CN102243309B

CN102243309B - Gnss互相关干扰抑制方法和装置

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Publication number: CN102243309B
Application number: CN201110052906.4A
Authority: CN
Inventors: 容宝华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2017-11-10
Anticipated expiration: 2031-03-07
Also published as: CN102243309A

Abstract

本发明提供了一种GNSS互相关干扰抑制方法和装置，包括：A.检测干扰抑制前的强卫星信号；B.产生强卫星扩频码信号；C.发生一组正交码，它们或组成一个完备正交码组，或为一个完备正交码组的大部分元素码；D.B和C的输出对应相乘后产生一组输出码；E.使原接收信号以D输出的这组码作为一组基，产生一组投影；F.对E产生的这一组投影，以在步骤E中对应的基作为该投影的模版，投影和其模版相乘后进行累加，产生输出。本发明还进一步包括分段及按段进行合并；C中发生的一组正交码为Walsh码；E中进一步采用求卷积或求卷积和的方法产生投影；采用每个码元一个抽样或每个码元多个抽样。本发明具有低的算法复杂度、良好的自相关性特性，捕获弱信号和快速时变信号性能好，输出信噪比高，具有较小的系统处理时延，同时有较好的综合性能。

Description

GNSS互相关干扰抑制方法和装置

所属技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种GNSS互相关干扰抑制的方法和装置。

背景技术

在全球卫星定位导航系统(GNSS)中，卫星将载有定位导航数据的信号发送出去，定位导航数据的信号经过卫星信道传输后，多个卫星的定位导航数据的信号同时到达终端(接收机)。终端(接收机)对接收到的含有多个卫星的定位导航信号的信号，采用特定的扩频码进行相关运算完成解调，分别得到不同卫星发送的定位导航数据。其中特定的扩频码对应了不同卫星上发送端所采用的扩频码。GPS就是现今最常见的一种全球卫星定位导航系统(GNSS)。GPS中不同卫星上所采用的扩频码是Gold码、P码及其他一些种类的扩频码。

全球卫星定位导航系统(GNSS)中不同的卫星发送的信号经历了不同的信道，因而有着不同的幅度和相位改变。由于在终端(接收机)多个卫星的定位导航信号同时到达，接收到的信号是多个卫星的定位导航信号的叠加。如果某一卫星信号的强度大大高于另一要进行解调的弱卫星信号，例如大20dB时，由于此时强卫星信号对弱卫星信号解调模板信号的互相关输出大于弱卫星信号对弱卫星信号解调模板信号的自相关输出，弱卫星信号的相关峰就难以找到，弱卫星信号的解调就无法完成。全球卫星定位导航系统(GNSS)中的互相关干扰严重影响了系统的性能，因此设法抑制GNSS互相关干扰是提高系统的性能的有效途径。

目前公知的GNSS互相关干扰抑制方法和装置通常采用消减法或子空间投影法。消减法GNSS互相关干扰抑制器通过对强卫星信号的接收相关函数中的自相关峰值估计得到强信号幅度的估计值，然后从接收的总的信号中减去所有的强卫星信号，得到抑制GNSS互相关干扰后的输出信号。子空间投影法GNSS互相关干扰抑制器构造正交于强卫星信号的接收模板信号，然后用构造的接收模板信号与总的接收信号进行相关运算，进而完成接收。然而目前公知的这些GNSS互相关干扰抑制器存在算法复杂度较高、系统的处理时延较大等缺点。且这些GNSS互相关干扰抑制器对强信号的幅度、时延等参数要求高精确的估计，由于GNSS信号很弱，另外一般而言GNSS信号是时变的，常常如此高精确的估计在实际中无法被满足，这使得在很多情况下GNSS互相关干扰并没有被完全消除，存在残留互相关干扰。目前公知的这些GNSS互相关干扰抑制器在信号时变较快的情况下很难做到实时的跟踪强、弱信号的各种变化，增加了残留互相关干扰，使得应用有较大的局限性。使用子空间投影法的GNSS互相关干扰抑制器还存在以下缺点：因GNSS中使用的C/A码和P码很长，构造正交于强信号的接受模板信号需要进行大量的向量运算，大大增加了算法复杂度，造成了过长的计算时间，大大增加了系统的处理时延；由于要求构造的模板信号与干扰强信号正交，会使构造的模板信号不具有C/A码的作为伪随机码的良好的自相关性，这样弱信号的相关运算输出的信噪比会下降，在多个强信号需要消除时，这种弱信号的信噪比下降就更严重，同时构造的模板信号与干扰强信号正交的做法还使弱信号损失了一部分与强信号不正交的能量。

下面以消减法GNSS互相关干扰抑制器为例说明现有的GNSS互相关干扰抑制器存在各种不足。

存在M个强信号和N个弱信号的接收模型为：

其中A_m代表强信号的幅度，A_n代表弱信号的幅度，f_dm、f_dn为多普勒频移差。

设在接收第q个卫星信号时本地模板信号为X_qI，I为接收C/A码的相位差，从0取到1022。则在接收第q个卫星信号时的相关函数可表示为CC_SqI。同时有：

在传统的消减法GNSS互相关干扰抑制器中，通过对强信号的接受相关函数中的自相关峰值估计得到并通过对载波的处理得到得到：

从接收信号中减去所有强信号的值，得到：

当多普勒频率差的估计误差的影响可以忽略时有：

从上式可以看出，若估计的较准确，消减法GNSS互相关干扰抑制器可以较好的消除互相关干扰。然而，由于GNSS信号很弱，的估计很难准确。另外一般而言，A_m是时变的，可表示为A_m(t)。此时任何估计值都不能代表时变的A_m(t)，这种情况下有：

因此消减法GNSS互相关干扰抑制器中互相关干扰并没有被完全消除，存在残留互相关干扰。在时变情况下A_m(t)的方差越大则残留互相关干扰就越大。

另一方面，从系统的处理时延来考虑，估计相关峰值得到对于GPS中的C/A码而言需要几个毫秒的时间，再进行消减操作又需几个毫秒，再进行弱信号的相关峰值运算又需几个毫秒。这样增加了系统的处理时延，很不利于系统的即时性。

因此，希望能有一种方法和装置，能够克服现有的GNSS互相关干扰抑制器存在的不足，能够更好的完成GNSS互相关干扰的抑制。

发明内容

为了解决现有的GNSS互相关干扰抑制方法和装置的不足，本发明提供了一种新的GNSS互相关干扰抑制方法和装置。

本发明的一种GNSS互相关干扰抑制的方法，包括：

A.检测干扰抑制前的原接收信号中的强卫星信号；

B.产生与原接收信号中的强卫星信号同步的强卫星扩频码信号；

C.发生一组正交码，它们或组成一个完备正交码组，或为一个完备正交码组的大部分元素码；

D.对步骤B产生的扩频码信号和步骤C的输出，对应相乘后产生一组输出，该组输出组成一个码组，其相乘的方法是：步骤C输出的一组正交码中的每一个码分别与步骤B产生的扩频码信号相乘；

E.对原接收信号和步骤D的输出，进行运算，使原接收信号以步骤D输出的这组码作为一组基，产生一组投影；

F.对步骤E产生的这一组投影，除去被抑制的强卫星信号所对应的基上产生的投影外，对这一组投影以每个投影在步骤E中对应的基作为该投影的模版，投影和其模版相乘后进行累加，累加后产生输出信号。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的方法进一步包括对原接收信号及步骤B中产生的扩频码信号按某一长度分段，及产生按段进行合并后的输出信号。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的步骤C中发生的一组正交码为Walsh码。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的步骤E中进一步包括采用求卷积或求卷积和的方法产生投影。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的方法进一步包括对原接收信号和对步骤B中产生的扩频码信号采用每个码元一个抽样或每个码元多个抽样。

本发明的一种GNSS互相关干扰抑制的装置，包括：

单元G，用于检测干扰抑制前的原接收信号中的强卫星信号；

单元H，用于产生与原接收信号中的强卫星信号同步的强卫星扩频码信号；

单元I，用于发生一组正交码，它们或组成一个完备正交码组，或为一个完备正交码组的大部分元素码；

单元J，用于对单元H产生的扩频码信号和单元I的输出，对应相乘后产生一组输出，该组输出组成一个码组，其相乘的方法是：单元I的一组正交码中的每一个码分别与单元H产生的扩频码信号相乘；

单元K，用于对原接收信号和单元J的输出，进行运算，使原接收信号以单元J输出的这组码作为一组基，产生一组投影；

单元L，用于对单元K产生的这一组投影，除去被抑制的强卫星信号所对应的基上产生的投影外，对这一组投影以每个投影在单元K中对应的基作为该投影的模版，投影和其模版相乘后进行累加，累加后产生输出信号。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的装置进一步包括对原接收信号及单元H中产生的扩频码信号按某一长度分段的单元，及产生按段进行合并后的输出信号的单元。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的单元I中发生的一组正交码为Walsh码。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的单元K中进一步包括采用求卷积或求卷积和的方法产生投影。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的装置进一步包括对原接收信号和对单元H中产生的扩频码信号采用每个码元一个抽样或每个码元多个抽样。

利用正交码的正交性原理，例如Walsh码的正交性原理，该GNSS互相关干扰抑制方法和装置相对于使用消减法和子空间投影法的GNSS互相关于扰抑制方法和装置，输出信噪比在合理的实现条件下有一定的优势。该GNSS互相关干扰抑制方法和装置具有较小的系统复杂度，容易以较小的硬件开销实现，算法复杂度和子空间投影法相比更是大大降低。算法若一次成功消除了某一个强信号的互相关于扰，重复这样的操作M次，就消除了所有M个强信号的干扰。该GNSS互相关干扰抑制方法和装置所用的强、弱信号接收模板信号是良好伪随机信号码如Gold码形式的，有良好的自相关性特性，增加了捕获弱信号时的信噪比，与子空间投影法的方法和装置相比有了很大的改进。该GNSS互相关于扰抑制方法和装置可以更好的在信号幅度变化较快环境下应用，能有效跟踪信号的快速时变，具有较小的系统处理时延，增强了系统的即时性。现有的GNSS互相关干扰抑制方法和装置只能跟踪到几个毫秒级别的信号幅度变化；该GPS互相关干扰抑制方法和装置可以跟踪几十到几百分之一个毫秒级别的信号幅度变化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种GNSS互相关干扰抑制方法和装置的流程框图；

图2为相关码元长度为16时本发明和消减法GNSS互相关干扰抑制方法和装置的性能比较；

图3为相关码元长度为105时本发明和消减法GNSS互相关干扰抑制方法和装置的性能比较；

图4为相关码元长度为500时本发明和消减法GNSS互相关干扰抑制方法和装置的性能比较。

具体实施方式

本发明实施例，提供了一种GNSS互相关干扰抑制的方法，及一种GNSS互相关干扰抑制的装置。

下面结合附图对本发明实施例进行说明。

参见附图1，本发明实施例提供的一种GNSS互相关干扰抑制的方法包括：

S101、检测并解调原接收信号中的所有强信号，可以按照现有各种检测解调强信号的方法，如直接进行相关运算法进行，此步骤的主要目标是得到强信号的相位信息，以供后面的步骤使用。

S102、产生与原接收信号中的某一个强信号同步的强信号扩频码，详细的说明为：

产生第m个卫星的i相位的扩频码序列为D_im(k)(码的取值为+1或-1，以下同)，码元速率为f_D，此序列为每个码元一个抽样。经过p倍码元速率即速率为pf_D的抽样后的码序列为D_imp(k)，此序列为每个码元p个抽样。

S103、对接收信号按某一长度分段，详细的说明为：

接收到的GNSS信号经过对某一个(现设为第一个)强信号的码元同步(即把强信号的码元跳变时刻定义为扩频序列的分割时刻)，按某一长度分段并以码元速率抽样后得到序列S_r(k)，并设观察的序列段的长度为j，有

其中是以k为自变量的函数，以下相同。其中D_im、D_in为传输路径产生的码相位误差。

同时设在经过了p倍码元速率的抽样，即每个码元p个抽样后，按某一长度分段得到序列同时设观察的序列段的长度为pj，同样的有

其中为传输路径产生的码相位误差。并且D_im和D_in和有如下关系：

其中[·]表示取整运算。

S104、对步骤S102中产生的扩频码按某一长度分段，详细的说明为：

第m个卫星的i相位的扩频码序列分段为(码的取值为+1或-1，以下同)，码元速率为f_D，并设观察的序列段的长度为j。此序列为每个码元一个抽样。设经过p倍码元速率即速率为pf_D的抽样后的码序列分段为同时设观察的序列段的长度为pj。此序列为每个码元p个抽样。

S105、发生一组正交码，这里为一组Walsh码，发生某一长度的一组Walsh码，详细的说明为：

经过对原信号以码元速率抽样后，发生长度为j的一族Walsh码，其中第l(字母l)个Walsh码序列为W_jl(k)。经过对原信号p倍码元速率即速率为pf_D的抽样后，则发生另一长度为pj的一族Walsh码，其中第L个Walsh码W_pjL(k)。

由Walsh码的正交性有：

和

Walsh码族在码元长度j上构成了一组正交基，同时分别在抽样长度j上构成了一组正交基。Walsh码族在码元长度j上构成了一组正交基，同时分别在抽样长度pj上构成了一组正交基。生成的全部的Walsh码组构成了一个完备正交码组。生成的部分的Walsh码组，即构成了一个完备正交码组的大部分元素码组，是一个非完备正交码组。步骤S105中得到的完备的Walsh码组或非完备的Walsh码组都可以用于下面的步骤S106。

S106、对步骤S104和步骤S105的输出，对应相乘后产生一组输出，详细的说明为：

将与W_jl(k)相乘得到序列：

将与W_pjL(k)相乘得到序列：

则有：

即序列和序列同样有类似于Walsh码的正交性。由此码族码族在码元长度j上构成了一组正交基，同时分别在抽样长度j和pj上构成了一组正交基。

S107、对步骤S103和步骤S106的输出，使步骤S103的输出以步骤S106输出的这组码作为一组正交基，产生一组投影，即对应求卷积或卷积和后产生一组输出，其中详细的说明为：

设则

对S_r(k)分别乘以其中h∈[2，j]，则有

设则

对分别乘以其中h∈[2，pj]，则有

注意到和的相似性，以及和的相似性，特别的并且当h≠1时有

设其中h∈[2，j]

并设其中h∈[2，pj]

则U_jh(k_j)、就是接收序列S_r(k)、在与被抑制的强信号正交的空间中的投影。投影时的一组基为或

也可以按下面的方法计算投影。

其中h∈[2，j]

其中h∈[2，pj]

S108、对步骤S107产生的这一组投影，除去被抑制的某一个强卫星信号的所对应的基或的投影外，对这一组投影以步骤S106的输出组成的码组即步骤S106输出的基作为模版，相乘后产生一组输出信号，其中相乘时以每个投影在步骤S107中对应的基作为该投影的模版。步骤S107中的一组基为或详细的说明为：

对得到的投影U_jh(k_j)、以其在步骤S107中所对应的基或作为模版相乘：

S109、对步骤S108的输出，对这一组信号累加后产生输出，详细的说明为：

S110、对步骤S109的输出，将分段过的信号进行段的合并后产生输出，详细的说明为：

综上所述，Y_r(k)、成功消除了强信号m＝1的互相关干扰。重复这样的操作M次，就消除了所有M个强信号的干扰。消除了所有的强信号的干扰后就可以对弱信号进行相关处理，得到弱信号的相关峰。此时所用的弱信号模板信号是良好伪随机码形式的，有良好的自相关性，与子空间投影法相比有很大的优势。这种算法不需进行强信号幅度值的精确估计，仅需跟踪准确强信号的相位即可，大大降低了对接收机硬件的要求。

综上所述，本发明在实际应用时，有两种典型的选择方案：

一种是按照码元速率抽样，这样有更低系统复杂度，但有稍差的输出信噪比。

另一种是按照码元速率的多倍速率抽样，这样有更高系统复杂度，但有稍好的输出信噪比。

另外还可以采用其他码元抽样的方法。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域的技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神。例如，本发明可以应用在所有的GNSS中，包括GPS、北斗系统和伽利略系统等等。又例如，分段的长度可以有多种选择。又例如，可以对本发明的方法和装置进行各种级联、并联或混联的组合。又例如，正交码的选取除了Walsh码外，还可以选择其他正交码。因此，若本发明的这些变形和变化属于本发明的权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些变形和变化在内。

对本发明进行了仿真，仿真条件为：GPS系统，CA码，存在4个卫星信号，其中1个强信号，其余为弱信号。4个信号卫星编号(卫星ID)为：31、8、20、16。分块长度为16，强信号比弱信号强24dB。仿真结果为：图2、图3、图4和表1。

为了衡量互相关干扰抑制后弱信号的相关特性优劣，定义抑制后信号的伪随机特性函数Fr为：

伪随机特性函数并不等于实际的信噪比，原始的CA码的伪随机特性函数在15dB左右，而CA码的信噪比约为24dB。

信号幅度时变的方差用信号幅度时变部分的能量和信号幅度非时变部分的能量之比来表示，并以dB值表示。信号幅度时变变化的快慢用信号幅度时变的相关码元长度表示。GPS卫星的最大多普勒速率为929m/s。相对应的相干时间约为102.5us，因此可估算出信号幅度时变的相关码元长度约为105个码元。在仿真中，考虑信号幅度时变的相关码元长度为16个、105个、500个三种情况，分别对应信号幅度快速、中速、慢速时变的三种情况。用来表示信号幅度时变的方差的能量比在0-30dB之间变化。

如图2、图3、图4所示采用本实施例的一种GNSS互相关干扰抑制方法和装置和消减法GNSS互相关干扰抑制方法和装置的性能对比可以看出，信号幅度时变的方差较大时，本发明性能比消减法好。在相关码元长度为16个时，本发明性能比消减法最大好0.8dB；在相关码元长度为105个时，性能最大好1.4dB；在相关码元长度为500个时，性能最大好1.7dB。当信号幅度时变的方差很小时，本发明和消减法的伪随机特性函数值分别趋于固定值9.2dB和12.4dB。虽然当信号幅度时变的方差很小时，消减法比本发明的伪随机特性函数值高出3.2dB，但实际捕获弱信号时9.2dB的伪随机特性函数已经可以很好的确定扩频码的相位等特性，再提高3.2dB的伪随机特性函数对实际系统的整体性能并无多大提高。而在信号幅度时变的能量比在约13.5dB以下时，信号幅度时变的方差较大，本发明比消减法伪随机特性函数值大；此时伪随机特性函数值较小，这种情况下伪随机特性函数的微弱大小变化都会关系到能否成功的和正确的检测并捕获弱信号；因此本发明所提高的伪随机特性函数值可以大大提高捕获的成功率和正确率。

表1本发明和子空间投影法的性能比较

如表1所示采用本实施例的一种GNSS互相关于扰抑制方法和装置和子空间投影法GNSS互相关干扰抑制方法和装置的性能对比可以看出，本发明在大多数情况下，即正交投影的相位位置的百分比在10％至95％之间时优于子空间投影法。当正交投影的相位位置的百分比在10％以下时子空间投影法较本发明好，但这意味着10个以上的模板信号同时进行捕获，大大增加了系统复杂度。另外，子空间投影法算法计算复杂度高，而本发明的算法复杂度大大降低。子空间投影法算法需要巨大的存储空间，这在实际接收机中很难实现，本发明则不需要太大的存储空间。因此，从实际可实现的角度出发，本发明也优于子空间投影法。

Claims

1.一种GNSS互相关干扰抑制的方法，其特征在于，包含步骤：

A.检测干扰抑制前的原接收信号中的强卫星信号；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的方法进一步包括对原接收信号及步骤B中产生的扩频码信号按某一长度分段，及产生按段进行合并后的输出信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤C中发生的一组正交码为Walsh码。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤E中进一步包括采用求卷积或求卷积和的方法产生投影。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的方法进一步包括对原接收信号和对步骤B中产生的扩频码信号采用每个码元一个抽样或每个码元多个抽样。

6.一种GNSS互相关干扰抑制的装置，其特征在于，该装置包括：

单元G，用于检测干扰抑制前的原接收信号中的强卫星信号；

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的装置进一步包括对原接收信号及单元H中产生的扩频码信号按某一长度分段的单元，及产生按段进行合并后的输出信号的单元。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：单元I中发生的一组正交码为Walsh码。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的单元K中进一步包括采用求卷积或求卷积和的方法产生投影。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的装置进一步包括对原接收信号和对单元H中产生的扩频码信号采用每个码元一个抽样或每个码元多个抽样。