Методы подавления помех при приеме сигналов глобальных навигационных спутниковых систем на основе обработки сигналов во временной, частотной и частотно-временной областях

Введение. На основе анализа многочисленных литературных источников предлагается вариант классификации методов подавления помех при приеме сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Представлены результаты аналитического обзора методов подавления помех ГНСС на базе обработки сигналов во временной, частотной и частотно-временной областях.
Цель работы. Краткий обзор методов с пояснением основных принципов и подходов при подавлении помех ГНСС на основе обработки сигналов во временной, частотной и частотно-временной областях.
Материалы и методы. Исследования и анализ рассматриваемых методов выполнены на основе материалов литературных источников 2000–2024 гг. (в основном на английском языке), которые отбирались в соответствии со следующими критериями: во-первых, применение методов подавления именно к помехам ГНСС; во-вторых, с теоретическим обоснованием и экспериментальным подтверждением эффективности предлагаемых методов. В статье рассмотрены методы борьбы с помехами ГНСС на основе обработки сигналов во временной, частотной и частотно-временной областях с применением адаптивных режекторных фильтров, спектрального анализа, кратковременного преобразования Фурье (Short-Time Fourier Transform – STFT), преобразования Вигнера–Вилля (Wigner–Ville Distribution – WVD) и его модификаций.
Результаты. Предложен вариант классификации методов подавления помех при приеме сигналов ГНСС. На основе этой классификации представлен обзор и основные результаты сравнительного анализа методов и алгоритмов борьбы с помехами, использующих обработку сигналов в одномерных и двумерных областях (временной, частотной и частотно-временной).
Заключение. Проведенный обзор и сравнительный анализ наиболее распространенных и эффективных методов борьбы с помехами ГНСС позволяет исследователям и разработчикам сократить время на изучение множества подходов к решению данной проблемы, предложенных на сегодняшний день в литературе. В следующей статье по этой теме будут рассмотрены методы подавления помех ГНСС с использованием вейвлет-преобразования (Wavelet Transform), а также обработки сигналов в пространственной и пространственно-временной областях.

1. Sharifi-Tehrani O., Ghasemi M. H. A Review on GNSS-Threat Detection and Mitigation Techniques // Cloud Computing and Data Science. 2022. Vol. 4, № 2. P. 161–185. doi: 10.37256/ccds.4320231678

2. Ioannides R. T., Pany T., Gibbons G. Known Vulnerabilities of Global Navigation Satellite Systems, Status and Potential Mitigation Techniques // Proc. of the IEEE. 2016. Vol. 104, № 6. P. 1174–1194. doi: 10.1109/JPROC.2016.2535898

3. Dovis F., Di Torino P. GNSS Interference, Threats and Countermeasures.Norwood:Artech House, 2015. 220 p.

4. Protecting GNSS Receivers from Jamming and Interference / G. X. Gao, M. Sgammini, M. Lu, N. Kubo // Proc. of the IEEE. 2016. Vol. 104, № 6. P. 1327–1338. doi: 10.1109/JPROC.2016.2525938

5. Коломенский К. Ю. Методы обнаружения помех при приеме сигналов глобальных навигационных систем. Ч. I // Электросвязь. 2024. № 10. С. 44–51. doi: 10.34832/ELSV.2024.59.10.007

6. Коломенский К. Ю. Методы обнаружения помех при приеме сигналов глобальных навигационных систем. Ч. II // Электросвязь. 2024. № 11. С. 39–48. doi: 10.34832/ELSV.2024.60.11.006

7. Suppression of pulsed interference through blanking / C. Hegarty, A. J. Van Dierendonck, D. Bobyn, M. Tran, T. Kim, J. Grabowski // Proc. of the IAIN World Congress and the Annual Meeting of the Institute of Navigation AM/ION, San Diego, United States, 26–28 June 2000. Institute of Navigation, 2000. P. 399–408.

8. Improved analytical models of SNIR degradation in presence of pulsed signals and impact of code-pulse synchrony / F. Soualle, M. Cattenoz, C. Zecha, K. Giger // Proc. 5th European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing, Toulouse, France, Dec. 2011. Institutе Aéronautique et Spatial (IAS), 2011. P. 1–18.

9. Grabowski J., Hegarty C. Characterization of L5 receiver performance using digital pulse blanking // Proc. of the 15th Intern. Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GPS 2002), Portland, United States, 24–27 Sept. 2002. Institute of Navigation, 2002. P. 1630–1635.

10. Borio D., Cano E. Optimal global navigation satellite system pulse blanking in the presence of signal quantization // IET Signal Process. 2013. Vol. 7, № 5. P. 400–410. doi: 10.1049/iet-spr.2012.0199

11. Application of successive interference cancellation to the GPS pseudolite near-far problem / P. H. Madhani, P. Axelrad, K. Krumvieda, J. Thomas // IEEE Trans. Aero-space Electronic Systems. 2003. Vol. 39, № 2. P. 481–488. doi: 10.1109/TAES.2003.1207260

12. Razzaque A. B. A., Baiocchi A. Analysis of Status Update in Wireless Networks with Successive Interference Cancellation // IEEE Transactions onWireless Communications. 2024. P. 1–16. URL: https://arxiv.org/pdf/2409.00277 (дата обращения 07.08.2025)

13. Chien Y. Design of GPS Anti-Jamming Systems Using Adaptive Notch Filters // IEEE Systems J. 2015. Vol. 9, № 2. P. 451–460. doi: 10.1109/JSYST.2013.2283753

14. Borio D., Camoriano L., Presti L. Two-Pole and Multi-Pole Notch Filters: A Computationally Effective Solution for GNSS Interference Detection and Mitigation // IEEE System J. 2008. Vol. 2, № 1. P. 38–47. doi: 10.1109/JSYST.2007.914780

15. Xiao Y., Takeshita Y., Shida K. Tracking properties of a gradient-based second-order adaptive IIR notch filter with constrained poles and zeros // IEEE Transactions Signal Processing. 2002. Vol. 50, № 4. P. 878–888. doi: 10.1109/78.992134

16. El Gebali A., Landry R. J. Comparing the Performances between Adaptive Notch Filter Direct and Lattice Forms Structures for Mitigation Jamming Signals // Communications and Network. 2022. Vol. 14, № 3. P. 91–107. doi: 10.4236/cn.2022.143007

17. Borio D., Gioia C. GNSS interference mitigation: A measurement and position domain assessment // Navigation: J. of The Institute of Navigation. 2021. Vol. 68, № 5. P. 93–114. doi: 10.1002/navi.391

18. Musumeci L., Curran J. T., Dovis F. AComparative Analysis of Adaptive Notch Filtering and Wavelet Mitigation against Jammers Interference // Navigation: J. of The Institute of Navigation. 2016. Vol. 63, № 4. P. 533–550. doi: 10.1002/NAVI.167

19. Borio D. A multi-state notch filter for GNSS jamming mitigation // Intern. Conf. on Localization and GNSS, Helsinki, Finland, 24–26 June 2014. IEEE, 2014. P. 1–6. doi: 10.1109/ICL-GNSS.2014.6934175

20. Borio D. ALoop analysis of adaptive notch filters // IET Signal Processing. 2016. Vol. 10, № 6. P. 659–669. doi: 10.1049/iet-spr.2015.0310

21. A new lattice-based adaptive notch filtering algorithm with improved mean update term / S. Nakamura, S. Koshita, M. Abe, M. Kawamata // Asia-Pacific Signal and Information Proce. Association Annual Summit and Conf., Kaohsiung, Taiwan, 29 Oct.–01 Nov. 2013. IEEE, 2013. P. 1–4. doi: 10.1109/APSIPA.2013.6694169

22. Khan N. A., Aguado L. E. Adaptive Notch Filter based Interference Characterization and Mitigation for GNSS Receivers // Proc. of the 37th Intern. Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation, Baltimore, Maryland, 16–20 Sept. 2024. Institute of Navigation, 2024. P. 2984–2994. doi: 10.33012/2024.19819

23. Borio D., O’Driscoll C., Fortuny J. Fast and Flexible: Tracking and Mitigating a Jamming Signal with an Adaptive Notch Filter // Inside GNSS. 2014. Vol. 9. P. 67–73.

24. Yousif T., Blunt P. Interference Mitigation for GNSS Receivers Using FFT Excision Filtering Implemented on an FPGA// Eng. 2022. Vol. 3, № 4. P. 439–466. doi: 10.3390/eng3040032

25. A Single-Chip Narrow-Band Frequency-Domain Excisor for a Global Positioning System (GPS) Receiver / P. T. Capozza, B. J. Holland, T. M. Hopkinson, R. L. Landrau // IEEE J. of Solid-State Circuits. 2000. Vol. 35, № 3. P. 401–411. doi: 10.1109/4.826823

26. HDDM Hardware Evaluation for Robust Interference Mitigation / F. Garzia, J. R. Van der Merwe, A. Rügamer, S. Urquijo, W. Felber // Sensors. 2020. Vol. 20, iss. 22. P. 1–24. doi: 10.3390/s20226492

27. Liu Y.-J., Hu H.-Y. The research on GPS Frequency domain anti-jamming algorithms // 5th Intern. Conf. on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, Beijing, China, 24−26 Sept. 2009. IEEE, 2009. P. 1−3. doi: 10.1109/WICOM.2009.5302508

28. Borio D. Sub-band Robust GNSS Signal Processing for Jamming Mitigation // European Navigation Conf., Gothenburg, Sweden, 14−17 May 2018. IEEE, 2018. P. 72−83. doi: 10.1109/EURONAV.2018.8433250

29. Evaluation of mitigation methods against COTS PPDs. / J. R. Van der Merwe, A. Rügamer, F. Garzia, W. Felber, J. Wendel // IEEE/ION Position, Location and Navigation Symp., Monterey, USA, 23–26 Apr. 2018. IEEE, 2018. P. 920–930. doi: 10.1109/PLANS.2018.8373470

30. Musumeci L., Dovis F. A Comparison of Transformed-Domain Techniques for Pulsed Interference Removal on GNSS Signals // Intern. Conf. on Localization and GNSS, Starnberg, Germany, 25–27 June 2012. IEEE, 2012. P. 1–6. doi: 10.1109/ICL-GNSS.2012.6253131

31. Time-Frequency Analysis for GNSSs / M. G. Amin, D. Borio, Y. D. Zhang, L. Galleani // IEEE Signal Processing Magazine. 2017. Vol. 34, № 5. P. 85−95. doi: 10.1109/MSP.2017.2710235

32. Huang H., Sun K. Interference Detection and Suppression Based on Time-Frequency Analysis // Advances in Aerospace Science and Technology. 2022. Vol. 7, № 2. P. 97−111. doi: 10.4236/aast.2022.72006

33. Qingshui L., Honglei Q. An improved method based on time-frequency distribution to detect time-varying interference for GNSS receivers with single antenna // IEEE Access. 2017. Vol. 7. P. 38608−38617. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2906262

34. Zhang P., Wu Q., Jing B. Interference Mitigation Low Complexity Subspace Tracking Method for Vehicle Positioning // Discrete Dynamics in Nature and Society. 2022. Vol. 2022, № 1. P. 1–12. doi: 10.1155/2022/7502191

35. Savasta S., Presti L.L., Rao M. Interference Mitigation in GNSS Receivers by a Time-Frequency Approach // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2013. Vol. 49, № 1. P. 415–438. doi: 10.1109/TAES.2013.6404112

36. Rezaei M. J., Mosavi M. R., Abedi M. New GPS anti-jamming system based on multiple short-time Fourier transform // IET Radar, Sonar and Navigation. 2016. Vol. 10, № 4. P. 807−815. doi: 10.1049/iet-rsn.2015.0417

37. Sun K., Jin T., Yang D. A New Reassigned Spectrogram Method in Interference Detection for GNSS Receivers // Sensors. 2015. Vol. 15, № 9. P. 22167−22191. doi: 10.3390/s150922167

38. Aldirmaz S., Durak L. Interference Excision in Spread Spectrum Communication Systems Based on STFT // Progress in Electromagnetics Research. 2008. Vol. 7. P. 309−320. doi: 10.2528/PIERB08050803

39. A novel GNSS Interference Detection Method Based on Smoothed Pseudo-Wigner–Hough Transform / K. Sun, B. Yu, M. Elhajj, W.Y. Ochieng, T. Zhang, J. Yang // Sensors. 2021. Vol. 21, № 13. P. 1−22. doi: 10.3390/s21134306

40. Sun K., Zhang M., Yang D. A New Interference Detection Method based on Joint Hybrid Time-Frequency Distribution for GNSS Receivers // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2016. Vol. 65, № 11. P. 9057−9071. doi: 10.1109/TVT.2016.2515718

41. Sun K., Jin T., Yang D. An Improved Time-Frequency Analysis Method in Interference Detection for GNSS Receivers // Sensors. 2015. Vol. 15, № 4. P. 9404−9426. doi: 10.3390/s150409404

42. Лазоренко О. В., Черногор Л. Ф. Чои–Вильямс-анализ сигналов с особенностями // Радиофизика и радиоастрономия. 2015. Т. 20, № 3. С. 223–237. doi: 10.15407/rpra20.03.223

43. Choi–Williams Transform and Atomic Functions in Digital Signal Processing / V. F. Kravchenko, O. V. Lazorenko, V. I. Pustovoit, L. F. Chernogor // Doklady Physics. 2007. Vol. 52, № 4. P. 207–210. doi: 10.1134/S102833580704009X

44. Коломенский К. Ю., Демидова А. Ю. Интеграция спутникового сегмента в спецификации 3GPP для сетей 5G. Ч. I // Электросвязь. 2023. Т. 43, № 6. С. 14–19. doi: 10.34832/ELSV.2023.43.6.002

45. Коломенский К. Ю., Демидова А. Ю. Интеграция спутникового сегмента в спецификации 3GPP для сетей 5G. Ч. II // Электросвязь. 2023. Т. 43, № 7. С. 13–19. doi: 10.34832/ELSV.2023.44.7.002