CN104502924A - 一种gps信号处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GPS信号处理方法和装置，其中，该方法包括：接收GPS信号，所述GPS信号包括多个多径信号；获取所述多个多径信号中包含时延二维自由度的时域信息及包含传播方向的空域信息；根据所述时延二维自由度和所述传播方向，采用超分辨技术计算所述多个多径信号的第一信号参数；对所述多径信号进行滤波，根据所述第一信号参数，将滤波后的多个多径信号进行分离。本发明的GPS信号处理方法，通过开展有效的多径信号分离技术，研究利用多通道空间信息实现多径信号的区分和提取。多径信号可以用来增强信噪比，因此，通过开展有效的多径信号组合和相干叠加方法研究，实现了多径条件下的导航信号分离与增强。

Description

一种GPS信号处理方法和装置

技术领域

本发明涉及GPS通信技术领域，具体地，涉及一种GPS信号处理方法和装置。

背景技术

传统全球卫星定位***接收机采用单天线设计，其天线方向图具有上半球形覆盖特性，但又由于经地面多次反射的多路径信号和其它地面干扰信号一般仰角低，为了消除这些无用的干扰信号要求极低仰角增益很低。

通常情况下，全球卫星定位***信号和干扰的来波方向不同，利用自适应天线阵列形成空间波束从而增强信号而抑制干扰。自适应天线阵列技术通过自适应调整阵列加权系数，自适应天线阵列利用空域特征区分信号和干扰，能够在信号方位形成波束，而在干扰处形成零陷。

在自适应天线阵列全球卫星定位导航抗干扰的工程应用方面，英国雷声***公司生产了GAS-1型航空用模拟型GPS接收机零陷抗干扰接收天线。2002年雷声***公司提出了“精确制导***”方案并获得了美国海军空海战争***中心的支持，PGS的第一步就是把GAS-1改进成为数字化接收机，形成全数字化***。而Navsys公司研制的新一代高增益导航接收机，将来自高达16个天线的阵列信号结合在一起，具有很强的空域抗干扰能力。美空军实验室开发的自适应调零反干扰型全球定位和惯导制导***。

发明内容

为了解决现有技术中存在的全球卫星定位***通信信号功率导致的通信效率差的问题，本发明提出了一种GPS信号处理方法和装置。

该方法包括：

接收GPS信号，所述GPS信号包括多个多径信号；

获取所述多个多径信号中包含时延二维自由度的时域信息及包含传播方向的空域信息；

根据所述时延二维自由度和所述传播方向，采用超分辨技术计算所述多个多径信号的第一信号参数；

对所述多径信号进行滤波，根据所述第一信号参数，将滤波后的多个多径信号进行分离。

本发明的GPS信号处理方法，通过开展有效的多径信号分离技术，研究利用多通道空间信息实现多径信号的区分和提取。多径信号可以用来增强信噪比，因此，通过开展有效的多径信号组合和相干叠加方法研究，实现了多径条件下的导航信号分离与增强。通过低信噪比条件下的多径信号分离与增强方法研究，实现了复杂电磁环境下的导航信号稳健接收，提高全球卫星定位***性能。

该装置，包括：

信号接收模块，用于接收GPS信号，所述GPS信号包括多个多径信号；

信息获取模块，用于获取所述多个多径信号中包含时延二维自由度的时域信息及包含传播方向的空域信息；

第一计算模块，用于根据所述时延二维自由度和所述传播方向，采用超分辨技术计算所述多个多径信号的第一信号参数；

信号分离模块，用于对所述多径信号进行滤波，根据所述第一信号参数，将滤波后的多个多径信号进行分离。

本发明的GPS信号处理装置，通过开展有效的多径信号分离技术，研究利用多通道空间信息实现多径信号的区分和提取。多径信号可以用来增强信噪比，因此，通过开展有效的多径信号组合和相干叠加方法研究，实现了多径条件下的导航信号分离与增强。通过低信噪比条件下的多径信号分离与增强方法研究，实现了复杂电磁环境下的导航信号稳健接收，提高全球卫星定位***性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

为了解决现有技术中存在的全球卫星定位***通信信号功率导致的通信效率差的问题，本发明提出了一种GPS信号处理方法和装置。

如图1所示，该方法包括：

步骤S101：接收GPS信号，所述GPS信号包括多个多径信号；

步骤S102：获取所述多个多径信号中包含时延二维自由度的时域信息及包含传播方向的空域信息；

步骤S103：根据所述时延二维自由度和所述传播方向，采用超分辨技术计算所述多个多径信号的第一信号参数；

步骤S104：对所述多径信号进行滤波，根据所述第一信号参数，将滤波后的多个多径信号进行分离。

步骤S105：对所述多个多径信号进行配准和时延补偿；

步骤S106：将配准和时延补偿之后的多个多径信号进行相关叠加。

步骤S107：将所述多径信号变换到频域进行积累，采用稀疏重构技术计算所述多径信号的第二信号参数；

步骤S108：根据所述第二信号参数构造参考信号，在跟踪环路中使用所述参考信号与接收到的GPS信号进行相关。

步骤S109：获取所述GPS信号的时延参数和方向参数；

步骤S110：根据所述时延参数和所述方向参数，利用迭代回波束生成输出信号功率。

本发明的GPS信号处理方法，通过开展有效的多径信号分离技术，研究利用多通道空间信息实现多径信号的区分和提取。多径信号可以用来增强信噪比，因此，通过开展有效的多径信号组合和相干叠加方法研究，实现了多径条件下的导航信号分离与增强。通过低信噪比条件下的多径信号分离与增强方法研究，实现了复杂电磁环境下的导航信号稳健接收，提高全球卫星定位***性能。

如图2所示，本发明的GPS信号处理装置包括：

信号接收模块10，用于接收GPS信号，所述GPS信号包括多个多径信号；

信息获取模块20，用于获取所述多个多径信号中包含时延二维自由度的时域信息及包含传播方向的空域信息；

第一计算模块30，用于根据所述时延二维自由度和所述传播方向，采用超分辨技术计算所述多个多径信号的第一信号参数；

信号分离模块40，用于对所述多径信号进行滤波，根据所述第一信号参数，将滤波后的多个多径信号进行分离。

配准补偿模块50，用于对所述多个多径信号进行配准和时延补偿；

相关叠加模块60，用于将配准和时延补偿之后的多个多径信号进行相关叠加。

第二计算模块70，用于将所述多径信号变换到频域进行积累，采用稀疏重构技术计算所述多径信号的第二信号参数；

信号构造模块80，用于根据所述第二信号参数构造参考信号，在跟踪环路中使用所述参考信号与接收到的GPS信号进行相关。

参数获取模块90，用于获取所述GPS信号的时延参数和方向参数；

功率计算模块100，用于根据所述时延参数和所述方向参数，利用迭代回波束计算输出信号功率。

本发明的GPS信号处理装置，通过开展有效的多径信号分离技术，研究利用多通道空间信息实现多径信号的区分和提取。多径信号可以用来增强信噪比，因此，通过开展有效的多径信号组合和相干叠加方法研究，实现了多径条件下的导航信号分离与增强。通过低信噪比条件下的多径信号分离与增强方法研究，实现了复杂电磁环境下的导航信号稳健接收，提高全球卫星定位***性能。

以下对本发明的技术方案作详细说明：

全球卫星定位***抗干扰中常用的自适应算法包括：功率倒置法、最优波束形成和基于全球卫星定位***抗干扰信号特征的波束形成方法。功率倒置方法不需要信号的先验信息，能够在强干扰方向形成深零陷，但是该算法仅限于对强干扰进行抑制，对弱干扰的抑制性能不佳，而且对信号没有任何约束。

最优波束形成通过使用不同的加权准则能够得到不同的滤波特性。基于最大信干噪比准则的最优波束形成器，通过对信号方向形成较高增益的同时还可将零陷指向大功率干扰；最小均方误差准则需要已知信号波形信息作为参考信号，其目标是使阵列输出与参考信号的误差均方值最小；线性约束最小方差准则的优化目标是预设线性约束条件下使天线阵输出功率最小，其方向图与具体的约束条件有关。在全球卫星定位***接收机实际应用中，信号的先验信息不能精确获得，将造成最优波束形成性能下降。提出了基于恒模阵列的GPS干扰抑制方法，但是其权矢量难以收敛至全局最优解，***结构比较复杂。

空时二维联合自适应处理结构通过联合空间自由度和时间自由度可以实现二维自适应信号处理，能够克服主瓣干扰信号对导航信号接收的影响，其信号处理方法最初被应用于机载雷达地面运动目标检测。在全球卫星定位***中，在阵列各个阵元后增加FIR滤波器，采用空时自适应处理结构，引入时域滤波能力并形成空域时域二维滤波结构，能够更好的处理宽带等复杂形式的干扰。

将STAP用于GPS宽带干扰抑制，得到了良好的干扰抑制效果。空时自适应二维处理需要对高维矩阵求逆，计算复杂度很高。使用多级维纳滤波以降低空时二维处理的计算复杂度，成为空时降维处理的研究热点。多级维纳滤波通过变换矩阵将矢量权的求解分解为若干个标量权的求解，此方法无需高维协方差矩阵参与运算，通过直接处理数据，使用滤波器得到标量权，因而能够明显降低运算复杂度，为空时自适应处理的工程化应用提供了可能。

空时自适应处理对信号波形的影响的主要因素包括：天线、射频通道和自适应算法。空时自适应处理对信号的影响主要表现为码延迟误差和载波相位误差，其误差可采用离线方式预先估计STAP引入的误差并进行实时补偿。信号后处理方法校正STAP产生的影响，使用滤波器组校正，通过估计空时滤波器的逆滤波器以校正波形失真，利用同态滤波器对输出信号进行均衡以校正失真。

1、多径干扰抑制方面

全球卫星定位***接收机在无干扰的情况下，误差源包括：卫星时钟偏差，历数误差，电离层延迟和信号多径。随着全球卫星定位***的不断发展，除信号多径以外全球卫星定位***误差源的影响在逐步减轻，而信号多径日益成为了首要的误差源。

多径效应是指信号通过两个或两个以上路径到达接收机天线的现象。全球卫星定位***信号在传播时会受到传播路径上障碍物的影响而产生多径。对卫星信号来说，由于多径信号的传播路径大于直达信号，所以多径信号晚于直达信号到达接收机，是直达信号的延迟信号，其功率比直达信号要弱。

传统的接收机使用码锁定环和相位锁定环分别对GNSS信号的码相位和载波相位进行跟踪。通过调整码发生器的时间延迟，DLL使超前和滞后两路相关值相等，实现即时信号与接收信号的码相位同步。多径信号使GNSS信号的相关值产生畸变，当超前和滞后两路相关值相等时，即时支路与接收的直达信号的码相位并不相等，导致DLL环路产生码跟踪误差。而且在多径信号存在的情况下，全球卫星定位***接收信号与直达信号的载波相位不同，导致PLL环路中存在载波跟踪误差。

对于固定的接收机如卫星导航***的地面监控站，良好的选址是减轻多径影响的重要方法之一。通过使用阵列天线利用空域自由度可以抑制多径信号。通过改进接收机内部相关器、跟踪环结构等方法，如使用窄相关器能够很好的抑制多径信号，窄相关器通过减小接收机码跟踪环路中早迟相关器的时宽，极大地减小了能产生影响的多径信号的时间延迟范围，但是窄相关器只能处理中长延迟的多径信号，对短延迟多径无能为力。

改进传统鉴相函数，能够处理短延迟多径信号，但是却失去了对长延迟多径信号的抑制能力。对两组窄相关器结果差分得到新的鉴相函数，能够提高短延迟多径抑制性能，但是其稳健性一般。为了灵活应对复杂的多径环境，具备抗多径能力的接收机是研究热点之一。有人提出了多径参数估计延迟锁定环，在码跟踪环中估计接收信号中多径信号的参数并消除多径，得到了很好的多径抑制性能。使用信号处理技术能够极大的改善多径估计精度，如基于贝叶斯准则的粒子滤波方法估计多径参数，基于遗传算法估计多径信号参数，基于最大似然方法估计。

本发明针对全球定位导航***面临的低信噪比、信号多径、复杂电磁干扰等问题，开展多通道导航信号接收机***结构设计、复杂电磁环境下的导航信号接收与自适应干扰抑制方法研究以及低信噪比条件下的多径信号分离与增强方法研究。实现复杂电磁环境下的导航信号稳健接收，提高全球卫星定位***性能。

2、多通道导航信号接收机***结构设计

针对单通道导航信号接收机通常容易受到干扰信号的影响，需要研究多通道导航信号接收机，开展多通道接收***结构研究。同时注意到，多通道技术虽然具有良好的干扰抑制能力，但是传统接收机通常基于最大信号比准则设计，对于导航信号接收机需要研究线性无失真接收机，因此需要开展多通道接收信号处理结构研究。

针对单通道导航信号接收机通常容易受到干扰信号的影响，拟开展多通道导航信号接收机***结构研究。多通道信号接收机可以利用空域自由度，自适应的调整加权值，实现电磁干扰的有效抑制。针对多通道接收机通常存在的幅相相应失真问题，拟开展多通道信号接收处理方法研究，借鉴最小无失真波束形成器，增加信号波形估计误差约束，设计基于波形估计误差的自适应多通道接收机。

针对多通道接收机，拟分析利用空域信息、时域信息、频率域信息以及联合域信息提高信号接收与干扰抑制的能力。通过分析了自适应多维接收处理对导航信号跟踪环路中码跟踪环和载波跟踪环的影响，分析多维信号接收处理器结构的特性，建立多通道导航信号接收***方法。

针对空时自适应处理由于缺少对导航信号波形的约束，在抑制干扰的时导致信号产生了畸变而造成定位精度下降的问题，拟分析信号畸变的产生机理，分析空时自适应处理结构中延迟节结构和权矢量对相关函数的影响，并考虑增肌信号波形响应约束，利用线性相位特性的滤波器响应的原理，提出了解决信号畸变的方法。分析空时自适应处理结构的等效复FIR滤波器特性，通过约束等效滤波器的空时二维域响应使之满足二维线性相位条件，得到了具有线性相位特性空时自适应算法的优化模型。通过转化约束条件求出了优化模型的闭式解。

3、复杂电磁环境下的导航信号接收与自适应干扰抑制方法

复杂电磁环境下的导航信号参数对信号接受具有关键作用，需要开展导航信号参数估计方法研究。需要开展空时频域的导航信号相干积累方法研究，提高信号信噪比。此外，由于电磁环境具有时变性，需要开展基于多参数的信号接受方法研究。全球卫星定位***导航信号功率较低，在低信噪比条件下的信号参数估计精度低，造成信号导向矢量约束不准确，使得传统自适应阵列接收机性能急剧下降，需要开展不依赖信号导向矢量的盲波束形成方法研究。

针对复杂的电磁干扰环境，需要开展自适应干扰抑制方法研究。开展空域、时域以及空时二维联合域自适应干扰抑制方法研究。同时针对多通道接收机通道不一致性、以及接收幅相响应误差等非理想因素，研究稳健的自适应波束形成技术，实现线性无失真信号接收设计。

多通道接收中利用约束导向矢量的方法可以大大改善信号接收性能，而导航信号参数估计是导向矢量约束的关键，拟利用导航信号的时域特性进行时延参数估计，利用多通道空域信息估计信号的方向参数，然后迭代回波束形成输出信号功率，通过迭代技术提高信号参数估计精度。针对导航信号多通道干扰抑制和信号接收中精确导向矢量难以获得的问题，拟利用全球卫星定位***信号的自相关性质，研究无需精确已知信号导向矢量的信号接收与干扰抑制方法，实现盲波束形成。通过采用导航信号多个周期的相关峰值估计信号协方差矩阵，使用相关前、后的协方差矩阵在最优波形输出的准则下得到最优权。

针对多通道存在的幅相响应不一致，通道位置误差，信号传播失真等非理想因素，拟研究稳健的空域、空时二维域信号接收机。将上述非理想因素表达为不确定集合形式，研究有效的不确定集约束方法，并将波束形成方法表达为二阶锥规划问题，利用凸优化实现稳健空域、空时域接收机设计。另外，需要考虑波形约束，通过增加波形约束，保证所设计的接收机具有稳健性和线性无失真响应特性。

4、低信噪比条件下的多径信号分离与增强方法研究

导航信号通常存在多径问题，对导航信号接收***性能影响严重，直接造成相关峰估计不准确，***定位误差增大。需要开展有效的多径信号分离技术，研究利用多通道空间信息实现多径信号的区分和提取。此外多径信号可以用来增强信噪比，因此，需要开展有效的多径信号组合和相干叠加方法研究，实现多径条件下的导航信号分离与增强。

本发明的技术方案能够解决以下问题：

基于空间平台的时敏微弱目标探测关键技术：

1)多通道导航信号接收机信号处理结构***设计

2)复杂电磁环境下的导航信号参数估计与信号接收方法

3)复杂电磁环境下稳健的自适应干扰抑制方法

4)多通道多径导航信号分离与增强方法

本发明的总体思路：

本发明针对全球卫星定位***导航信号接收所面临的问题，以研究多通道导航信号接收机为基础，通过建立导航信号接收机及信号处理结构，研究复杂环境下的导航信号接收与干扰抑制方法，开展空时频多维信号接收方法研究，利用空间、时间自由度，实现稳健的空时自适应干扰抑制。同时通过对多径信号的分析，利用空间自由度对多径信号进行分离与提取，并研究多径信号的相干叠加方法，提高多径情况下的导航信号信噪比，提高定位精度。

针对全球卫星定位***导航信号功率低，信号相关峰因存在多径现象而难以提取的问题，拟开展多径信号得分离与提取方法研究。通过利用多径信号的空域信息，通过多径传播方向和多径时延二维自由度来区分多径信号，利用最优化信号处理方法，在空域-时域二维联合域采用超分辨信号参数估计和滤波方法，实现多径信号的分离和提取。

此外，针对多径信号情况下的低信噪比问题，拟通过利用多径信号提高接收信噪比，通过对多径信号的配准和时延补偿等方法，将多径信号进行相干叠加，提高信噪比。另外，可以考虑将信号变换到频域进行积累，然后构造频率冗余字典使用稀疏重构方法估计多径信号参数。基于估计的多径参数，构造参考信号。然后通过在跟踪环路中使用所提参考信号与接收信号相关。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图2为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种GPS信号处理方法，其特征在于，包括：

接收GPS信号，所述GPS信号包括多个多径信号；

获取所述多个多径信号中包含时延二维自由度的时域信息及包含传播方向的空域信息；

根据所述时延二维自由度和所述传播方向，采用超分辨技术计算所述多个多径信号的第一信号参数；

对所述多径信号进行滤波，根据所述第一信号参数，将滤波后的多个多径信号进行分离。

2.根据权利要求1所述的GPS信号处理方法，其特征在于，还包括：

对所述多个多径信号进行配准和时延补偿；

将配准和时延补偿之后的多个多径信号进行相关叠加。

3.根据权利要求1所述的GPS信号处理方法，其特征在于，还包括：

将所述多径信号变换到频域进行积累，采用稀疏重构技术计算所述多径信号的第二信号参数；

根据所述第二信号参数构造参考信号，在跟踪环路中使用所述参考信号与接收到的GPS信号进行相关。

4.根据权利要求1所述的GPS信号处理方法，其特征在于，还包括：

获取所述GPS信号的时延参数和方向参数；

根据所述时延参数和所述方向参数，利用迭代回波束生成输出信号功率。

5.一种GPS信号处理装置，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于接收GPS信号，所述GPS信号包括多个多径信号；

信息获取模块，用于获取所述多个多径信号中包含时延二维自由度的时域信息及包含传播方向的空域信息；

第一计算模块，用于根据所述时延二维自由度和所述传播方向，采用超分辨技术计算所述多个多径信号的第一信号参数；

信号分离模块，用于对所述多径信号进行滤波，根据所述第一信号参数，将滤波后的多个多径信号进行分离。

6.根据权利要求5所述的GPS信号处理装置，其特征在于，还包括：

配准补偿模块，用于对所述多个多径信号进行配准和时延补偿；

相关叠加模块，用于将配准和时延补偿之后的多个多径信号进行相关叠加。

7.根据权利要求5所述的GPS信号处理装置，其特征在于，还包括：

第二计算模块，用于将所述多径信号变换到频域进行积累，采用稀疏重构技术计算所述多径信号的第二信号参数；

信号构造模块，用于根据所述第二信号参数构造参考信号，在跟踪环路中使用所述参考信号与接收到的GPS信号进行相关。

8.根据权利要求5所述的GPS信号处理装置，其特征在于，还包括：

参数获取模块，用于获取所述GPS信号的时延参数和方向参数；

功率计算模块，用于根据所述时延参数和所述方向参数，利用迭代回波束计算输出信号功率。