我校在卫星导航抗干扰领域取得新进展

近日，我校计算机与信息学院孙克文课题组在卫星导航抗干扰领域取得重要进展，相关研究成果以题为“A GNSS Anti-Interference Method based on Fractional Fourier Transform”的论文发表于导航与航天领域国际顶刊《IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems》。

随着全球导航卫星系统（GNSS）在军事和民用领域的广泛应用，电磁干扰成为卫星导航系统安全运行的主要威胁。精准检测并有效抑制电磁干扰信号对于保障卫星导航系统提供精确的导航和定位服务至关重要。由于导航卫星距离地球十分遥远，接收机天线端所接收的卫星信号极其微弱，信噪比很低，GNSS接收机容易受到多种形式的电磁干扰，造成导航定位性能下降，甚至无法正常工作。

为了突破复杂电磁环境下的卫星导航抗干扰难题，合肥工业大学孙克文课题组与英国帝国理工大学合作，在国际上系统性地创建了基于分数阶傅里叶变换（FrFT）的卫星导航抗干扰理论与方法。在这项工作中，研究人员深入分析了现有时频分析技术在电磁干扰检测方面的局限性，揭示了传统谱图技术的时频分辨率折中问题以及Wigner-Ville分布中的交叉项问题。为此，研究人员创造性地提出利用FrFT检测卫星导航电磁干扰，通过将全局能量分布搜索转化为参数空间中能量分布峰值点的局部检测，显著增强了电磁干扰能量集聚特性，大幅提升了GNSS电磁干扰检测性能。这一研究为解决GNSS电磁干扰检测与抑制难题提供了全新思路和解决方案，突破了现有时频分析技术的不足。

图1 现有时频变换抗干扰技术的不足

研究人员通过构建基于FrFT一阶矩的最优分数阶数确定模型，将传统的二维搜索转化为高效的一维搜索机制，有效降低了计算复杂度，为卫星导航分数域变换抗干扰理论体系的建立与实际部署提供了实时性保障。为了有效抑制GNSS接收机在复杂电磁环境下所遭受的电磁干扰信号，研究人员提出在FrFT域对电磁干扰进行滤波，取得了非常满意的抗干扰效果。通过运用ROC（Receiver Operating Characteristic）、SNR（Signal-to-Noise Ratio）曲线、干扰容限、等效载噪比等评价指标对抗干扰性能进行综合对比分析，进一步证实了该理论的有效性与可靠性。在导航对抗环境中，GNSS干扰机的扫描周期通常在50至100微秒之间。然而，本方法经过深入研究与分析表明，即使在干扰机扫描周期缩短至20微秒的极端条件下，仍能保持卓越的抗干扰能力。此外，本方法在抗干扰性能上比国际领先的多极点陷波器技术高出25分贝以上，尤其适用于复杂多变的电磁环境，为卫星导航抗干扰装备的设计与研发提供了强有力的技术支撑。这一突破性进展将显著提升卫星导航系统在对抗条件下的稳定性和可靠性。

本研究系统性地构建了基于分数域变换处理的卫星导航抗干扰理论体系，为有效应对复杂的电磁干扰问题提供了全新的思路和解决方案。该方法能够在复杂电磁环境下精准检测并抑制各类电磁干扰，显著提升卫星导航抗干扰能力。这一突破不仅有助于增强我国北斗导航系统的抗干扰性能，确保提供更加精确、可靠和安全的导航与定位服务，还对保障国家重要基础设施的安全运行具有重要意义。此外，研究成果在自动驾驶、智能电网、无线通信、低空飞行等多个领域展现出广阔的应用前景，为未来技术发展提供了坚实的理论基础和技术保障。

图2 基于分数阶傅立叶变换的卫星导航抗干扰性能分析

合肥工业大学是本论文的第一署名单位，合肥工业大学孙克文是该论文的第一作者同时也是通信作者。此外，参与本论文研究的还有来自英国帝国理工大学的荣誉高级讲师Mireille Elhajj博士，以及英国皇家工程院院士、帝国理工大学土木与环境工程系主任、定位与导航系统讲座教授Washington Yotto Ochieng。该研究得到国家自然科学基金资助。

原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10445358。

（孙克文 文/图 张海林/审核）

责任编辑：程婷婷

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