其中噪聲部分的實部和虛部均服從高斯分布，幅值服從瑞利分為了增強干擾抑制系統的干擾檢測的準確性和靈敏度，本

頻域信號頻點強度FFT變換后不改變分布類型，

布，經

也服從瑞利分布，設該瑞利分布均值

為

μ，干擾頻點為。不經過非相干累加時，干擾頻點a.檢測并返回輸入的頻域信號是否有干擾頻點的使能

的干信比

R可以表示為：

(4)

(5)

經過N非相干累加之后得到，其中。

nc

干擾頻點為

f，所以可以得到非相干累加后的干擾頻點的干信

nc

比量信息：

R可以表示為：

nc

(6)(1)

(7)

圖

5K705與K708的干擾抑制性能測試對比結果

在頻域濾波技術實現窄帶干擾抑制技術設計過程中，FFT

處理數據長度的增加有利于提高頻域干擾信號探測的靈敏度，

但將直接導致硬件系統資源開銷的增加并增加系統功耗

。

本論文提案手法通過增加非相干次數，來提高干擾信號探

應用之中

。

3改進的窄帶干擾抑制算法

本論文在上述窄帶干擾抑制信號處理流程的基礎之上，針

對傳統干擾抑制系統中存在的干擾檢查靈敏度差的缺點，提出

了基于非相干積分的新干擾檢測模塊，提升系統對干擾檢測的

靈敏度

3.1基于非相干累加的自適應窄帶干擾檢測的抑制系統

方案在

FFT變換之后頻域濾波之前，增加基于非相干積分的自

適應窄帶干擾檢測模塊，如圖

1所示。該干擾檢測模塊的主要

功能有：

信號（詳細介紹請參考

3.2）；b.檢測并返回所有干擾信號頻點信

息

。圖1中的干擾檢測模塊具體處理流程如圖2所示。基于非相

干積分的干擾檢測模塊包括非相干累加

、噪聲估計、干擾頻點

檢測三個單元，處理流程有：

Step1.非相干累加次數n初始化為0，同時初始化非相干

累加結果向量

Step2.對N點FFT結果依據公式(1)計算每個頻點強度向

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其中，p為第n次K705板卡中，其性能也是通過產品

nn

(i)為第n次FFT之后第個i頻點的幅值，μ

新的高精度衛星導航定位

FFT之后所有服從瑞利分布的頻點均值。根據瑞利分布特性可

測試完成了測試

。

以推出，該均值所以通過非相

4.1測試環境

干累加可以讓干擾頻點的干信比趨于穩定，伴隨非相干累加次數

為了真實的驗證提案手法的窄帶干擾抑制性能，本測試采

的增多，瑞利分布的均值

μ越穩定，干信比無限接近于，K705板卡，和具有窄帶干擾抑制功能

用了帶有本提案算法的

當干信比提高，有利于提高對弱干擾信的高精度衛星導航定位

K708板卡做對比，同時對于輸入的衛

號的檢測靈敏度

。經理論和仿真實驗驗證，GSS9000信號源播放的純凈BDSB1頻在一定程度上，伴隨

采用思博倫的星信號源，

非相干積分累加次數的增加，干信比越趨于穩定，干擾信號檢點信號，干擾源采用安捷倫的

N9310A信號發生器輸出的純凈

測靈敏度越好，但是當非相干累加次數過度增加，干擾信號檢

連續波干擾信號

。按照圖4的連接方式連接，伴隨著信號發生

測的靈敏度上升有限，反而會帶來一定的硬件資源的開銷和功

器產生的不同強度的干擾信號，觀測載噪比

CN0的變化。

耗，當非相干積分累加次數為

1次的時候，則退化成最簡單的

4.2測試結果及分析

干擾檢測器，對干擾信號檢測的靈敏度最弱本次測試只觀測

。所以，BDSB1頻點的PRN=1信號的抗干擾性能在實際應用

中，綜合考慮性能和資源開銷的前提下，非相干累加次數配置（通過調節模擬器輸出的信號能量，使其播放能量相同，所以可

成一個經驗值以認為所有衛星的載噪比相同），并且與沒有干擾抑制功能的

。

3.3基于自適應噪聲估計的干擾檢測機制K708對比，實驗結果如圖5所示。

在上文提出了采用非相干累加的干擾檢測模塊提高對較弱

通過實驗結果可以知道，一方面對于沒有抗干擾功能的

干擾信號檢測的靈敏度，然而對于強度

、頻率不斷變化的干擾，

K708而言，在干信比約為13dB的時候信號CN0衰減2dB，當

噪聲能量估計的正確性是干擾探測準確性的前提，本提案中采干信比超過

30dB時，K708已經不能正常搜星；另一方面對于打

用自適應的方法來做噪聲能量估計，從而根據估計的噪聲能量

開抗干擾功能的

K705而言，在干信比約48dB的時候CN0衰減

計算出干擾探測閾值門限

。干擾檢測閾值自適應估計主要由圖

2dB，當干信比超過65dB的時候，K705才不能正常搜星。通過

對比

K708和K705的性能，可以知道帶抗干擾的K705要比

2中噪聲估計模塊完成。具體的處理流程如圖3所示。

Step1.輸入頻域信號經過非相干累加后的非相干和向量K708好35dB的干擾抑制性能。

P=0；5結論

ncacc

，初始化干擾判斷閾值T=0，和噪聲估計值N

本論文主要闡述了基于非相干積分的窄帶干擾抑制算法的

Step2.判斷第i個頻點是否在帶內，是帶內頻點則轉到

實現過程，以及其自適應干擾檢測的實現方式，最后在新產品

Step3，不是帶內頻點則i=i+1繼續判斷下一個頻點；

并將其與傳統板卡進行干擾抑制性能對比研發中實現該算法，

Step3.繼續判斷第i個頻點是否是干擾頻點，如果不是干

為我國北斗導航接收機的抗干擾技術提供了新的解決方測試，

擾頻點則累加該頻點強度值

P

nc

(i)，如果是干擾頻點則累加上次

案

。

噪聲估計值；

參考文獻

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Step4.

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則繼續

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Step7.

更新上次估計噪聲值

Step8.對估計噪聲乘以指定系數更新閾值門限

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綜上所述，本提案中一方面利用非相干積分累加算法，提高

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閾值自適應估計算法，增強系統對強度變化的干擾信號檢測的

準確性

。

4干擾抑制性能測試

本論文提案手法作為上海司南衛星導航技術股份有限公司

的自主研發技術，已經完成了測試版驗證，同時也應用到了最