CN103698777A - 一种基于子空间投影的gnss接收机互相关干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法，涉及通信技术领域。为了实现利用强信号的载波频率信息与扩频码码相位信息即可对GNSS信号中的互相关干扰进行抑制，确保GNSS接收机在强弱卫星信号并存时能够正常对弱信号进行接收。完成对N个强信号的捕获跟踪以及解调；在对弱信号进行观测与接收前需要对已经观测的强信号的载波频率信息与扩频码信息

进行复现；利用观测到的强信号信息对强信号矩阵进行重建；利用得到的强信号矩阵按照公式(3)构建强信号子空间的投影矩阵；计算强信号子空间的补空间；将接收的中频信号在得到的补空间上进行投影，完成干扰抑制运算，得到的信号r近似为弱信号和噪声的混合信号。适用于GNSS接收机中的互相关干扰抑制。

Description

一种基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及一种GNSS接收机互相关干扰抑制方法，涉及通信技术领域。

背景技术

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的发展，GNSS接收机已经成为了人们日常生活中不可或缺的重要工具。由于目前大多数GNSS系统都是基于CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)的，而CDMA系统都存在互相关干扰，对于移动通信系统互相关干扰也叫多址干扰(Multiple Access Interference,MAI)。互相关干扰的产生的本质是由于扩频码不完全正交，不同扩频码之间的互相关值不为零，当不同信号之间的功率相差较大时，会导致强信号与弱信号的互相关值大于弱信号的自相关值，使得接收机无法对弱信号进行观测与接收。

CDMA系统中最常用的对互相关干扰进行抑制的方法是功率控制和多用户检测技术。对于功率控制方法需要实时的调整信号的发射功率，使得基站接收到的信号的功率相差不大，但是导航卫星信号的发射功率是固定的，无法对其进行实施调整，所以功率控制系统无法应用在GNSS系统中。而多用户检测技术尽管理论上可以达到信号最优接收，但是其算法大多太过复杂且运算量巨大所以一般应用在电力充足硬件资源丰富的基站上，不适用于硬件资源和电力资源有限的GNSS接收机中。

此外，一般情况下扩频码的码长越长，其自相关值与互相关值之间的保护间隔越大，但是由于需要考虑捕获速度等原因，GNSS系统的扩频码一般都不是很长，所以通过采用码长很长的扩频码来抑制互相关干扰这点对GNSS系统也不适用。

直接干扰抑制算法是目前相对有效的可以用于GNSS接收机中的互相关干扰抑制算法。但是直接干扰抑制算法需要精确的估计出接收的强信号的扩频码码相位、载波相位、载波频率、信号幅值、导航电文等参数，算法的稳定性较差，当某一参数估计不够精确时效果将急剧下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法，以实现利用强信号的载波频率信息与扩频码码相位信息即可对GNSS信号中的互相关干扰进行抑制，确保GNSS接收机在强弱卫星信号并存时能够正常对弱信号进行接收。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法，定义进入GNSS接收机接收的信号经过下变频后得到的中频信号为r_IF，包含N个强信号K个弱信号，n₀为噪声：

$r_{\mathrm{IF}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_s^j+\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_w^i+n_0---\left(1\right)$

由于互相关干扰的存在，N个强信号会对K个弱信号的观测产生影响；所述基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法的实现过程为：

步骤1：GNSS接收机开机对信号进行接收，并完成对N个强信号的捕获跟踪以及解调：

如果N≥4(GNSS接收机至少要利用4颗卫星的信号来完成定位)，利用N个强信号接收机能够完成定位并且精度因子满足要求，则接收机无需对弱信号进行观测；

如果强信号个数N<4或者当N≥4时利用这N个强信号接收机不能够完成定位或者定位精度因子不能够满足要求，则需继续对弱信号进行观测与接收；

步骤2：在对弱信号进行观测与接收前需要对已经观测的强信号的载波频率信息

与扩频码信息

进行复现；所述两种参数信息可在强信号观测通道的载波跟踪环和码跟踪环得到；

步骤3：利用观测到的强信号信息对强信号矩阵进行重建，假设每次运算的数据长度为K，则强信号矩阵按下面的公式进行重建：

S=[S₁,S₂,…,S_N]_K×N

$S_j=\left[\begin{array}{c}{C}_s^j\left(t_1\right)e^{j\left({2\mathrm{\&pi;f}}_s^j{t}_1\right)}\\ C_s^j\left(t_2\right)e^{j\left({2\mathrm{\&pi;f}}_s^j{t}_2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ C_s^j\left(t_K\right)e^{j\left({2\mathrm{\&pi;f}}_s^j{t}_K\right)}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中1≤j≤N；

对于每次运算的数据长度K在选取时需要保证其能够整除T_Df_simple，其中T_D为导航电文周期，f_simple为接收机的采样频率；

步骤4：利用得到的强信号矩阵按照公式(3)构建强信号子空间的投影矩阵：

H_s=S(S^HS)^-1S^H    (3)

其中，S^H表示矩阵S的共轭转置；

步骤5：计算强信号子空间的补空间：H_c=I-H_s    (4)

步骤6：将接收的中频信号在得到的补空间上进行投影，完成干扰抑制运算，得到的信号r近似为弱信号和噪声的混合信号：

r=(I-H_s)·r_IF    (5)

式中：I为单位矩阵，H_s为投影矩阵，r_IF为中频信号。

所述GNSS接收机采用正交混频器。

所述GNSS接收机的量化比特位数至少要为4比特。

本发明的有益效果是：

本发明提出的一种基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法最大的优势在于在进行干扰抑制时所需的干扰信号的参数少，只需要干扰信号的载波频率信息和扩频码信息。而常用的直接干扰抑制算法则需要知道干扰信号的载波频率信息、扩频码信息、载波相位信息、幅度信息以及导航电文信息。

以GPS L1频段信号接收为例，当存在3个强卫星信号1个弱卫星信号（强信号分别为GPS3号、5号以及6号卫星，而弱信号为4号卫星），由于接收机接收到的强信号个数为3，还至少需要一颗卫星信号才能进行定位，这里采用了本文提出的互相关干扰抑制算法对强信号的干扰进行抑制，当4号卫星信号的SIR（信干比）从-30dB增加到-5dB而SNR（信噪比）恒等与-13dB时，采用的本文的基于子空间投影法的互相关干扰算法进行抑制后得到的SINR(信干噪比)曲线如图2所示，可以看出经过互相关干扰抑制后的4号卫星信号的SINR几乎与此信号的SNR相等，这说明本算法能够有效的对互相关干扰进行抑制，大大提高了目标弱信号输出的SINR。利用强信号的载波频率信息与扩频码码相位信息即可对GNSS信号中的互相关干扰进行抑制，确保GNSS接收机在强弱卫星信号并存时能够正常对弱信号进行接收，且稳定性好。本发明能完全适用于GNSS接收机中的互相关干扰抑制。

附图说明

图1是本发明的流程图，图2是利用本发明的互相关干扰抑制前后得到的SINR（信噪比）对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法：

假设进入GNSS接收机接收的信号经过下变频后得到的中频信号为r_IF，包含N个强信号K个弱信号，n₀为噪声：

$r_{\mathrm{IF}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_s^j+\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_w^i+n_0---\left(6\right)$

由于互相关干扰的存在，含N个强信号会对K个弱信号的观测产生影响。本发明就是利用一种改进的基于子空间投影的互相关干扰抑制算法对GNSS信号中的互相关干扰进行抑制，消除强信号对弱信号的观测的影响，保证GNSS接收机在强弱信号并存时能够正常的接收弱信号。具体实现过程如下：

步骤1：GNSS接收机开机对信号进行接收，并已经完成了对N个强信号的捕获跟踪以及解调。如果N≥4(GNSS接收机至少要利用4颗卫星的信号来完成定位)并且利用这N个强信号接收机已经能够完成定位并且精度因子满足要求，则接收机无需对弱信号进行观测；如果强信号个数N<4或者当N≥4时利用这N个强信号接收机不能够完成定位或者定位精度因子不能够满足要求，则需继续对弱信号进行观测与接收；

步骤2：在对弱信号进行观测与接收前需要对已经观测的强信号的载波频率信息

与扩频码信息

进行复现。而这两种参数可以在强信号观测通道的载波跟踪环和码跟踪环得到；

步骤3：利用观测到的强信号信息对强信号矩阵进行重建。假设每次运算的数据长度为K，则强信号矩阵按下面的公式进行重建：

S=[S₁,S₂,…,S_N]_K×N

$S_j=\left[\begin{array}{c}{C}_s^j\left(t_1\right)e^{j\left({2\mathrm{\&pi;f}}_s^j{t}_1\right)}\\ C_s^j\left(t_2\right)e^{j\left({2\mathrm{\&pi;f}}_s^j{t}_2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ C_s^j\left(t_K\right)e^{j\left({2\mathrm{\&pi;f}}_s^j{t}_K\right)}\end{array}\right]---\left(7\right)$

对于每次运算的数据长度K在选取时需要保证其能够整除T_Df_simple，其中T_D为导航电文周期，f_simple为接收机的采样频率；

步骤4：利用得到的强信号矩阵按照公式(3)构建强信号子空间的投影矩阵：

H_s=S(S^HS)^-1S^H    (8)

步骤5：计算强信号子空间的补空间：

H_c=I-H_s    (9)

步骤6：将接收的中频信号在得到的补空间上进行投影，完成干扰抑制运算，得到的信号r近似为弱信号和噪声的混合信号，即可对其进行捕获和跟踪（对投影得到的数据进行捕获、跟踪）。

r=(I-H_s)·r_IF    (10)

具体实施方式二：所述GNSS接收机采用正交混频器。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。由于本算法将信号的IQ两路当做复数进行运算，所以要求GNSS接收机采用正交混频器。

具体实施方式三：所述GNSS接收机的量化比特位数至少要为4比特。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。为了防止强信号的量化噪声淹没弱信号，要求GNSS接收机的量化比特位数至少要为4比特。

实施例：

以GPS L1频段信号接收为例，接收的卫星信号中存在3个强卫星信号1个弱卫星信号（强信号分别为GPS3号、5号以及6号卫星，而弱信号为4号卫星）。

步骤1：GPS接收机开机对信号进行接收，并已经完成了对3个强信号的捕获跟踪以及解调。由于强信号个数N<4接收机不能够完成定位功能，所以继续对弱信号进行接收，但是接收之前需要对强信号的互相关干扰进行抑制；

步骤2：在强信号的载波跟踪环和码跟踪环得到强信号的载波频率信息与扩频码信息。

步骤3：利用观测到的强信号信息对强信号矩阵进行重建。对于GPS信号导航电文周期为T_D=20ms，而本实验采用的采样频率为f_simple=5MHz，则每次运算的数据长度选取为K=1000，能够整除T_Df_simple。

步骤4：利用得到的强信号矩阵按照公式(3)构建强信号子空间的投影矩阵：

步骤5：照公式(4)计算强信号子空间的补空间：

步骤6：将接收的中频信号在得到的补空间上进行投影，完成干扰抑制运算，得到的信号r近似为4号卫星的信号和噪声的混合信号，即可对混合信号进行捕获和跟踪。

Claims (3)

1.一种基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法，定义进入GNSS接收机接收的信号经过下变频后得到的中频信号为r_IF，包含N个强信号K个弱信号，n₀为噪声：

$r_{\mathrm{IF}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_s^j+\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_w^i+n_0---\left(1\right)$

由于互相关干扰的存在，N个强信号会对K个弱信号的观测产生影响；其特征在于，所述基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法的实现过程为：

步骤1：GNSS接收机开机对信号进行接收，并完成对N个强信号的捕获跟踪以及解调：

如果N≥4，利用N个强信号接收机能够完成定位并且精度因子满足要求，则接收机无需对弱信号进行观测；

如果强信号个数N<4或者当N≥4时利用这N个强信号接收机不能够完成定位或者定位精度因子不能够满足要求，则需继续对弱信号进行观测与接收；

步骤2：在对弱信号进行观测与接收前需要对已经观测的强信号的载波频率信息

与扩频码信息

进行复现；所述两种参数信息可在强信号观测通道的载波跟踪环和码跟踪环得到；

步骤3：利用观测到的强信号信息对强信号矩阵进行重建，假设每次运算的数据长度为K，则强信号矩阵按下面的公式进行重建：

S=[S₁,S₂,…,S_N]_K×N

$S_j=\left[\begin{array}{c}{C}_s^j\left(t_1\right)e^{j\left({2\mathrm{\&pi;f}}_s^j{t}_1\right)}\\ C_s^j\left(t_2\right)e^{j\left({2\mathrm{\&pi;f}}_s^j{t}_2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ C_s^j\left(t_K\right)e^{j\left({2\mathrm{\&pi;f}}_s^j{t}_K\right)}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中1≤j≤N；

对于每次运算的数据长度K在选取时需要保证其能够整除T_Df_simple，其中T_D为导航电文周期，f_simple为接收机的采样频率；

步骤4：利用得到的强信号矩阵按照公式(3)构建强信号子空间的投影矩阵：

H_s=S(S^HS)^-1S^H    (3)

其中，S^H表示矩阵S的共轭转置；

步骤5：计算强信号子空间的补空间：H_c=I-H_s    (4)

步骤6：将接收的中频信号在得到的补空间上进行投影，完成干扰抑制运算，得到的信号r近似为弱信号和噪声的混合信号：

r=(I-H_s)·r_IF    (5)

式中：I为单位矩阵，H_s为投影矩阵，r_IF为中频信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法，其特征在于，所述GNSS接收机采用正交混频器。

3.根据权利要求2所述的一种基于子空间投影的GNSS接收机互相关干扰抑制方法，其特征在于，所述GNSS接收机的量化比特位数至少要为4比特。

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