CN101571585B - 用于gps接收机干扰信号的消除方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种GPS接收机干扰信号的消除方法，还提出一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统，在GPS定位系统的基带信号处理部分中配置一个所述的相关处理系统，并在基带信号处理部分的CPU中配置有相关处理程序，该相关处理系统有多路相关处理器通道，用于并行处理至少4个定位信号，将相关处理系统内的相关处理器通道被有选择的配置，消除定位信号在捕获和跟踪中受到的各种干扰影响以及信噪比的降低，实现对微弱卫星信号的精确捕获、跟踪和定位解算，从而提高GPS接收机的定位覆盖率和定位精确度。本发明的方法和系统用于码分多址(CDMA)的全球导航卫星定位接收机的相关处理系统，GPS接收机通过该相关处理系统的处理，能提供精确的位置、速度和时间信息。

Description

用于GPS接收机干扰信号的消除方法及其系统

技术领域

本发明属于卫星定位通信技术，涉及用于GPS接收机中位置、速度和时间精确确定的系统以及方法。尤其涉及用于GPS接收机干扰信号的消除方法和系统，在复杂环境下消除GPS强弱信号间互相关干扰，提高定位灵敏度，提高定位覆盖率和定位精度。

背景技术

GPS是一种采用直接序列谱展宽(DSSS)和码分多址(CDMA)技术的系统。在1.57542GHz的L1载频上调制的C/A码是一种码速率为1.023MHz，具有1023码片长度的Gold码，32颗GPS卫星对应不同的伪随机码。GPS接收机通过产生本地的载波和伪随机码片与接收到的信号作相关运算，从而可以捕获和跟踪上相应的卫星信号。Gold码是一种不完全正交的码，其互相关有三种取值：-1/1023，63/1023和-65/1023，取值概率分别为：75％，12.5％，12.5％。这就决定了GPS接收机能够处理的信号最大动范围为24dB。在一些复杂环境下，如两边高楼林立的城市峡谷，或者处于浓密的树荫下，通常接收到的卫星信号功率与正常环境相差很大。在微弱信号处理中，当待捕获的弱卫星信号功率小于其他卫星信号功率20dB以上时，强弱信号间的互相关值可能超过弱信号本身的自相关值，使弱信号的自相关峰埋藏于其他互相关峰之下，从而使常规的捕获方法失效。面对客观存在的复杂环境，解决消除弱信号捕获过程中强信号的互相关干扰问题成为GPS接收机的一项关键技术。

在消除弱信号捕获过程中强信号的互相关干扰问题的已有技术中，提出一种包括基于连续干扰消除(SIC)的互相关干扰消除算法的方法，这种方法需要预存储大量的采样数据，不仅要占用大量的硬件存储空间，同时也造成处理时间的延迟。文献1《Mitigation of Periodic Interferers in GPSReceivers Using Subspace Projection Techniques》中提出了一种子空间投影算法来消除互相关干扰，这种方法不需要估计出强信号幅度，但是由于其计算的复杂性，一般只能做理论上的研究。文献2《GPS Cival SignalSelf-Interference Mitigation During Weak Signal Acquisition》改进文献1传统的子空间投影算法，采用一种相减投影算法，通过计算接收信号在重建干扰子空间上的投影，直接消除接收信号中的干扰信号，该方法虽部分减轻了算法的运算量，但是该算法需要8bit的A/D量化输入，因此有限的A/D量化位数使得该改进算法失效。在文献3《A novel cross correlation mitigationtechnique》中提出了一种自适应码片正交的互相关消除算法，该算法通过自适应改变本地待捕获弱信号的部分码片，使之与干扰码片完全正交，达到消除互相关干扰目的。因为强弱信号间的相对多普勒频差，会在强弱信号的码片间产生相对滑动，因此该方法每间隔一段时间(间隔时间取决于强弱信号的多普勒频差)就要计算一次每颗强信号卫星的互相关干扰以改变本地码片。同时，当干扰强信号多于4颗时，这种方法因不能满足本地码与所有强信号码片正交，从而失去消除强信号干扰的能力。

发明内容

本发明的目的是提出了一种新的干扰消除方法，提供一种用于GPS接收机干扰信号的消除方法，本发明的另一目的是提供一种采用该方法构成的实时消除GPS干扰信号的相关处理系统，用本发明方法构架一种实时消除GPS信号干扰信号的相关处理器，运行相关处理软件，消除GPS互相关干扰以及连续波干扰，使弱信号不受干扰而实现捕获和跟踪。这是一种复杂环境下捕获和跟踪受干扰的微弱GPS信号的方法，能在输入GPS信号有限的量化精度下同时消除多路GPS信号互相关干扰的方法，从而提高接收机的定位灵敏度和定位精度。实现在复杂环境下受干扰的微弱GPS信号的捕获和跟踪。本发明是通过下面的技术方案来实现。

用于GPS接收机干扰信号的消除方法包括以下步骤：

步骤一、构架一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统简称相关处理系统

(一)在GPS接收机的基带信号处理部分配置一个基于并行消除多个干扰信号相关器的相关处理系统

该相关处理系统由多路相关处理器通道构成，每路相关处理器通道包括一路干扰强信号跟踪模块及与其对应的一路干扰估计模块，多路相关处理器通道还共用一路受干扰信号接收模块以及一多普勒频差比较器；相关处理系统包括：

1)一多路干扰强信号跟踪模块，它设有若干路强信号接收通道对若干个干扰强信号解扩和对干扰分量相关运算和积分清零处理，经幅度估计单元处理，得到幅度估计值；

2)一多路干扰估计模块，它设有若干路重构中频强信号单元和若干路干扰估计通道，由若干路的重构中频强信号单元实现多路中频干扰强信号重构，直接利用干扰强信号跟踪结果中的载波和伪随机码相位重建干扰强信号，并与弱信号载波和码片做实时相关运算，避免强信号重建时数据的大量预存储；通过若干路干扰估计通道解扩处理，经比例系数计算单元处理，实现互相关幅度计算，避免强信号重建时幅度量化引起的误差；

3)一路受干扰信号接收模块，它设有一路弱信号接收通道和相减单元，通过受干扰信号接收通道处理，获得弱信号相关运算结果，通过相减运算消除互相关干扰分量以及连续波干扰分量，得到真实相关处理结果；

4)一多普勒频差比较器，它将由干扰强信号跟踪模块与受干扰信号接收模块输出的多普勒频差与设定的多普勒频差判断值作比较，判断是否完成弱信号的捕获与跟踪；

步骤二、在GPS接收机的基带信号处理部分CPU中为相关处理系统加载有实时消除GPS干扰信号的相关处理软件，该相关处理流程为：

1)系统初始化和参数设置；

2)多路干扰强信号跟踪模块对若干个干扰强卫星信号的捕获处理；

3)多路干扰强信号跟踪模块对若干个干扰强卫星信号的跟踪处理；

4)逐一将未标记信号中幅度最大的信号标记为干扰强信号；

5)在多路干扰强信号跟踪模块的若干路强信号接收通道计算出处于跟踪状态的干扰信号参数：多普勒频率、码相位、幅度和调制数据比特值，为多路干扰估计模块提供对干扰信号的干扰系数估计值；

6)多路干扰估计模块利用多路干扰强信号跟踪模块的跟踪处理结果重建干扰信号，每路干扰强信号跟踪模块以其输出的载波NCO和码NCO信息控制重构相应一路中频强信号，并通过其干扰估计通道与来自受干扰信号接收模块的载波和码片做互相关运算，得到初始干扰分量估计值；每一路对弱信号产生干扰的强信号分别使用一个干扰估计模块来估计其干扰分量大小；

7)计算真实干扰分量估计值，它由初始干扰分量估计值乘上干扰信号大小和调制数据比特来得到；

8)对受干扰弱卫星信号的捕获处理；通过运行多普勒频差比较器，从其输出完成对受干扰弱卫星信号捕获的判断处理；并对多个互相关干扰消除通道的选择配置，依次选择关闭功率相对最强的干扰估计通道，直到能准确消除大部分干扰分量；

9)运用相减运算消除互相关干扰分量，通过相减消除连续波干扰分量，提高处理信噪比，得到真实相关处理结果；

步骤三、控制受干扰弱信号的捕获与跟踪

1)受干扰弱信号接收模块的相减单元，其相减运算是能够受控的；

2)通过弱信号接收通道输出的控制信号，控制受干扰信号接收模块的相减单元的运算，在相减单元实现消除互相关干扰分量和连续波干扰分量；

3)受干扰信号接收模块的输出即相减单元的输出为包括同相分量I和正交分量Q的相关处理结果即真实的相关处理值；

4)多普勒频差比较器依据初始化设定的弱信号频率与强信号的频差值作比较，实现对弱信号的捕获与跟踪的判断；

5)受干扰信号接收模块确认受干扰弱卫星信号已捕获与跟踪后，弱信号接收通道输出一个控制信号，控制相减单元输出包括同相分量I和正交分量Q的真实相关处理值；

步骤四、控制启闭多路干扰估计模块中的若干路干扰估计模块

1)每路干扰信号估计模块的干扰估计通道均能受控选择性开启或关闭；

2)通过控制选择，开启多路干扰估计模块中的若干路干扰估计通道；

3)通过控制选择，关闭多路干扰估计模块中不需要工作的若干路干扰估计通道，降低GPS接收机基带信号处理部分的相关处理功耗。

所述方法构成的一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统，其在于该相关处理系统是基于并行消除多个干扰信号相关器的相关处理系统，并行消除多个干扰信号相关器为后相关相减的结构，其结构为：

1)以来自ADC的中频信号为输入信号；

2)多路干扰强信号跟踪模块，它包括：

a.1～k路强信号接收通道；

b.1～k路幅度估计单元；

c.各路强信号接收通道与相应一路幅度估计单元相连接；

d.多路干扰强信号跟踪模块的输出连接多路干扰估计模块和多普勒频差比较器；

3)多路干扰估计模块，它包括：

a.1～k路重构中频强信号单元；使用来自强信号接收通道中的载波NCO和码NCO信息重构相应强信号；

b.1～k路干扰估计通道；对弱信号产生干扰的每一路强信号分别使用一个干扰估计模块来估计其干扰分量大小；

c.干扰系数比例计算单元；

d.各路重构中频强信号单元的两个输入与相应一路强信号接收通道相连接；各路重构中频强信号单元的输出与相应一路干扰估计通道的输入相连接；各路干扰估计通道的控制端与多普勒频差比较器的输出相连；各路干扰估计通道的正交输出Q和同相输出I分别与一路干扰系数比例计算单元的两输入相连接；

e.干扰系数比例计算单元的同相输出I和正交输出Q分别与受干扰信号接收模块相减单元的两输入相连接；

4)一路受干扰信号接收模块，它包括：

a.一弱信号接收通道，ADC中频信号接到其输入端；

b.一相减单元；

c.弱信号接收通道的同相输出I输出端和正交输出Q输出端分别与相减单元的I输入端和Q输入端相连接；弱信号接收通道的控制输出端与相减单元的控制输入端相连接；相减单元的另两个输入分别连接干扰系数比例计算单元相应的同相输出I和正交输出Q；

d.弱信号接收通道与多路干扰估计模块的各路干扰估计通道及多普勒频差比较器相连接；

e.受干扰信号接收模块输出即相减单元的同相输出I和正交输出Q作为相关系统的输出连接GPS接收机的基带信号处理部分CPU；

5)一多普勒频差比较器，其两个输入分别连接多路干扰强信号跟踪模块各路强信号接收通道的载波输出和受干扰信号接收模块的弱信号接收通道的载波输出；

它的输出端分别连接多路干扰强信号跟踪模块的每路干扰估计通道的选择控制端。

所述的相关处理系统，其在于所述多路干扰强信号跟踪模块的每路强信号接收通道，它由去载波单元、解扩单元、积分清零单元、通道处理单元、码NCO单元、C/A码产生器、载波NCO单元组成；

来自ADC的中频信号连接到去载波单元输入端，去载波单元、解扩单元、积分清零单元以及通道处理单元依次连接，通道处理单元的正交分量输出Q端与同相分量输出I端分别连接幅度估计单元的两个输入端，通道处理单元的控制输出端分别连接载波NCO单元与码NCO单元的控制输入端，载波NCO单元的输出端连接去载波单元的载波输入端，码NCO单元的输出端连接C/A码产生器的输入端，C/A码产生器的输出端连接解扩单元的解扩码输入端；用以为幅度估计单元提供相应强信号的幅值估计值；

每路强信号接收通道的载波NCO单元的输出端和C/A码产生器的输出端分别连接相应一路干扰估计模块的重构中频强信号单元的两个输入端，它以输出的载波NCO和码NCO信息控制重构相应一路中频强信号；

每路强信号接收通道的通道处理单元的同相分量输出I端与相应一路干扰估计模块的干扰系数比例计算单元的一个I输入端相连接，该同相分量I用以提供相应互相关干扰估计时的符号。

所述的相关处理系统，其在于所述多路干扰强信号跟踪模块的幅度估计单元与对应的一路强信号接收通道相连接，幅度估计单元的输出端与相应一路干扰估计模块的干扰系数比例计算单元的一个输入端相连接，为相应一路干扰系数比例计算单元提供相应一个强信号的幅度估计值；

所述幅度估计单元的处理是以每路通道处理单元的正交分量Q与同相分量为其两路输入；

所述幅度估计单元处理后的输出是相应一路强干扰信号的近似幅度值，用做干扰分量计算值的干扰系数比例。

所述的相关处理系统，其在于所述多路干扰估计模块的每路干扰估计通道，是基于互相关的干扰估计通道，它由依次连接的去载波单元、解扩单元、积分清零单元组成；

每路干扰估计模块还包括一路重构中频强信号单元以及相应的一路干扰系数比例计算单元，

每路重构中频强信号单元连接相应的一路干扰估计通道的去载波单元输入端，一路干扰估计通道的积分清零单元输出的正交分量Q端和同相分量I端分别连接相应一路的干扰系数比例计算单元，

干扰系数比例计算单元输出包含正交分量和同相分量的初始干扰估计值。

所述的相关处理系统，其在于所述受干扰信号接收模块的弱信号接收通道的构成与多路干扰强信号跟踪模块的强信号接收通道的构成相同，它也由去载波单元、解扩单元、积分清零单元、通道处理单元、码NCO单元、C/A码产生器、载波NCO单元组成；

来自ADC的中频信号连接到去载波单元输入端，去载波单元、解扩单元、积分清零单元以及通道处理单元依次连接，通道处理单元的正交分量输出Q端与同相分量输出I端分别连接相减单元的两个输入端，通道处理单元的控制输出端连接相减单元的控制输入端，载波NCO单元的输出端连接去载波单元的载波输入端，码NCO单元的输出端连接C/A码产生器的输入端，C/A码产生器的输出端连接解扩单元的解扩码输入端；

弱信号接收通道的载波NCO单元输出连接每路强信号接收通道中的载波NCO单元输入，使每路强信号接收通道中的载波NCO单元的本地载波为来自弱信号接收通道的相同载波；弱信号接收通道的C/A码产生器输出连接强信号接收通道中的解扩单元输入，使每路强信号接收通道中的解扩单元的本地码片为来自弱信号接收通道的相同码片。

所述的方法，其在于所述的对干扰强信号的捕获处理和对干扰强信号的跟踪处理，采用以下的处理：

1)对干扰强信号的捕获处理包括各种串行和并行的捕获处理；

2)对干扰强信号的跟踪处理包括使用锁相环对信号载波相位的锁定和使用数字延迟锁定环对码相位的锁定、使用锁频环对信号载波频率的锁定，以应对多普勒频率的变化，获得跟踪结果；

3)利用2)获得的跟踪结果，以其输出的载波NCO和码NCO信息实现相应中频强信号的重构。

所述的方法，其在于所述对干扰分量相关运算积分的积分时间的确定原则是：若积分时间跨越强信号数据比特边界，并且强信号数据比特值发生突变从-1到+1或从+1到-1，放弃此毫秒内干扰信号的干扰分量结果，若积分时间不发生上述跨越与突变，则输出此毫秒内干扰信号的干扰分量结果。

所述的方法，其在于所述选择性控制启闭干扰信号估计模块是一种依据干扰信号功率和多普勒频率差，对并行消除多个干扰信号相关器的干扰估计通道实施合理控制，以便有效降低GPS接收机的基带处理功耗；所述干扰估计通道的选择性控制是以强弱信号功率的幅度差超过15dB与强弱信号之间多普勒频差小于预设检测积分带宽为前提条件，当同时满条件时，则开启相应强信号的干扰估计通道，否则关闭相应干扰估计通道。

所述多路干扰强信号跟踪模块的强信号接收通道和一路干扰信号接收模块的弱信号接收通道采用通用相关处理器。通用相关处理器包括：去载波单元、解扩单元、载波NCO(数控振荡器)、码NCO、C/A码产生器、积分清零单元以及通道处理单元。

干扰信号估计模块为专用的估计模块，包括中频强信号重构单元以及由去载波单元、解扩单元和积分清零单元组成。其中：中频强信号重构单元是一简单2bit乘法器，它利用来自强信号跟踪单元的载波NCO和码NCO的信息相乘得到。其中载波NCO提供2bit量化的载波(±1和±3)，码NCO提供1bit量化的码片(±1)。专用干扰信号估计模块的控制步骤如下：

1)被干扰信号捕获和跟踪前的初步搜索

a.在对被干扰信号捕获和跟踪之前，对所有可接收GPS信号进行搜索，搜索方法包括：

对码相位和载波多普勒二维平面上的各种串行搜索；

对码相位和载波多普勒二维平面上的各种并行搜索；

或者对码相位和载波多普勒二维平面上的各种串行和并行的混合搜索；

b.通过上述搜索，初步确定干扰信号的多普勒频率和码相位；

2)实现对干扰信号的跟踪

a.通过干扰信号估计模块对所接收GPS干扰信号跟踪结果的数字信号处理，用一般方法估计得到：一个干扰信号的载波和伪随机码相位；一个干扰信号的幅度和调制的数据比特；

b.当存在接收多GPS个干扰信号的情况下，自动开启多个干扰信号估计模块，对多个相应的GPS干扰信号跟踪结果进行数字信号处理，用一般方法估计得到：所有干扰信号的载波和伪随机码相位，以及所有干扰信号的幅度和调制的数据比特；

3)依据对干扰信号的跟踪结果实现强信号重构

4)利用重构的强信号，进行干扰强度值估计

选择性控制启闭干扰信号估计模块：

1)从受干扰卫星信号通道的相关值中消除互相关干扰。

2)依据干扰信号功率的大小和多普勒频差值，当满足强弱信号功率的幅度差超过15dB和强弱信号之间多普勒频差小于预检测积分带宽的控制条件时，选择性开启干扰信号估计模块，否则选择性关闭干扰信号估计模块。

3)避免重构中频信号时遇到信号的量化误差

a.直接利用跟踪结果中的载波和伪随机码相位重建干扰强信号。

b.将干扰强信号的幅度置于互相关干扰估计运算之后的比例系数中，从而避免重构强信号的幅度量化误差。

c.当接收GPS信号中存在多个干扰信号时，在较少的量化比特下，如2比特的条件下，仍能有效消除多个互相关干扰信号。

本发明实质性效果

1)本发明直接利用干扰强信号跟踪结果重建干扰强信号并与弱信号载波和码片做实时相关运算，能避免多路强信号重建时采样数据的大量预存储。

2)本发明将干扰信号幅值置于互相关干扰估计运算之后的比例系数中加以考虑，从而避免了强信号重建时幅度量化引起的误差。

3)本发明只需连续跟踪上干扰强信号，即可计算出其对弱信号产生的互相关干扰大小，并将多路强信号互相关干扰逐个消除。

4)本发明使用方法减轻了弱信号的互相关干扰，提高了弱信号的后处理信噪比，使得GPS接收信号动态范围从24dB增加到40dB，从而提高GPS接收机的定位灵敏度和定位覆盖率以及定位精度。

5)自动关闭不需要开启的干扰估计模块，合理降低GPS接收机的基带处理功耗。

附图说明

图1为本发明实时消除GPS干扰信号的相关处理系统构成示意框图。

图1中：01为来自ADC中频信号、1为基带信号处理部分、11为时消除GPS干扰信号的相关处理系统、12为基带信号处理部分CPU、111为多路干扰强信号跟踪模块、112为多路干扰估计模块、113为一路受干扰信号接收模块、114为多普勒频差比较器。

图2：为本发明实时消除GPS干扰信号的相关处理系统相关处理相关处理流程图。

图2中：2为实时消除GPS干扰信号的相关处理系统、21为多路干扰强信号跟踪模块、22为多路干扰估计模块、23为一路受干扰信号接收模块、24为多普勒频差比较器。

图3是本发明的一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统的消除互相关干扰算法流程图。

图4是本发明的一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统实施例的构成框图。

图4中：400为来自ADC中频信号、401、415、424为去载波单元、402、416、425为解扩单元、403、417、426为积分清零单元、404、427为通道处理单元、405、428为码NCO单元、406、429为C/A码产生器、407、423为载波NCO单元、408和409为通道处理单元的Q输出和I输出、410为幅度估计单元、411为幅度估计单元输出、412为载波NCO单元407的输出、413为C/A码产生器406的输出、414为1-k路重构中频强信号单元、418和419为干扰估计通道的Q输出和I输出、420为干扰系数比例计数单元、421和422为干扰系数比例计数单元的Q输出和I输出、430为通道处理单元427控制信号输出、431为和432为通道处理单元427的Q输出和I输出、433为相减处理单元、434和435为相减处理单元的Q输出和I输出、436为C/A码产生器429的输出、437为载波NCO单元423的输出、438为多普勒频差比较器、439为多普勒频差比较器的输出。

图5a和图5b是单颗卫星干扰的捕获相关值-码相位图和消除单颗卫星干扰的捕获相关值-码相位图。

图6a和图6b是多颗卫星干扰的捕获相关值-码相位图和消除多颗卫星干扰的捕获相关值-码相位图。

图7a和图7b是多颗卫星干扰的捕获相关值-码相位图和消除其中一颗卫星干扰的捕获相关值-码相位图。

具体实施方式

本发明实时消除GPS干扰信号的相关处理系统构成示意框图如图1所示。参见图1的实时消除GPS干扰信号的相关处理系统11，它主要包括三个模块和一个比较器：多路干扰强信号跟踪模块111，多路干扰估计模块112、一路受干扰信号(弱信号)接收模块113和多普勒频差比较器114。在一些复杂场景下，如两边高楼林立的城市峡谷，或者处于浓密的树荫下，来自射频前端的ADC采样中频信号01中可能包含有多个干扰信号。实时消除GPS干扰信号的相关处理系统安置在GPS接收机基带信号处理部分1，实时消除GPS干扰信号的相关处理系统的相关处理程序安装在基带信号处理部分CPU12上，相关处理系统在基带信号处理部分CPU管理下运行。

图2是根据本发明构建的实时消除GPS干扰信号的相关处理系统实施例的结构示意图，这是一个基于并行消除多个干扰信号相关器的相关处理系统，相关处理系统2的多路干扰强信号跟踪模21由第1路强信号接收通道211～第k路强信号接收通道212和幅度估计单元213组成。相关处理系统2的多路干扰估计通道22由第1路重构中频强信号单元221～第k路重构中频强信号单元222、第1路干扰估计通道223～第k路干扰估计通道224和干扰系数比例计算单元225组成。相关处理系统2的受干扰信号接收模块23由弱信号接收通道231和相减单元232组成，相关处理系统2还有一个多普勒频差比较器24。第1路强信号接收通道211及幅度估计单元213、第1路重构中频强信号单元221和第1路干扰估计通道223及干扰系数比例计算单元225以及弱信号接收通道231和相减单元232组成第一个消除干扰信号相关器，同理，第k路强信号接收通道212及幅度估计单元213、第k路重构中频强信号单元222第k路干扰估计通道224及干扰系数比例计算单元225以及弱信号接收通道231和相减单元232组成第k个消除干扰信号相关器。多路消除干扰信号相关器的个数k根据接收GPS卫星信号的个数取值，如k取值为4可以消除3路干扰信号，k最大取值为36可以消除35路干扰信号。

图3是根据本发明实现的一种消除互相关干扰算法流程图。相关处理系统在基带信号处理部分CPU上的相关处理软件管理下运行消除多路互相关干扰流程。流程开始，在S300初始化设置消除互相关干扰算法的参数以后，首先运行流程S301，捕获并且跟踪所有强卫星信号，运行流程S302，将跟踪信号中未标记信号中功率最大的一路信号标记为强干扰信号，之后运行流程S303，估计处于跟踪状态下的干扰信号参数，干扰信号参数包括估计多普勒频率、码相位、信号幅度和导航数据比特；运行S304，重建对应的一路中频干扰强信号；进入S305，估计互相关干扰分量；然后运行S306开始捕获弱信号；并进入S307，从捕获结果中消除一路干扰分量；运行S308，判断是否成功捕获了弱信号，若成功捕获则转入S309，进入跟踪状态，以便获得测量所需数据；进而运行S310，将数据输出，送导航处理器计算位置、速度、时间。若在S308，判断未成功捕获，则转S302，增加下一个跟踪信号中未标记的信号功率最大的一路信号标记为强干扰信号，转入运行S303～S308继续执行，依此一路一路执行，直到标记了所有干扰强信号，运行S308，判断为成功捕获了弱信号。在捕获弱信号的过程中，对标记为干扰强信号，并运行S311判断多普勒频率是否大于预检测带宽，若多普勒频率差(mod 1000)是大于预检测带宽，则转S312，控制关闭相应一路干扰估计通道以便降低相关处理器功耗。

实施例2

图4给出了本发明的一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统实施例的构成框图。

在有多个强干扰信号的情况下，选择使用多个干扰信号跟踪模块对多个强干扰信号分别进行捕获和跟踪。相关处理系统配置有1～k路干扰信号跟踪模块，每路干扰强信号跟踪模块的强信号接收通道由去载波单元401、解扩单元402、积分清零单元403、通道处理单元404、码NCO单元405、C/A码产生器406、载波NCO单元407和幅度估计单元410组成。来自ADC的中频信号400连接去载波单元401输入端。去载波单元401，解扩单元402，积分清零单元403及通道处理单元404依次连接。通道处理单元的Q与I两个输出端分别连接幅度估计单元的两个输入端，通道处理单元404的控制输出端分别连接载波NCO单元407与码NCO单元405的控制输入端，载波NCO单元407的输出端连接去载波单元401的载波输入端，码NCO单元405的输出端连接C/A码产生器406的输入端，C/A码产生器406的输出端连接解扩单元402的解扩码输入端。每路干扰信号跟踪模块有四个输出端：载波NCO单元407输出端以及C/A码产生器406输出端、通道处理单元的I输出端408以及幅度估计单元输出端409，分别与相应一路干扰估计模块干扰系数比例计算单元420的两个输入端相连接。每路强信号接收通道的通道处理单元404两输出端为正交分量Q端408和同相分量I端409分别连接幅度估计单元404的两输入端。

来自ADC的中频信号400依次送到每个干扰信号跟踪模块的去载波单元401的输入端，在去载波单元401，解扩单元402，积分清零单元403进行相应数字信号运算后，送通道处理单元404处理。而通道处理单元404则控制相应的载波NCO单元407和码NCO单元405的工作，码NCO单元405又调节C/A码产生器406的工作。由于干扰信号是强信号，它们极易被捕获和跟踪。

每路强信号接收通道的载波NCO单元407的输出412和C/A码产生器406的输出413分别连接相应一路干扰估计模块的重构中频强信号单元414的两个输入端，控制对该路中频强信号的重建。强信号接收通道的通道处理单元404同相分量输出I端409连接干扰系数比例计算单元420一输入端，用以提供相应互相关干扰估计时的符号。幅度估计单元410的输出端连接干扰系数比例计算单元420的另一输入端，为干扰系数比例计算单元420提供对相应强干扰信号幅度的估计值。每路强信号接收通道的载波NCO单元407的输出412还连接多普勒频差比较器的一输入端。

多路干扰估计模块，它包括1～k路重构中频强信号单元414、1～k路干扰估计通道、干扰系数比例计算单元420，每路的重构中频强信号单元414、相应一路干扰估计通道以及干扰系数比例计算单元420依次连接。

1～k路干扰估计通道对弱信号产生干扰的每一路强信号分别使用一个干扰估计模块来估计其干扰分量值。

每一路干扰估计模块包括依次连接的重构中频强信号单元414、去载波单元415、解扩单元416、积分清零单元417，积分清零单元的正交分量Q端418和同相分量I端419输出该路初始干扰估计值。每路中频强信号重构单元414使用来自强信号接收通道中的载波NCO和码NCO信息重构相应一路中频强信号。

来自ADC的中频信号400同时也加到一路受干扰信号接收模块的弱信号接收通道，弱信号接收通道与强信号接收通道的结构相同。来自ADC的中频信号400依次经过去载波单元424，解扩单元425，积分清零单元426进行相应数字信号运算后，送通道处理单元427处理。通道处理单元427的控制输出连接载波NCO单元423和码NCO单元428，控制载波NCO单元423和码NCO单元428的工作。码NCO单元428的输出又连接C/A码产生器429，调节C/A码产生器429的工作。载波NCO单元423连接去载波单元424，C/A码产生器429连接解扩单元4425。通道处理单元427的输出I端431和Q端432连接相减单元433的相应输入端，由于弱信号不易被捕获和跟踪，受干扰信号接收模块分为捕获和跟踪两个模式工作。首先工作在捕获模式，通道处理单元427调整载波NCO单元423和码NCO单元428，实现多普勒频率和码相位平面上的二维搜索。从通道处理单元427直接得到待搜索弱信号的载波频率和码相位的初始相关值，它包括I同相分量431和Q正交分量432。I同相分量431和Q正交分量432分别送到相减单元433的两个“+”端，多路干扰估计模块的干扰系数比例计算单元420的两个输入端的I同相分量431和Q正交分量432分别送到相减单元433的两个“-”端，在相减单元433的同相分量431中和正交分量Q 432中减去干扰估计模块输出的同相分量422和正交分量421，最后在相减单元433输出，得到包括I同相分量434和Q正交分量435的真实相关处理值。

干扰估计模块中的去载波单元415的本地载波使用来自弱信号接收通道载波NCO单元423的相同载波。干扰估计模块中的解扩单元416的本地码片使用来自弱信号接收通道C/A码产生器429的相同码片。

在有多个强干扰信号的情况下，选择使用多路干扰信号跟踪模块对多个强干扰信号分别进行捕获和跟踪。捕获和跟踪的过程中，当第一路干扰信号被精确跟踪以后，从执行捕获和跟踪的一路干扰强信号跟踪模块中得到相应第一路强信号接收通道输出的载波相位412和码片相位413的精确值，同时该路通道处理单元404得到的处理结果Q输出408和I输出409，经过幅度估计单元410得到该干扰信号的幅度估计值411，以及I输出即卫星数据比特409。同时多路干扰估计模块中的第一路重构中频信号单元414利用以上的载波相位412和码片相位413的精确值实现第一路干扰信号的重构。重构形成的中频强信号送到对应的第一路干扰估计通道的去载波单元415，并经过解扩单元416和积分清零单元417处理，在积分清零单元417的输出端得到对该路互相关干扰的估计值，包括Q正交分量418和I同相分量419。此时干扰估计通道输出的互相关干扰值是单位幅度下的干扰值，经过干扰系数比例计算单元420乘以相应幅度估计单元410输出的估计系数411和该路卫星信号比特数据409，在干扰系数比例计算单元420的输出端得到真实的互相关干扰估计值，包括Q正交分量421和I同相分量422。

通道处理单元427还输出一个控制信号430，控制信号430加到相减单元433的控制端和干扰估计模块，通道处理单元427判断强的干扰信号对弱信号产生较强的干扰作用时，用控制信号430控制相减单元433作相减处理，同时多普勒频差比较器438也输出一个控制信号439，送到干扰估计模块，控制相应的干扰估计模块关闭。通过读取受干扰信号接收模块输出的能量相关值和软件中预设定的门限值做比较以判别是否捕获到信号，从而找到真实的多普勒频率和码相位。当判别为已捕获到弱信号，找到其真实的多普勒频率和码相位后，受干扰信号接收模块由捕获模式转入跟踪模式。在跟踪模式下，逐个关闭干扰估计模块，判断所关闭的干扰估计模块是否而影响跟踪，弱影响跟踪则不关闭，依次对干扰估计模块一一作出是否需要关闭判断，确定应关闭的干扰估计模块，合理降低定位接收机的基带信号处理功耗。

当有多个干扰信号同时对弱信号产生干扰时，必须有相应的多个跟踪模块和干扰估计模块分别对所有干扰信号进行跟踪和干扰估计。然后从受干扰接收模块的输出中消除所有的干扰分量。目前GPS导航卫星有11颗，以1颗卫星接收环境最差，如发明实施例示意图4所示，图4中k取值为12，采用12通道相关处理器结构。

通道处理单元421对强干扰信号对弱信号产生较强的干扰作用的判断依据是：①强干扰信号和受干扰信号功率相差达到12dB～20dB，实施例取值为15dB，若≥15dB时，并且②多普勒频差比较器408对强弱信号间的多普勒频差1KHz整数倍频率与预检测积分带宽作比较，若小于预检测积分带宽时，判定强的干扰信号会对弱信号产生较强的干扰作用。根据判断依据判断确定当前强的干扰信号是否对弱信号产生干扰作用，若判断确定为强的干扰信号，通道处理单元421产生一个控制信号422以软开关方式控制相减单元435接受相应干扰估计模块的干扰系数比例计算单元的输出，参与相减单元435的相减运算，消除该路干扰强信号的干扰分量，同时，多普勒频差比较器408产生一控制信号，控制该路干扰估计模块选择性关闭，以便合理降低基带处理部分功耗。若判断确定为不强的干扰信号，则相应干扰估计模块的干扰系数比例计算单元的输出，不参与相减单元435的相减运算，并且该路干扰估计模块选择性开启。

第3实施例

以最差的接收环境而言有6颗GPS卫星信号较弱，推测可知，所需干扰估计通道的最大数目为36个，图4中k取值为36，采用36通道相关处理器结构。

根据本发明方法构成的相关处理系统的仿真实验，得到了一组消除单颗卫星干扰和消除多颗卫星干扰的效果图。图5a和图5b给出了单颗卫星干扰的捕获相关值-码相位图和消除单颗卫星干扰的捕获相关值-码相位图。图6a和图6b给出的是多颗卫星干扰的捕获相关值-码相位图和消除所有卫星干扰的捕获相关值-码相位图。图7a和图7b给出的是多颗卫星干扰的捕获相关值-码相位图和消除部分卫星干扰的捕获相关值-码相位图。从三组图中可以得出结论是使用本发明方法不仅减轻了多路强信号对弱信号的互相关干扰，提高了弱信号的后处理信噪比，使得GPS接收信号动态范围从24dB增加到40dB，显著提高GPS接收机的定位灵敏度，解决了在输入GPS信号有限的量化精度下同时消除多路GPS信号互相关干扰的关键技术，实现在复杂环境下受干扰的微弱GPS信号的捕获和跟踪，因而可以有效地提高GPS接收机的定位覆盖率以及定位精度。

第4实施例

对于GPS精密测量设备，可以不计定位接收机的处理功耗，开启所有的干扰估计模块，以减小强弱信号间的互相关干扰对测量带来的误差。

本发明同样可以用于单音(CW)干扰消除，基本原理同互相关干扰消除一样，在此不再进行详述。

虽然本发明已经就其所显示的优选实例进行了描述，但是对于本技术领域熟练技术人员来说很明显，在不脱离由下面权利要求书所定义的本发明的范围的情况下，可以对所公开的实例做出各种变化。

Claims (10)

1.用于GPS接收机干扰信号的消除方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤一、构架一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统简称相关处理系统

在GPS接收机的基带信号处理部分配置一个基于并行消除多个干扰信号相关器的相关处理系统；

该相关处理系统由多路相关处理器通道构成，每路相关处理器通道包括一路干扰强信号跟踪模块及与其对应的一路干扰估计模块，多路相关处理器通道还共用一路受干扰信号接收模块以及一多普勒频差比较器；相关处理系统包括：

1)一多路干扰强信号跟踪模块，它设有若干路强信号接收通道对若干个干扰强信号解扩和对干扰分量相关运算和积分清零处理，经幅度估计单元处理，得到幅度估计值；

2)一多路干扰估计模块，它设有若干路重构中频强信号单元和若干路干扰估计通道，由若干路的重构中频强信号单元实现多路中频干扰强信号重构，直接利用干扰强信号跟踪结果中的载波和伪随机码相位重建干扰强信号，并与弱信号载波和码片做实时相关运算，避免强信号重建时数据的大量预存储；通过若干路干扰估计通道解扩处理，经比例系数计算单元处理，实现互相关幅度计算，避免强信号重建时幅度量化引起的误差；

3)一路受干扰信号接收模块，它设有一路弱信号接收通道和相减单元，通过受干扰信号接收通道处理，获得弱信号相关运算结果，通过相减运算消除互相关干扰分量以及连续波干扰分量，得到真实相关处理结果；

4)一多普勒频差比较器，它将由干扰强信号跟踪模块与受干扰信号接收模块输出的多普勒频差与设定的多普勒频差判断值作比较，判断是否完成弱信号的捕获与跟踪；

步骤二、在GPS接收机的基带信号处理部分CPU中为相关处理系统加载有实时消除GPS干扰信号的相关处理软件，该相关处理流程为：

1)系统初始化和参数设置；

2)多路干扰强信号跟踪模块对若干个干扰强卫星信号的捕获处理；

3)多路干扰强信号跟踪模块对若干个干扰强卫星信号的跟踪处理；

4)逐一将未标记信号中幅度最大的信号标记为干扰强信号；

5)在多路干扰强信号跟踪模块的若干路强信号接收通道计算出处于跟踪状态的干扰信号参数：多普勒频率、码相位、幅度和调制数据比特值，为多路干扰估计模块提供对干扰信号的干扰系数估计值；

6)多路干扰估计模块利用多路干扰强信号跟踪模块的跟踪处理结果重建干扰信号，每路干扰强信号跟踪模块以其输出的载波NCO和码NCO信息控制重构相应一路中频强信号，并通过其干扰估计通道与来自受干扰信号接收模块的载波和码片做互相关运算，得到初始干扰分量估计值；每一路对弱信号产生干扰的强信号分别使用一个干扰估计模块来估计其干扰分量大小；

7)计算真实干扰分量估计值，它由初始干扰分量估计值乘上干扰信号大小和调制数据比特来得到；

8)对受干扰弱卫星信号的捕获处理；通过运行多普勒频差比较器，从其输出完成对受干扰弱卫星信号捕获的判断处理；并对多个互相关干扰消除通道的选择配置，依次选择关闭功率相对最强的干扰估计通道，直到能准确消除大部分干扰分量；

9)运用相减运算消除互相关干扰分量，通过相减消除连续波干扰分量，提高处理信噪比，得到真实相关处理结果；

步骤三、控制受干扰弱信号的捕获与跟踪

1)受干扰弱信号接收模块的相减单元，其相减运算是能够受控的；

2)通过弱信号接收通道输出的控制信号，控制受干扰信号接收模块的相减单元的运算，在相减单元实现消除互相关干扰分量和连续波干扰分量；

3)受干扰信号接收模块的输出即相减单元的输出为包括同相分量I和正交分量Q的相关处理结果即真实的相关处理值；

4)多普勒频差比较器依据初始化设定的弱信号频率与强信号的频差值作比较，实现对弱信号的捕获与跟踪的判断；

5)受干扰信号接收模块确认受干扰弱卫星信号已捕获与跟踪后，弱信号接收通道输出一个控制信号，控制相减单元输出包括同相分量I和正交分量Q的真实相关处理值；

步骤四、控制启闭多路干扰估计模块中的若干路干扰估计模块

1)每路干扰信号估计模块的干扰估计通道均能受控选择性开启或关闭；

2)通过控制选择，开启多路干扰估计模块中的若干路干扰估计通道；

3)通过控制选择，关闭多路干扰估计模块中不需要工作的若干路干扰估计通道，降低GPS接收机基带信号处理部分的相关处理功耗。

2.根据权利要求1所述方法构成的一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统，其特征在于：该相关处理系统是基于并行消除多个干扰信号相关器的相关处理系统，并行消除多个干扰信号相关器为后相关相减的结构，其结构为：

1)以来自ADC的中频信号为输入信号；

2)多路干扰强信号跟踪模块，它包括：

a.1～k路强信号接收通道；

b.1～k路幅度估计单元；

c.各路强信号接收通道与相应一路幅度估计单元相连接；

d.多路干扰强信号跟踪模块的输出连接多路干扰估计模块和多普勒频差比较器；

3)多路干扰估计模块，它包括：

a.1～k路重构中频强信号单元；使用来自强信号接收通道中的载波NCO和码NCO信息重构相应强信号；

b.1～k路干扰估计通道；对弱信号产生干扰的每一路强信号分别使用一个干扰估计模块来估计其干扰分量大小；

c.干扰系数比例计算单元；

d.各路重构中频强信号单元的两个输入与相应一路强信号接收通道相连接；各路重构中频强信号单元的输出与相应一路干扰估计通道的输入相连接；各路干扰估计通道的控制端与多普勒频差比较器的输出相连；各路干扰估计通道的正交输出Q和同相输出I分别与一路干扰系数比例计算单元的两输入相连接；

e.干扰系数比例计算单元的同相输出I和正交输出Q分别与受干扰信号接收模块相减单元的两输入相连接；

4)一路受干扰信号接收模块，它包括：

a.一弱信号接收通道，ADC中频信号接到其输入端；

b.一相减单元；

c.弱信号接收通道的同相输出I输出端和正交输出Q输出端分别与相减单元的I输入端和Q输入端相连接；弱信号接收通道的控制输出端与相减单元的控制输入端相连接；相减单元的另两个输入分别连接干扰系数比例计算单元相应的同相输出I和正交输出Q；

d.弱信号接收通道与多路干扰估计模块的各路干扰估计通道及多普勒频差比较器相连接；

e.受干扰信号接收模块输出即相减单元的同相输出I和正交输出Q作为相关系统的输出连接GPS接收机的基带信号处理部分CPU；

5)一多普勒频差比较器，其两个输入分别连接多路干扰强信号跟踪模块各路强信号接收通道的载波输出和受干扰信号接收模块的弱信号接收通道的载波输出；

它的输出端分别连接多路干扰强信号跟踪模块的每路干扰估计通道的选择控制端。

3.根据权利要求2所述的一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统，其特征在于：所述多路干扰强信号跟踪模块的每路强信号接收通道，它由去载波单元、解扩单元、积分清零单元、通道处理单元、码NCO单元、C/A码产生器、载波NCO单元组成；

来自ADC的中频信号连接到去载波单元输入端，去载波单元、解扩单元、积分清零单元以及通道处理单元依次连接，通道处理单元的正交分量输出Q端与同相分量输出I端分别连接幅度估计单元的两个输入端，通道处理单元的控制输出端分别连接载波NCO单元与码NCO单元的控制输入端，载波NCO单元的输出端连接去载波单元的载波输入端，码NCO单元的输出端连接C/A码产生器的输入端，C/A码产生器的输出端连接解扩单元的解扩码输入端；用以为幅度估计单元提供相应强信号的幅值估计值；

每路强信号接收通道的载波NCO单元的输出端和C/A码产生器的输出端分别连接相应一路干扰估计模块的重构中频强信号单元的两个输入端，它以输出的载波NCO和码NCO信息控制重构相应一路中频强信号；

每路强信号接收通道的通道处理单元的同相分量输出I端与相应一路干扰估计模块的干扰系数比例计算单元的一个I输入端相连接，该同相分量I用以提供相应互相关干扰估计时的符号。

4.根据权利要求2或3所述的一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统，其特征在于：所述多路干扰强信号跟踪模块的幅度估计单元与对应的一路强信号接收通道相连接，幅度估计单元的输出端与相应一路干扰估计模块的干扰系数比例计算单元的一个输入端相连接，为相应一路干扰系数比例计算单元提供相应一个强信号的幅度估计值；

所述幅度估计单元的处理是以每路通道处理单元的正交分量Q与同相分量I为其两路输入；

所述幅度估计单元处理后的输出是相应一路强干扰信号的近似幅度值，用做干扰分量计算值的干扰系数比例。

5.根据权利要求2所述的一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统，其特征在于：所述多路干扰估计模块的每路干扰估计通道，是基于互相关的干扰估计通道，它由依次连接的去载波单元、解扩单元、积分清零单元组成；

每路干扰估计模块还包括一路重构中频强信号单元以及相应的一路干扰系数比例计算单元，

每路重构中频强信号单元连接相应的一路干扰估计通道的去载波单元输入端，一路干扰估计通道的积分清零单元输出的正交分量Q端和同相分量I端分别连接相应一路的干扰系数比例计算单元，

干扰系数比例计算单元输出包含正交分量和同相分量的初始干扰估计值。

6.根据权利要求2所述的一种实时消除GPS干扰信号的相关处理系统，其特征在于：所述受干扰信号接收模块的弱信号接收通道的构成与多路干扰强信号跟踪模块的强信号接收通道的构成相同，它也由去载波单元、解扩单元、积分清零单元、通道处理单元、码NCO单元、C/A码产生器、载波NCO单元组成；

来自ADC的中频信号连接到去载波单元输入端，去载波单元、解扩单元、积分清零单元以及通道处理单元依次连接，通道处理单元的正交分量输出Q端与同相分量输出I端分别连接相减单元的两个输入端，通道处理单元的控制输出端连接相减单元的控制输入端，载波NCO单元的输出端连接去载波单元的载波输入端，码NCO单元的输出端连接C/A码产生器的输入端，C/A码产生器的输出端连接解扩单元的解扩码输入端；

弱信号接收通道的载波NCO单元输出连接每路强信号接收通道中的载波NCO单元输入，使每路强信号接收通道中的载波NCO单元的本地载波为来自弱信号接收通道的相同载波；弱信号接收通道的C/A码产生器输出连接强信号接收通道中的解扩单元输入，使每路强信号接收通道中的解扩单元的本地码片为来自弱信号接收通道的相同码片。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的对干扰强信号的捕获处理和对干扰强信号的跟踪处理，采用以下的处理：

1)对干扰强信号的捕获处理包括各种串行和并行的捕获处理；

2)对干扰强信号的跟踪处理包括使用锁相环对信号载波相位的锁定和使用数字延迟锁定环对码相位的锁定、使用锁频环对信号载波频率的锁定，以应对多普勒频率的变化，获得跟踪结果；

3)利用2)获得的跟踪结果，以其输出的载波NCO和码NCO信息实现相应中频强信号的重构。

8.根据权利要求1或2或7所述的方法，其特征在于：所述对干扰分量相关运算积分的积分时间的确定原则是：若积分时间跨越强信号数据比特边界，并且强信号数据比特值发生突变从-1到+1或从+1到-1，放弃此毫秒内干扰信号的干扰分量结果，若积分时间不发生上述跨越与突变，则输出此毫秒内干扰信号的干扰分量结果。

9.根据权利要求1或2或7所述的方法，其特征在于：所述选择性控制启闭干扰信号估计模块是一种依据干扰信号功率和多普勒频率差，对并行消除多个干扰信号相关器的干扰估计通道实施合理控制，以便有效降低GPS接收机的基带处理功耗；所述干扰估计通道的选择性控制是以强弱信号功率的幅度差超过15dB与强弱信号之间多普勒频差小于预设检测积分带宽为前提条件，当同时满条件时，则开启相应强信号的干扰估计通道，否则关闭相应干扰估计通道。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述选择性控制启闭干扰信号估计模块是一种依据干扰信号功率和多普勒频率差，对并行消除多个干扰信号相关器的干扰估计通道实施合理控制，以便有效降低GPS接收机的基带处理功耗；所述干扰估计通道的选择性控制是以强弱信号功率的幅度差超过15dB与强弱信号之间多普勒频差小于预设检测积分带宽为前提条件，当同时满条件时，则开启相应强信号的干扰估计通道，否则关闭相应干扰估计通道。

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