基于非相干積分的新型頻域抗干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2019.19科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新

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基于非相干積分的新型頻域抗干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翟曉東徐敏

（上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海

201801)

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

現(xiàn)過程，并且針對其靈敏度低的缺點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)在上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司的新產(chǎn)品，并且通過新產(chǎn)品和傳統(tǒng)產(chǎn)品的干擾抑制性能對比實(shí)驗(yàn)，展示了本文提

案算法的干擾抑制性能，為北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位的干擾抑制技術(shù)提供了新的解決方案

。

關(guān)鍵詞：窄帶干擾抑制；非相干積分；高靈敏度；GNSS導(dǎo)航

中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（）

TN973.3A2096-4390201919-0001-03

1

概述

由于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（間長等缺點(diǎn)

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

臨的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜及各類衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)的長足發(fā)理技術(shù)估計(jì)信號的頻譜，并在頻域遍歷所有頻點(diǎn)，查找超過門限

展使得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密應(yīng)用面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)閾值的干擾頻點(diǎn)，并對超過門限的干擾頻點(diǎn)進(jìn)行濾波處理，從而

[1,2]

。在這些挑

戰(zhàn)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(shí)域窄帶干擾抑制

定位領(lǐng)域的應(yīng)用,更限制了接收機(jī)在定向、

[3-5]

。為了提

機(jī)的性能技術(shù)相比，頻域窄帶干擾抑制技術(shù)不存在收斂問題，對干擾類型

高導(dǎo)航接收機(jī)的性能，窄帶干擾抑制技術(shù)是非常有必要的

。FFT/IFFT快速算法減少了計(jì)算量，

針對傳統(tǒng)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(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度較弱的窄帶干擾信號

的問題，本提案提出了一種改進(jìn)的窄帶干擾抑制模塊實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，

該架構(gòu)在上述窄帶干擾抑制信號處理流程的基礎(chǔ)之上，增加干

擾檢測模塊且該模塊的輸入為

FFT的輸出，其結(jié)果輸出給抑制

模塊而構(gòu)成新的窄帶干擾抑制系統(tǒng)

。改進(jìn)的窄帶干擾抑制模塊可以在一定程度上進(jìn)一步降低加窗損耗。

通過獨(dú)立的基于非相干累加的窄帶干擾檢測模塊實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了干擾信號探測靈敏度的提高

。

2傳統(tǒng)窄帶干擾抑制方法

現(xiàn)有的窄帶干擾抑制技術(shù)主要分為基于自適應(yīng)濾波的時(shí)域

窄帶干擾抑制技術(shù)和基于

FFT/IFFT的頻域窄帶干擾抑制技術(shù)。。

相比而言，時(shí)域窄帶干擾抑制技術(shù)有硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、收斂時(shí)

達(dá)到有效抑制干擾

不敏感，同時(shí)，頻域算法采用

在工程實(shí)現(xiàn)上得到了廣泛應(yīng)用

在工程應(yīng)用中，FFT處理的數(shù)據(jù)長度是有限的，由于數(shù)據(jù)截

斷的影響，用

FFT方法估計(jì)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(shí)也會(huì)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(shù)

[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(shí)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(diǎn)進(jìn)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(jīng)過

IFFT

變換到時(shí)域；最后，將時(shí)域信號經(jīng)過反加窗函數(shù)，實(shí)現(xiàn)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(jìn)的窄帶干擾抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xué)歷：研究生，職稱：助理工程師，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航算法研發(fā)。

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科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新2019.19

圖3干擾判斷門限閾值自適應(yīng)更新流程圖

圖

4干擾抑制性能測試設(shè)備連接示意圖

根據(jù)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(shù)

n；

(2)

Step4.

判斷非相干累加次數(shù)是否達(dá)到設(shè)定次數(shù)N

nc

，若不超

過，則回到

Step2，等待下一次FFT結(jié)果；

Step5.如果非相干累加次數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)N

nc

，則通過非相

干和向量

p做噪聲估計(jì)；

nc

Step6.對非相干和向量p

nc

頻點(diǎn)，結(jié)合估計(jì)噪聲檢測干擾

頻點(diǎn)，并生成干擾頻點(diǎn)掩膜向量；

(3)

Step7.

輸出干擾頻點(diǎn)信息即干擾頻點(diǎn)掩膜向量M給干擾

抑制濾波模塊測靈敏度，同時(shí)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(jìn)行干擾頻點(diǎn)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(dòng)，穩(wěn)定干信比，讓原本隱藏在噪

聲之中，峰值不突出的干擾頻點(diǎn)，經(jīng)過非相干累加之后，使得干

擾頻點(diǎn)峰值突出

、穩(wěn)定，有利于提高對弱干擾信號檢測的準(zhǔn)確。

度和靈敏度

。設(shè)輸入數(shù)字中頻信號，

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

頻域信號頻點(diǎn)強(qiáng)度FFT變換后不改變分布類型，

布，經(jīng)

也服從瑞利分布，設(shè)該瑞利分布均值

為

μ，干擾頻點(diǎn)為。不經(jīng)過非相干累加時(shí)，干擾頻點(diǎn)a.檢測并返回輸入的頻域信號是否有干擾頻點(diǎn)的使能

的干信比

R可以表示為：

(4)

(5)

經(jīng)過N非相干累加之后得到，其中。

nc

干擾頻點(diǎn)為

f，所以可以得到非相干累加后的干擾頻點(diǎn)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(jié)果

在頻域?yàn)V波技術(shù)實(shí)現(xiàn)窄帶干擾抑制技術(shù)設(shè)計(jì)過程中，FFT

處理數(shù)據(jù)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(dǎo)致硬件系統(tǒng)資源開銷的增加并增加系統(tǒng)功耗

。

本論文提案手法通過增加非相干次數(shù)，來提高干擾信號探

應(yīng)用之中

。

3改進(jìn)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(chǔ)之上，針

對傳統(tǒng)干擾抑制系統(tǒng)中存在的干擾檢查靈敏度差的缺點(diǎn)，提出

了基于非相干積分的新干擾檢測模塊，提升系統(tǒng)對干擾檢測的

靈敏度

3.1基于非相干累加的自適應(yīng)窄帶干擾檢測的抑制系統(tǒng)

方案在

FFT變換之后頻域?yàn)V波之前，增加基于非相干積分的自

適應(yīng)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(xì)介紹請參考

3.2）；b.檢測并返回所有干擾信號頻點(diǎn)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(jì)、干擾頻點(diǎn)

檢測三個(gè)單元，處理流程有：

Step1.非相干累加次數(shù)n初始化為0，同時(shí)初始化非相干

累加結(jié)果向量

Step2.對N點(diǎn)FFT結(jié)果依據(jù)公式(1)計(jì)算每個(gè)頻點(diǎn)強(qiáng)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(chǎn)品

nn

(i)為第n次FFT之后第個(gè)i頻點(diǎn)的幅值，μ

新的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位

FFT之后所有服從瑞利分布的頻點(diǎn)均值。根據(jù)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(huán)境

干累加可以讓干擾頻點(diǎn)的干信比趨于穩(wěn)定，伴隨非相干累加次數(shù)

為了真實(shí)的驗(yàn)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(wěn)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(dāng)干信比提高，有利于提高對弱干擾信的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位

K708板卡做對比，同時(shí)對于輸入的衛(wèi)

號的檢測靈敏度

。經(jīng)理論和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shù)的增加，干信比越趨于穩(wěn)定，干擾信號檢點(diǎn)信號，干擾源采用安捷倫的

N9310A信號發(fā)生器輸出的純凈

測靈敏度越好，但是當(dāng)非相干累加次數(shù)過度增加，干擾信號檢

連續(xù)波干擾信號

。按照圖4的連接方式連接，伴隨著信號發(fā)生

測的靈敏度上升有限，反而會(huì)帶來一定的硬件資源的開銷和功

器產(chǎn)生的不同強(qiáng)度的干擾信號，觀測載噪比

CN0的變化。

耗，當(dāng)非相干積分累加次數(shù)為

1次的時(shí)候，則退化成最簡單的

4.2測試結(jié)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(diǎn)的PRN=1信號的抗干擾性能在實(shí)際應(yīng)用

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

成一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值以認(rèn)為所有衛(wèi)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(yīng)噪聲估計(jì)的干擾檢測機(jī)制K708對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度

、頻率不斷變化的干擾，

K708而言，在干信比約為13dB的時(shí)候信號CN0衰減2dB，當(dāng)

噪聲能量估計(jì)的正確性是干擾探測準(zhǔn)確性的前提，本提案中采干信比超過

30dB時(shí)，K708已經(jīng)不能正常搜星；另一方面對于打

用自適應(yīng)的方法來做噪聲能量估計(jì)，從而根據(jù)估計(jì)的噪聲能量

開抗干擾功能的

K705而言，在干信比約48dB的時(shí)候CN0衰減

計(jì)算出干擾探測閾值門限

。干擾檢測閾值自適應(yīng)估計(jì)主要由圖

2dB，當(dāng)干信比超過65dB的時(shí)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(jì)模塊完成。具體的處理流程如圖3所示。

Step1.輸入頻域信號經(jīng)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(jié)論

ncacc

，初始化干擾判斷閾值T=0，和噪聲估計(jì)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(gè)頻點(diǎn)是否在帶內(nèi)，是帶內(nèi)頻點(diǎn)則轉(zhuǎn)到

實(shí)現(xiàn)過程，以及其自適應(yīng)干擾檢測的實(shí)現(xiàn)方式，最后在新產(chǎn)品

Step3，不是帶內(nèi)頻點(diǎn)則i=i+1繼續(xù)判斷下一個(gè)頻點(diǎn)；

并將其與傳統(tǒng)板卡進(jìn)行干擾抑制性能對比研發(fā)中實(shí)現(xiàn)該算法，

Step3.繼續(xù)判斷第i個(gè)頻點(diǎn)是否是干擾頻點(diǎn)，如果不是干

為我國北斗導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾技術(shù)提供了新的解決方測試，

擾頻點(diǎn)則累加該頻點(diǎn)強(qiáng)度值

P

nc

(i)，如果是干擾頻點(diǎn)則累加上次

案

。

噪聲估計(jì)值；

參考文獻(xiàn)

(8)[1]劉宏華,陳巧霞,廖有幸.GNSS抗干擾技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].

艦船電子對抗,2014,37(6):44-48.

Step4.

判斷所有N個(gè)頻點(diǎn)是否累加完畢，如果累加完畢，

[2]

葉寶盛.GNSS抗干擾接收機(jī)技術(shù)研究[D].成都：電子科技大

則繼續(xù)

Step5，.否則跳回Step2，i=i+1繼續(xù)判斷下一個(gè)頻點(diǎn)；

學(xué)

[3]

鄧志鑫,蔚保國,羅顯志,司東曉.GNSS干擾檢測與定位技Step5.當(dāng)所有N個(gè)頻點(diǎn)累加完畢后，求當(dāng)前噪聲估計(jì)值

術(shù)綜述

[C].第一屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì).CSNC2010.2010年

Step6.依據(jù)公式(9)對當(dāng)前噪聲估計(jì)值做平滑濾波處理；

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による高精度到來時(shí)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.

更新上次估計(jì)噪聲值

Step8.對估計(jì)噪聲乘以指定系數(shù)更新閾值門限

Makino.TDOAestimationbymappedsteeredresponpower

analysisutilizinghigher-ordermoments[C].in,FP-

干擾判斷門限閾值更新周期為個(gè)樣本點(diǎn)，針對干

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

擾強(qiáng)度不斷變化的干擾信號，系統(tǒng)可以自適應(yīng)的迅速更新門限

[6]

張春海,薛麗君,張爾揚(yáng).基于自適應(yīng)多門限算法的變換域窄帶

閾值，從而提高了干擾抑制系統(tǒng)對干擾信號檢測的準(zhǔn)確性

。

2006，3.[J].電子與信息學(xué)報(bào)，

干擾抑制

綜上所述，本提案中一方面利用非相干積分累加算法，提高

[7]

趙宇,陳西宏,劉強(qiáng).基于加窗DFT的直擴(kuò)通信系統(tǒng)窄帶干擾

系統(tǒng)弱干擾信號的檢測靈敏度；另一方面，利用干擾判斷門限

抑制研究

[J].電視技術(shù)，2011，15.

閾值自適應(yīng)估計(jì)算法，增強(qiáng)系統(tǒng)對強(qiáng)度變化的干擾信號檢測的

準(zhǔn)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(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司

的自主研發(fā)技術(shù)，已經(jīng)完成了測試版驗(yàn)證，同時(shí)也應(yīng)用到了最