CN101359044B - 计算并消除gnss强信号对弱信号干扰的方法 - Google Patents
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Abstract
一种计算并消除GNSS***中强信号对弱信号干扰的方法,属于卫星搜索处理技术领域,其特征是通过捕获得到的强信号及其信息,预测能够捕获到的弱信号。由于调制强弱信号的PRN码均为已知量,且强信号对弱信号干扰大小等于强信号的振幅与强弱信号互相关值的乘积,通过考虑因强弱信号互相关时码相位的差异造成互相关的变化和因多普勒造成信号互相关的衰减情况以及考虑因多普勒造成的强弱信号之间频率差与互相关衰减之间的关系,计算出强信号对弱信号的干扰并从弱信号中消除。这种方法不会造成弱信号强度的变化。
Description
技术领域
本发明属于卫星信号的搜索处理技术领域,具体涉及一种计算并消除GNSS***中强信号对弱信号干扰的方法。
背景技术
全球导航卫星定位***(GNSS)接收机在第一次开机时,它只是大概估计自己的位置、振荡器偏移量(出现在所有卫星都发生多普勒频移的情况下)和准确时间。因此,接收机必须对大量可能的C/A码相位和可能的多普勒频移进行一次***的搜索,从而找到卫星信号。如当GPS接收机启动以后,通过使用星历数据和ICD-GPS-200算法,它可以预测所有卫星的C/A码的相位和多普勒频移,这时,为了得到期望的卫星信号,只需要查找一个比较小的C/A码相位和多普勒频移范围。在搜索过程中,由于强弱信号之间的互相关作用,会导致接收机错误的把来自强信号的互相关谱线当作是来自弱信号的。同时在GPS接收机实际使用过程中,经常会出现接收机接收到的信号不足以实现定位导航,原因是由于环境影响,接收机接收到的混合信号中有些卫星信号的信号强度足够强,有些卫星信号被衰减导致信号强度减弱,再加上强信号对弱信号的影响,结果出现接收机不能接收到足够多的、能用于实现定位导航的卫星信号。针对这些问题,尤其是对于弱信号的捕获与跟踪问题,有许多文献都做了详细研究,如用匹配滤波器来实现弱信号的捕获。Madhani人等也提出用逐次干扰消除方法(Successive Interference Cancellation)可以消除强信号的干扰,其主要思想是:强信号很容易被捕获或跟踪,可以利用对强信号的跟踪或捕获结果参数将其从输入信号中去除,再通过捕获得到的较弱的信号,通过跟踪结果得到的较弱信号的参数将较弱信号再去除,以得到更弱的信号。实际上它的主要原理是构造强信号用以抵消输入信号中的强信号成分,从而消除强信号的干扰。这种方法并不能完全消除强信号对弱信号的干扰。
另外,无线通信中的多径干扰主要会造成卫星信号的接收时间误差,而设计高灵敏度接收机的难点之一就是强弱信号之间的相互干扰问题,也就是所谓的远近问题。因为在GNSS***的设计中,所有卫星发射的同一信号的载波频率都是相同的,所以测距信号都在共用这个频率,为了保证不同卫星信号之间的互相干扰最小,就必须仔细选择伪随机噪声码(PRN),各个PRN之间应该正交(即它们之间的互相关为0),但是实际上不同卫星之间的PRN码并不是真正的正交,如GPS***中卫星PRN码的最大互相关值是65,自相关峰值为1023,最大互相关值比自相关值低约20×log(65/1023)=-23.9dB。而在GNSS***中,区分强/弱信号或是区分近/远信号主要依赖于***PRN码集合中不同的码之间的互相关值。因此,如果弱信号低于强信号20dB以上,弱信号的最大自相关就和与强信号的互相关峰值相当,因此无法根据相关峰值判断出弱信号的参数。此时如果要跟踪弱信号,也需要消除强信号对弱信号的影响。
但是实际上由于卫星和接收机之间的相对运动,不仅导致载波频率发生偏移,也导致卫星PRN码的码速率发生改变,结果信号之间的互相关问题就变得很坏。如对于GPS***已经证实,在±9KHz的多普勒频率偏移范围内,最坏情况是,GPS C/A码的互相关量约差21dB。而这种最坏的情况是发生在两颗卫星信号的频率差在1KHz的整数倍时。当频率差为1KHz的整数倍时,多普勒偏移量会增加强/弱信号的互相关程度,而当多普勒频差偏离1KHz的整数倍,两个码的互相关值就会衰减,这个衰减服从sinx/x函数。
发明内容
本发明目的是要解决当GNSS接收机接收到的强信号数量不足以实现准确定位甚至导航时,通过利用接收到的强信号及其信息,来消除强信号对弱信号的干扰,以提高弱信号处理能力。
本发明是采取如下技术方案实现的,包括下列步骤:
1)在接收机的基带部分接收到数字中频信号后,用接收机的一个通道A捕获信号中的一个强信号并跟踪该强信号,当接收机通道A自动跟踪到该强信号后,强信号的相位近似为0弧度,这样几乎所有信号功率都是在同相分配的,通过载波环可以知道强信号载波频率的具体载波偏移,同时,在跟踪到强信号后,通过解调强信号得到导航电文;
2)通过对导航电文的分析,预测最有可能被接收到的弱信号,并在另外一个通道B中复现该弱信号的PRN码、载波和相位,用以与采样混合数字中频信号得到的采样值进行相关运算;
3)根据得到的强弱信号的PRN码及相位信息,用处理器计算强弱信号在单位功率、且没有频率偏移时的互相关值,根据得到强弱信号的PRN码及其相位信息和码产生原理得出两颗卫星的PRN码生成器中在每个状态下各个寄存器的输出值SjGm(k)(对于伽利略***,各颗卫星的PRN码及其各个状态的输出值保存在存储器中,SjGm(k)中j表示卫星编号,取1和2,m表示寄存器编号,取1和2)、两颗卫星PRN码序列之间的码偏移Offs、以及每码片的相位变化量Δθ,利用这些信息计算强弱信号在单位功率、且没有频率偏移时的互相关值,通过对本地复现弱信号的PRN码序列移位,得到M个相关值,其中M是序列的长度,并将每个相关值、相关值所对应的幅度和相位、与该相关值对应的两信号PRN码的编码状态(WeakCodeState和StrongCodeState)、载波相位(WeakCarrierPhase和StrongCarrierPhase)等都以一个互相关表E的形式保存在静态存储器中,考虑到强弱信号的码相位变化,这些数据的更新频率为10Hz,计算强弱信号在单位功率、且没有频率偏移时的互相关值的方法是利用***的码生产原理或者保存在静态存储器中的PRN码来计算其互相关,下面给出GPS***中的L1开放信号互相关值的计算公式,即公式(1),利用此公式计算GPS中两信号所对应PRN码的互相关值,
corr=
∑(S1G1(k)×S1G2(k)×S2G1(mod(k-offs,1023))×S2G2(mod(k-offs,1023))×e-iΔθk) (1)
式中,corr是两PRN码之间的互相关值,
k为序列输出状态索引,取值范围是0~1022,
S1G1(k)是在第k个状态,生成强信号PRN码时G1寄存器的输出值,取值为1或-1,
S1G2(k)是在第k个状态,生成强信号PRN码时G2寄存器的输出值,取值为1或-1,
S2G1(k)是在第k个状态,生成弱信号PRN码时G1寄存器的输出值,取值为1或-1,
S2G2(k)是在第k个状态,生成弱信号PRN码时G2寄存器的输出值,取值为1或-1,
offs是两信号所对应粗码序列之间的时间差,单位是码片(chip),
Δθ是两信号所对应粗码序列之间每个码片相位的变化,单位是弧度;
4)计算互相关的衰减因子:两信号之间载波频率差异会造成信号互相关值的衰减,按照下式计算互相关的衰减因子:
FreAtt=sin(ΔF′×π/100)/(ΔF′×π/100) (2)
式中,
Y=ΔF mod1000
ΔF是强弱信号的载波频率差,单位是Hz,当频率差大于5Hz时重新计算频率衰减因子,将得到的频率差ΔF除以1KHz四舍五入后得出通道A和通道B的多普勒频率差ΔFH,这个衰减衰减因子也以10Hz的频率更新;
5)计算强信号对弱信号的干扰:通过把互相关表E中最后一个强弱信号互相关值对应的编码状态(WeakCodeState和StrongCodeState)和载波相位(WeakCarrierPhase和StrongCarrierPhase)取出来,同时根据强弱信号互相关值所对应的编码状态得到强弱信号输出状态的时间差ΔT和第一个互相关值所对应的编码状态差值TableEntryCodeState,以及通过对强信号采样并计算得到的同相相关值的绝对值Strong_I和步骤3)所述的互相关表E中最后一个相关值所对应的强信号相对于弱信号的多普勒频移量StrongDoppler,利用公式(3)到公式(10)计算强信号对弱信号的干扰值StrongInterfWeak,
CodeOffset=WeakCodeState-StrongCodeState-StrongDoppler×ΔT
-TableEntryCodeState (3)
CodeOffsetFra=CodeOffset-CodeOffsetInt (4)
ΔPhase=WeakCarrierPhase-StrongCarrierPhase-StrongDoppler×ΔT
+ΔFH×StrongCodeState (5)
FirstPhase=FirstCorrelationPhase+ΔPhase (6)
SecondPhase=SecondCorrelationPhase+ΔPhase (7)
FirstMag=FirstCorrelationMag×(1-CodeOffsetFra)×Strong_I×FreAtt (8)
SecondMag=SecondCorrelationMag×CodeOffsetFra×Strong_I×FreAtt (9)
StrongInterfWeak=FirstMag×e-iFirstPhase+SecondMag×e-iSecondPhase (10)
式中:
WeakCodeState是最后一个输出至通道B时的编码状态,
StrongCodeState是最后一个输出至通道A时的编码状态,
StrongDoppler是最后一个输出至通道A的多普勒量,
ΔT是输出至强弱通道之间的时差,
TableEntryCodeState是互相关表E中第一项强弱信号编码状态的差,
CodeOffsetInt是CodeOffset的整数部分,
WeakCarrierPhase是最后一个输出至通道B时的载波相位角,
StrongCarrierPhase是最后一个输出至通道A时的载波相位角,
ΔFH是强通道B的多普勒频差,由ΔF除以1000四舍五入后得到,单位是KHz,
FirstCorrelationPhase是互相关表E中CodeOffsetInt所指相关值的相位,
SecondCorrelationPhase是互相关表E中CodeOffsetInt+1所指相关值的相位,
FirstCorrelationMag是互相关表E中CodeOffsetInt所指相关值的幅值,
SecondCorrelationMag是互相关表E中CodeOffsetInt+1所指相关值的幅值,
Strong_I是强信号同相通道相关值的绝对值,
FreAtt是频率偏移带来的互相关衰减因子,
StrongInterfWeak是强信号对弱信号的干扰值;
6)消除强信号对弱信号的干扰:在通道B中,利用复现弱信号的PRN码、载波和相位信息,与接收到的混合数字中频信号(包含强信号和弱信号)的采样值进行相关运算,得到相关值Weak_IQ,接着利用处理器执行下面的式子(11)以消除强信号对弱信号的干扰,
CorrectedWeak_IQ=Weak_IQ-StrongInterfWeak (11)
式中:
Weak_IQ是通道B的相关值,
StrongInterfWeak是强信号对弱信号的干扰值,
CorrectedWeak_IQ是校正后的通道B的相关值;
7)消除其它强弱信号之间的干扰:通过捕获和跟踪到的强信号可以预测是否还存在其它的弱信号,如果存在,继续执行2)至6),以消除强信号对其它弱信号的干扰,同样也可以执行1)至6)继续捕获其它强信号并消除其它强信号对弱信号的干扰,直至消除其它强信号对弱信号的干扰以达到能利用弱信号实现定位甚至导航的目的。
本发明的优点及积极效果有:①由于考虑了强信号对弱信号的干扰,能够进一步增强***处理弱信号的能力,为成功捕获弱信号提供了一种方法;②通过使用本方法消除干扰,可以在不影响衰减弱信号的情况下,使其互相关至少衰减10dB;③随着GNSS信号的进一步增多,强信号对所要捕获弱信号的干扰进一步增多,通过对该发明进行少量修改就可以消除多个强弱信号之间干扰。
附图说明
图1是本申请方法的流程图。
具体实施方式
设接收机接收到的混合信号包括一个由码Code1调制的强信号S1和一个由码Code2调制的弱信号w2混合组成,混合信号是两个信号的线性叠加,即(S1×Code1+w2×Code2),接收机利用本地的调制弱信号的复现码Code2R与混合信号进行相关,得到∑(Code2R×(S1×Code1+w2×Code2)),其中求和符号∑包括用于调制弱信号w2的所有PRN码码片,而一个码与自身的自相关值为1,即Code2R×Code2是调制弱信号w2的码Code2与本地复现的调制的弱信号w2的复现码Code2R之间的自相关,其结果为1,因此上面的式子可以改写为∑(S1×Code2×Code1+w2),可以看到,为了得到弱信号w2,只要正确的消除S1×Code2×Code1即可。
当接收机中的混合数字中频信号(包括强信号S1和弱信号w2)经过通道,并经处理器处理,达到捕获并跟踪强信号,存储器用于保存处理器处理过程中的数据、所有卫星信号的PRN码信息及常用的一些数据,其中通道可以用MITEL公司的GP2021(该产品只针对美国的全球定位***,随着兼容多***产品的出现,可以用相应的产品替代,以实现对多***卫星信号的处理),处理器可以用ARM7或者ARM9,用来完成控制功能和一部分计算功能,存储器可以用CYPRESS公司的CY7C系列存储器(如用CY7C007,具体型号根据需要保存数据的多少来确定)来实现。
如图1所示流程图,在流程①中接收机通道接收到混合数字中频信号,包括强信号S1和弱信号w2;
步骤1:在流程②中利用相干积分捕获方法,在通道A捕获并跟踪混合数字中频信号中的强信号S1,当跟踪到强信号S1后,通道A就可以提供强信号S1的信号强度、载波信息(包括多普勒频移)、扩频码的相位信息(包括由于导航电文的调制引起的相位变化和由于多普勒引起的码速率及变化)以及导航电文;
步骤2:利用流程②提供的强信号S1、导航电文及卫星星历,确定当前卫星在空中的分布情况,根据流程②提供的强信号S1的载波信息、该卫星的运动速度和加速度,确定接收机在没有受到阻挡的情况下可以使用的卫星信号以及接收机接收到的信号,根据卫星的分布及接收到强信号S1的强度、频偏,流程③混合信号中存在的弱信号w2并预测其扩频码相位以及它的接收频率,同时在通道B复现弱信号w2的扩频码及相位;
步骤3:利用流程②得到的强信号S1的扩频码、扩频码频率偏移及相位变化信息和流程③复现弱信号w2的扩频码及相位,处理器根据得到的两个码及其相位信息和码生产原理得出两颗卫星码生成器中在每个状态下各个寄存器的输出值SjGm(k)、两颗卫星码序列之间的码偏移Offs以及每码片的相位变化量Δθ,SjGm(k)中j取1和2,m取1和2,有了这些信息,流程④利用码互相关计算公式(1)计算强弱信号在没有频率偏移且为功率为1时的互相关值,每计算一次,本地复现的弱信号w2的码移动一次,直到移动1022次,把每次互相关的结果都保存在存储器中,同时把相关值所对应的幅度和相位、与该相关值对应的两信号PRN码的编码状态WeakCodeState和StrongCodeState及载波相位都以一个互相关表E的形式保存在静态存储器中,这些数据每隔0.1秒更新一次;
步骤4:根据流程②得到的强信号的多普勒频移和流程③中得出的弱信号的多普勒频移得到强弱信号之间的频率差ΔF,流程⑤利用公式(2)计算出因两个信号之间多普勒频移差导致的综合衰减因子FreAtt,这个衰减因子以10Hz的频率不断更新,将得到的频率差ΔF除以1KHz四舍五入后得出通道A和通道B的多普勒频率差ΔFH;
步骤5:计算强信号对弱信号的干扰:流程⑥通过互相关表E,把表中最后一个强弱信号相关值对应的编码状态WeakCodeState和StrongCodeState、载波相位WeakCarrierPhase和StrongCarrierPhase取出,根据强弱信号的输出状态计算出两者之间的时间差ΔT(单位是码片)、强信号相对于弱信号的多普勒频移量StrongDoppler以及第一个互相关值所对应的编码状态差值TableEntryCodeState,在通道A采样并经过处理器处理得到强信号同相相关值的绝对值Strong I(强信号幅度),同时在通道B采样并处理得到复现弱信号与混合信号之间的相关值Weak IQ,利用公式(3)到公式(10)计算得到强信号对弱信号的干扰值StrongInterfWeak,实际上就是S1×Code2×Code1;
步骤6:流程⑦中处理器利用公式(11)把计算得到的强信号S1对弱信号w2的干扰值StrongInterfWeak从混合信号(实际上就是弱信号与输入信号的相关值Weak_IQ)中消除,得到校正后弱信号的相关值CorrectedWeakIQ,这样就可以捕获并跟踪该弱信号;
步骤7:接着流程⑧中判断混合信号中是否还存在其它强信号,如果还有,继续执行流程②以及流程④至流程⑦,以消除其它强信号对该弱信号的干扰,同样也可以执行流程①至流程⑦,来捕获其它强信号,并消除其它强信号对其它弱信号的干扰,直到得到所需要的弱信号。
Claims (1)
1.一种计算并消除GNSS***中强信号对弱信号干扰的方法,其特征是按下述步骤进行:
1)在接收机的基带部分接收到数字中频信号后,用接收机的一个通道A捕获信号中的一个强信号并跟踪该强信号,当接收机通道A自动跟踪到该强信号后,强信号的相位近似为0弧度,这样几乎所有信号功率都是在同相分配的,通过载波环可以知道强信号载波频率的具体载波偏移,同时,在跟踪到强信号后,通过解调强信号得到导航电文;
2)通过对导航电文的分析,可预测最有可能被接收到的弱信号,并在另外一个通道B中复现该弱信号的PRN码、载波和相位,用以与采样混合数字中频信号得到的采样值进行相关运算;
3)根据得到的强弱信号的PRN码及相位信息,用处理器计算强弱信号在单位功率、且没有频率偏移时的互相关值,根据得到强弱信号的PRN码及其相位信息和码产生原理得出两颗卫星的PRN码生成器中在每个状态下各个寄存器的输出值SiGm(k)、两颗卫星PRN码序列之间的码偏移Offs、以及每码片的相位变化量Δθ,SjGm(k)中j表示卫星编号,取1和2,m表示寄存器编号,取1和2,利用这些信息计算强弱信号在单位功率、且没有频率偏移时的互相关值,通过对本地复现弱信号的PRN码序列移位,得到M为个相关值,其中M是序列的长度,并将每个相关值、相关值所对应的幅度和相位、与该相关值对应的两信号PRN码的编码状态WeakCodeState和StrongCodeState以及载波相位WeakCarrierPhase和StrongCarrierPhase都以一个互相关表E的形式保存在静态存储器中,考虑到强弱信号的码相位变化,这些数据的更新频率为10Hz,计算强弱信号在单位功率、且没有频率偏移时的互相关值的方法是利用***的码生产原理或者保存在静态存储器中的PRN码来计算其互相关,下面利用GPS***中的L1开放信号互相关值的计算公式计算GPS中两信号所对应PRN码的互相关值,
corr=
∑(S1G1(k)×S1G2(k)×S2G1(mod(k-offs,1023))×S2G2(mod(k-offs,1023))×e-iΔθk)(1)
式中,corr是两PRN码之间的互相关值,
k为序列输出状态索引,取值范围是0~1022,
S1G1(k)是在第k个状态,生成强信号PRN码时G1寄存器的输出值,
取值为1或-1,
S1G2(k)是在第k个状态,生成强信号PRN码时G2寄存器的输出值,
取值为1或-1,
S2G1(k)是在第k个状态,生成弱信号PRN码时G1寄存器的输出值,
取值为1或-1,
S2G2(k)是在第k个状态,生成弱信号PRN码时G2寄存器的输出值,
取值为1或-1,
offs是两信号所对应粗码序列之间的时间差,单位是码片(chip),
Δθ是两信号所对应粗码序列之间每个码片相位的变化,单位是弧度;
4)计算互相关的衰减因子:两信号之间载波频率差异会造成信号互相关值的衰减,按照下式计算互相关的衰减因子:
FreAtt=sin(ΔF′×π/100)/(ΔF′×π/100) (2)
式中,
Y=ΔFmod 1000
ΔF是强弱信号的载波频率差,单位是Hz,当频率差大于5Hz时重新计算频率衰减因子,将得到的频率差ΔF除以1KHz四舍五入后得出通道A和通道B的多普勒频率差ΔFH,这个衰减衰减因子以10Hz的频率更新;
5)计算强信号对弱信号的干扰:通过把互相关表E中最后一个强弱信号互相关值对应的编码状态WeakCodeState和StrongCodeState及载波相位WeakCarrierPhase和StrongCarrierPhase取出来,同时根据强弱信号互相关值所对应的编码状态得到强弱信号输出状态的时间差ΔT和第一个互相关值所对应的编码状态差值TableEntryCodeState,以及通过对强信号采样并计算得到的同相相关值的绝对值Strong_I和步骤3)所述的互相关表E中最后一个相关值所对应的强信号相对于弱信号的多普勒频移量StrongDoppler,利用公式(3)到公式(10)计算强信号对弱信号的干扰值StrongInterfWeak,
CodeOffset=WeakCodeState-StrongCodeState-StrongDoppler×ΔT-TableEntryCodeState (3)
CodeOffsetFra=CodeOffset-CodeOffsetInt (4)
ΔPhase=WeakCarrierPhase-StrongCarrierPhase-StrongDoppler×ΔT+ΔFH×StrongCodeState (5)
FirstPhase=FirstCorrelationPhase+ΔPhase (6)
SecondPhase=SecondCorrelationPhase+ΔPhase (7)
FirstMag=FirstCorrelationMag×(1-CodeOffsetFra)×Strong_I×FreAtt (8)
SecondMag=SecondCorrelationMag×CodeOffsetFra×Strong_I×FreAtt (9)
StrongInterfWeak=FirstMag×e-iFirstPhase+SecondMag×e-iSecondPhase (10)
式中:
WeakCodeState是最后一个输出至通道B时的编码状态,
StrongCodeState是最后一个输出至通道A时的编码状态,
StrongDoppler是最后一个输出至通道A的多普勒量,
ΔT是输出至强弱通道之间的时差,
TableEntryCodeState是互相关表E中第一项强弱信号编码状态的差,
CodeOffsetInt是CodeOffset的整数部分,
WeakCarrierPhase是最后一个输出至通道B时的载波相位角,
StrongCarrierPhase是最后一个输出至通道A时的载波相位角,
ΔFH是强通道B的多普勒频差,由ΔF除以1000四舍五入后得到,单位是KHz,
FirstCorrelationPhase是互相关表E中CodeOffsetInt所指相关值的相位,
SecondCorrelationPhase是互相关表E中CodeOffsetInt+1所指相关值的相位,
FirstCorrelationMag是互相关表E中CodeOffsetInt所指相关值的幅值,
SecondCorrelationMag是互相关表E中CodeOffsetInt+1所指相关值的幅值,
Strong_I是强信号同相通道相关值的绝对值,
FreAtt是频率偏移带来的互相关衰减因子,
StrongInterfWeak是强信号对弱信号的干扰值;
6)消除强信号对弱信号的干扰:在通道B中,利用复现弱信号的PRN码、载波和相位信息,与接收到的包含强信号和弱信号混合数字中频信号的采样值进行相关运算,得到相关值Weak_IQ,接着利用处理器执行下面的公式(11)以消除强信号对弱信号的干扰,
CorrectedWeak_IQ=Weak_IQ-StrongInterfWeak (11)
式中:
Weak_IQ是通道B的相关值,
StrongInterfWeak是强信号对弱信号的干扰值,
CorrectedWeak_IQ是校正后的通道B的相关值;
7)消除其它强弱信号之间的干扰:通过捕获和跟踪到的强信号可以预测是否还存在其它的弱信号,如果存在,继续执行2)至6),以消除强信号对其它弱信号的干扰,同样也可以执行1)至6)继续捕获其它强信号并消除其它强信号对弱信号的干扰,直至消除其它强信号对弱信号的干扰以达到能利用弱信号实现定位甚至导航的目的。
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- 2008-09-19 CN CN2008100794246A patent/CN101359044B/zh not_active Expired - Fee Related
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