CN111538042B - 基于矩阵重构算法的阵列抗卫星导航信号多径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矩阵重构算法的阵列抗卫星导航信号多径的方法，属于卫星导航定位领域，通过矩阵重构处理算法，使得湮没于噪声下的卫星导航信号被处理后可以直接应用于阵列信号理论，将阵列采集系统接收到的信号，通过矩阵重构、来波方向估计和波束形成加权处理，形成主波束对准卫星直达信号并使零陷位置对准多径信号的天线阵列方向图，达到增强卫星直达信号、抑制多径的目的。本发明不需要惯导辅助确定阵列平台姿态、改进的波束形成准则计算量小，降低了阵列抗多径算法的计算量，并且对码片延迟较小的难以去除的多径具有较好的抑制效果。

Description

基于矩阵重构算法的阵列抗卫星导航信号多径的方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位领域，尤其是卫星导航抗多径领域，具体涉及一种对卫星导航信号进行矩阵重构的阵列抗多径算法

背景技术

卫星导航定位系统的应用范围越来越广泛，用户对定位精度的要求也越来越高，针对卫星导航系统的各种误差源以及减弱其对接收机的影响的方法和技术的研究也越来越深入。目前，影响定位精度的误差源主要包括卫星钟差和轨道误差、电离层延迟、对流层延迟、干扰和多径等。其中，卫星钟差、轨道误差、电离层和对流层延迟等误差具有时空相关性，可以采用差分定位技术进行改正；但是，多径效应不具有时空相关性，不能使用差分技术进行修正，成为高精度用户提高定位精度和可靠性的主要瓶颈。为了消除多径的影响，多径信号的特征估计和抑制方法成为卫星导航领域研究的热点。

现有的多径抑制技术主要可以分为三种，分别是环路抑制算法、数据后处理和空域抑制算法，主要包括窄相关技术、早迟斜率(ELS)算法、Strobe相关器、脉冲孔径相关器(PAC)技术、延迟锁定环(MEDLL)技术等。但是他们都有着各自的短板：环路抑制算法在信号与多径之间的时延差较长的情况下具有明显的效果，而对短时延(小于0.01码片)的多径则失效；数据后处理算法需要大量的数学运算作为支撑，因此统计的卫星运行周期长，存在解算过程耗时过大、计算复杂的问题；常用的空域抑制方法——单天线抑制技术，如天线扼流圈、高天顶天线(HZA)等，对天线的接收信号角度抑制是有限的，只能部分抑制到达的多径信号。因此越来越多的国内外学者将研究重心转移到多天线的自适应阵列天线技术抗多径算法上。

目前国内设计的卫星导航信号(Global Navigation Satellite System，GNSS)阵列天线抗多径技术需要提供卫星来向、平台姿态等先验信息，才能够完成波束形成抗多径。因此，会导致这种算法会牺牲有用的阵列信息，并且迭代处理的计算量大、对载波测量精度要求过高。不使用先验信息完成抗GNSS信号的多径成为目前卫星导航信号阵列抗多径亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提供了一种矩阵重构的GNSS信号阵列抗多径算法，可以不需要引入先验信息达到阵列抗多径的目的。

本发明的技术方案为：

步骤一、将卫星导航信号采用多天线接收机采集存储，包括天线接收阵列、下变频采集模块、数据采集模块和存储模块，并对其进行粗捕获，分解出可能含有的卫星导航信号。天线接收阵列的排布方式，各阵元之间的间距小于射频信号波长的二分之一，并在各阵元之间设计挡板。

多阵元天线阵列由16个适用于导航信号的四频测量型天线组成，该平台可接收频点为GPS/L1和北斗B1、B2、B3所对应的频率，天线支持接收俯仰角从0°到90°、方位角从0°到360°的信号。

下变频采集模块以北斗二代RNSS区域信号接收机射频芯片为核心，可以接收B1、B2、B3以及GPS L1、GLONASS L1、L2频点的信号(芯片内只有一个射频通道，通过SPI接口和S0、S1选择信号选择其中一个频点工作)。信号经射频输入引脚进入芯片，经两级低噪放(LNA1和LNA2)、下变频、滤波等处理后，输出模拟或数字中频信号供基带芯片使用。

数据采集模块采用PCIE X8 XC7K325T开发板，该板卡基于Xilinx公司的FPGAXC7K325T-2FFG900芯片，pin_to_pin兼容FPGAXC7K410T-2FFG900，支持PCIeX8、64bitDDR3容量2GByte，HPC-FMC连接器，板卡支持各种接口输入。

存储模块采用的存储设备为三星公司生产的固态硬盘850PRO，1TB，该SSD使用SATA3.0接口，总线理论带宽可达6Gbps，主控芯片采用三星3核MEX。理论连续读取速度可到550MB/s，连续写入速度可达520MB/s。

步骤二、顺序选取其中一颗可能含有的卫星导航信号，确定其本地伪随机码pn₁(t)，并对存储信号采用预处理算法重新采样。

预处理算法是对阵列接收的每路自相关捕获信号进行矩阵重构，提升GNSS信号功率达到阵列处理算法适用信号普遍高于0dB的要求，并且保持多径信号与直视信号的相位延迟、幅度衰减和传播时延的叠加信息没有损耗，其具体步骤为：

(1)对存储的多天线存储数据分别进行精捕获运算，得到每一路天线信号的多普勒频率和码相位的估计值f₁，f₂，…f_N，c₁，c₂，…c_N，其中，N为天线的数量；

(2)对估计值进行聚类，得到参考阵元的多普勒频率f_d和码相位c_d估计值；

(3)根据估计的多普勒和码相位值，对伪随机码进行重构，成为新的本地码pn_c(t)；

(4)将重构的本地码pn_c(t)与多天线接收机存储的信号分别进行相关运算，得到相关后的数据r₁(t)，r₂(t)，…r_N(t)；

(5)对相关后的数据重新采样，得到自相关的采样结果r₁(T)，r₂(T)，…r_N(T)，构成新的输入信号矩阵Y，其中，T为自相关函数的采样周期。采样周期T为卫星导航信号的伪码重复周期。

步骤三、由于多径与直视信号的振动方向和振动频率相同、相位差保持恒定，因此两者之间具有相干性。对输入的多径信号和直视卫星导航信号进行来波方向估计(Direction of Arrival，DOA)时，需要进行解相关。

解相干的来波方向估计算法使用Toeplitz-MUSIC算法，具体步骤为：

(1)计算预处理信号的自相关矩阵

其中，m表示的是阵元编号，y_m(T_i)为预处理后的输入信号，上标H表示共轭转置，N表示重构矩阵重复选取的自相关积分时刻数，T_i表示第i个按照自相关周期采样的时刻；

(2)根据Toeplitz算法对自相关矩阵R进行去相干，重构输入信号R_*＝Y_b×Y_b ^H＝I_vA^HR_SA^TI_v+σ²I＝I_vR^HI_v，求得协方差矩阵为

其中I_v表示单位矩阵；

(3)根据MUSIC算法求得协方差矩阵的秩K＝rank(AR_SA^H)，对协方差矩阵进行特征值分解得到K个正实数特征值和N-K个小特征值，对协方差矩阵的K个正实数特征值按降序排列为λ₁≥λ₂≥…≥λ_K，对应的特征向量为v₁,v₂,…,v_K，构成信号子空间span{v₁,v₂,…,v_K}，其余的M×M-K个小特征值与噪声有关，每个特征值对应的特征向量为v_K-1,v_K-2,…,v_N，构成了噪声子空间span{v_K+1,v_K+2,…,v_N}，用噪声特征向量对应的噪声特征向量构造噪声矩阵U_N＝[v_K+1,v_K+2,…,v_M×M]；

(4)根据噪声向量，定义空间谱函数

其中，a(θ)为方向矢量，通过变化θ和

的大小，使得谱函数达到峰值，峰值处对应的信号的方位角

与俯仰角θ就是信号的来向角度。

步骤四、估计出卫星导航直视信号和多径信号的来波方向后，采用线性约束最小方差(Linear Constrained Minimum Variance，LCMV)准则进行波束形成求得阵列加权的权值，在一段时间内将阵列天线的波束导向到期望信号的方向上，以达到增强期望信号、抑制多径的目的。

该准则是在直视信号和多径信号的来向都已知的情况下，约束卫星直达信号在加权之后功率基本不变、多径干扰加权之后为0的情况下，最小化输出功率，可用数学表达式描述为

其中，

为去相干处理后的自相关矩阵，C为(M×M)×K维约束矩阵，即C＝[v₁,v₂,…v_K]，v₁为卫星导航直视信号的导向矢量，v₂,v₃…v_K-1为多径信号对应的方向矢量，K-1为多径信号的个数，f为(K-1)维约束矢量，即

约束直达信号方向上的阵列响应为1，置零多径方向上的响应，即响应值为0。该约束条件可保证使得直达信号无失真地接收，而不接收多径干扰。利用拉格朗日乘子法，求得在LCMV准则下的最优权矢量的数学表达式为

步骤五、波束形成后的GNSS信号送入软件接收机定位解算，使用LCMV准则求得的权值与输入信号对应相乘后求和，得到该卫星去除多径后的中频信号，送入软件接收机进行跟踪解算。

重复步骤二、三、四、五，直到粗捕获得到的所有卫星都在软件接收机中跟踪，根据多颗卫星跟踪结果定位解算。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.本发明所提出的矩阵重构算法能够使得GNSS软件接收机在没有先验信息的情况下，实现了波束形成去多径与捕获定位的同步进行，简化了平台结构又没有增加计算量；

2.本发明所提出的阵列抗多径算法不仅能够去除长时延的多径信号，对短时延(码片延迟小于0.01chip)的多径信号也有良好的抑制效果。

附图说明

图1为本发明所提出的基于矩阵重构算法的阵列抗卫星导航信号多径的方法实施步骤流程图

图2为本发明提出的GNSS阵列采集系统的设计流程图。

图3为本发明提出的4阵元GNSS信号预处理的矩阵重构算法的实施步骤流程图。

图4为本发明提出的4阵元GNSS信号与多径信号解相干来波方向估计的实施步骤流程图。

图5为本发明的GPS/L1矩阵重构算法的实施步骤流程图。

具体实施方式

卫星导航系统分为美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、中国BDS系统和欧洲“伽利略”系统，在本发明中的主要区别是射频频率的不同和伪码相关时长的不同，对算法的影响分别为阵列间距的差别和导航信号预处理的积分时长的不同。在具体实施时，选取使用较为普遍的GPS/L1信号为例。

在实际环境中，真实接收的卫星导航信号由于多径产生的信号数量无法确定、多径幅度和相位难以量化，因此，采用模拟真实卫星信号与多径信号的发射器搭建空间传输接收的半物理抗多径平台，实施本发明的算法处理。

本发明对带有一路多径的GPS/L1信号实施方案为：

步骤一、多阵元天线阵列采用2×2的平面阵列，根据GPS/L1的射频频率设计阵元之间的间距为12.75cm，以防止发生相位模糊。下变频采集模块通过SPI借口选择射频接收频率为1575.42Mhz。数据采集模块用FPGA写入芯片，数模转换的采样频率为62.5Mhz、中频为46.42Mhz，以保证各通道信号的连续性和真实性，并符合后续传输链路的带宽。存储模块将8个通道的采集数据存入PC端，用于后续的算法处理，并采用示波器确定8个通道内4个阵元所对应的通道，并在PC端将4个通道数据分别存储。

步骤二、使用预处理算法对卫星导航信号进行重构，使用精捕获确定可跟踪的卫星号，以1号星为例，将精捕获和聚类求得的多普勒频率f_d和码相位c_d，带入到GPS/L1的1023个伪随机码中，形成新的本地码。将输入数据与本地码进行相关运算，再按照10⁶Hz对相关后的数据进行采样，将4个通道重新采样后的数据组合到一起，构成新的输入信号矩阵Y。

步骤三、对1号星进行来波方向估计时，将预处理算法输出的矩阵分段，选取100个采样点构成4×100的矩阵Y，输入到本发明的Toeplitz-MUSIC来波方向估计算法中，按照上述步骤求得1号星的噪声矩阵U_N＝[v_K+1,v_K+2,…,v_M×M]。将俯仰角θ和方位角

以1°为间隔，分别计算0°-90°和0°到360°的空间谱函数P_MUSIC，通过比较求得其峰值所对应的角度

就是1号GPS信号的输入角度，相对较小的峰值所对应的角度

就是1号星的多径信号的输入角度。

步骤四、根据预处理和Toeplitz去相干算法得到的协方差矩阵

和MUSIC算法估计的1号星信号和多径信号的来波角度

和

带入到线性约束最小方差准则中，求得4路信号所对应的权值w_LCMV，将该权值与采集到的4路信号分别相乘后求和，该权值根据预处理采样周期每100ms刷新一次。

步骤五、去除多径后的1号星信号，输入到软件接收机中，进行卫星导航信号的捕获跟踪处理。

循环步骤二、三、四、五，直到将接收机能够捕获到的卫星都进行去多径处理并送入到软件接收机跟踪捕获。

需要说明的是，此实施仅说明本发明的技术方案，对于不同的GNSS信号可根据其频点改变下变频频率和中频数据，根据不同GNSS信号的伪随机码改变矩阵重构算法的积分时间，根据实施环境的不同改变阵元个数，可增至16个阵元。本领域的普通技术人员可对本发明的技术方案进行替换。

Claims (4)

1.一种基于矩阵重构算法的阵列抗卫星导航信号多径的方法，其特征在于,包括以下步骤：

步骤一、将卫星导航信号采用多天线接收机采集存储，并对其进行粗捕获，分解出可能含有的卫星导航信号；

步骤二、顺序选取其中一颗可能含有的卫星导航信号，确定其本地伪随机码pn₁(t)，并对存储信号采用预处理算法重新采样，具体包括以下子步骤：

(1)对存储的多天线存储数据分别进行精捕获运算，得到每一路天线信号的多普勒频率和码相位的估计值f₁，f₂，…f_N，c₁，c₂，…c_N，其中，N为天线的数量；

(2)对估计值进行聚类，得到参考阵元的多普勒频率f_d和码相位c_d估计值；

(3)根据估计的多普勒和码相位值，对伪随机码进行重构，成为新的本地码pn_c(t)；

(4)将重构的本地码pn_c(t)与多天线接收机存储的信号分别进行相关运算，得到相关后的数据r₁(t)，r₂(t)，…r_N(t)；

(5)对相关后的数据重新采样，得到自相关的采样结果r₁(T)，r₂(T)，…r_N(T),构成新的输入信号矩阵Y，其中，T为自相关函数的采样周期；

步骤三、对预处理后的输入信号矩阵进行来波方向估计，得到卫星导航信号和多径信号的方位角和俯仰角；

所述的来波方向估计采用Toeplitz-MUSIC算法，用于分析多径信号和卫星导航信号的来波方向；

步骤四、根据来波方向估计结果，对多天线存储信号进行波束形成，得到该卫星导航信号去除多径后的中频信号；

所述的波束形成采用的是线性约束最小方差准则求得阵列加权的权值；

步骤五、波束形成后的信号送入软件接收机进行跟踪解算；

重复步骤二、三、四、五，直到粗捕获得到的所有卫星都在软件接收机中跟踪，根据多颗卫星跟踪结果定位解算。

2.根据权利要求1所述一种基于矩阵重构算法的阵列抗卫星导航信号多径的方法，其特征在于，

步骤一所述多天线接收机采集存储，包括天线接收阵列、下变频采集模块、数据采集模块和存储模块。

3.根据权利要求1所述一种基于矩阵重构算法的阵列抗卫星导航信号多径的方法，其特征在于：

步骤二所述的采样周期T为卫星导航信号的伪码重复周期。

4.根据权利要求2所述一种基于矩阵重构算法的阵列抗卫星导航信号多径的方法，其特征在于：

天线接收阵列的排布方式，各阵元之间的间距小于射频信号波长的二分之一，并在各阵元之间设计挡板。

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