一种卫星导航信号跟踪中的多径抑制方法与流程

1.本发明属于卫星导航技术领域，尤其涉及一种卫星导航信号跟踪中的多径抑制方法。


背景技术：

2.随着科技的发展与时代的进步，卫星导航系统已经逐渐渗透到人们生活的方方面面。随着全球几大卫星导航系统的不断成熟，人们对复杂场景的卫星导航、定位精度要求越来越高。目前影响城市街道导航精度和体验的主要因素就是多径信号。多径信号对精确导航、定位是有害的，由于多径信号和直达波信号是相干的，在时域很难将其剔除。扩频信号本身对多径有一定的抑制能力，当多径分量相对于直达信号的延迟超过1.5个码元时，其自相关系数为0，不会对接收机的相关处理产生影响。但对于延迟小于1.5个码元，特别是小于0.5个码元的中短延迟多径，多径信号会使接收到的合成信号与本地产生的参考信号之间的相关函数产生畸变。对于传统接收机所采用的延迟锁定环(delay locked loop,dll)码环跟踪，相关函数畸变会导致当超前和滞后两路相关值相等时，即时支路与接收信号的码相位并不相等，由此导致dll环路产生码跟踪误差。同样的情况也使得在多径信号存在的情况下，锁相环(phase locked loop,pll)环路出现载波跟踪误差，在载波相位测量值上引入误差，降低导航电文信号质量，进而造成定位误差，多径严重时可能导致几米甚至几十米的定位误差。
3.目前，多径抑制方法主要有环路抑制技术(比如窄相关器)、接收数据后处理技术(主要时基于参数估计的方法)和空域抑制技术。其中窄相关器方法能在一定程度上缓解多径效应，但效果并不理想；基于参数估计的接收数据后处理技术通常复杂度高，不适用于复杂电磁环境，并且在实时跟踪定位中难以应用。空域抑制技术采用特殊设计的多径抑制天线，这类天线主要是对低仰角多径信号有效，对于大楼林立的市区环境效果没有保证。
4.如何提供一种易于实现、适应性强、效果好的多径抑制方法以提高定位的精度是当前亟待解决的一个问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种卫星导航信号跟踪中的多径抑制方法用于解决现有技术的不足。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明实施例提供了一种卫星导航信号跟踪中的多径抑制方法，该方法包括：
8.在所有可能的卫星来波方向均匀地形成若干数字波束实现全空域覆盖；
9.对不同数字波束分别进行导航信号的捕获并标记所有可能的直达波信号；
10.对不同数字波束中捕获的卫星信号进行跟踪，如果捕获中标记为直达波信号的数字波束跟踪得到的相关iq积分值最大，则判定为直达波信号，并保留对应的跟踪通道，将该颗卫星的其它数字波束判定为多径信号，并释放对应的跟踪通道。
11.进一步地，形成若干数字波束采用功率倒置算法。
12.进一步地，功率倒置算法的自适应权值可由下式得到：
[0013][0014]
其中，w表示阵列加权矢量，r表示阵列接收数据地协方差矩阵，s表示期望信号(卫星方向)的导向矢量。
[0015]
s＝[1,e
jω
,l,e
j(n-1)ω
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0016]
其中，n表示阵元数目，j表示虚数单位，(d为阵元间距，λ为卫星导航信号的波长，ψ为期望卫星信号的空域锥角)；此时计算得到的自适应权值为：
[0017]
w＝μr-1sꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0018]
其中，μ为一常数：μ＝(shr-1
s)-1
。
[0019]
进一步地，在所有可能的卫星来波方向均匀地形成若干数字波束实现全空域覆盖具体包括：
[0020]
对导航信号进行pvt解算；
[0021]
根据导航信号的pvt解算结果动态地在每颗卫星来波方向形成相应的数字波束。
[0022]
进一步地，对不同数字波束分别进行导航信号的捕获并标记所有可能的直达波信号具体包括：
[0023]
估计并产生本地载波用于估算载波多普勒频移；
[0024]
估计并产生本地码用于估算码相位；
[0025]
进行卫星号、多普勒、码相位的三维搜索，经过混频和相关来检测本地产生信号和接收信号的相关程度；
[0026]
对三维搜索得到的相关最大输出值进行判断，如果相关最大输出功率超过了预设的捕获门限，则认为某颗卫星捕获成功；
[0027]
将所有捕获成功的卫星进行标记，对于相同的卫星号，将信噪比最大的数字波束和卫星号进行关联并标记为直达波信号。
[0028]
进一步地，如果捕获中标记为直达波信号的数字波束跟踪得到的相关iq积分值不是最大值，则重新进行捕获及跟踪处理。
[0029]
进一步地，还包括：对导航信号进行pvt解算，并把解算结果反馈给数字波束形成系统；数字波束形成系统依据导航信号的pvt解算结果动态地在每颗卫星方向形成相应的数字波束。
[0030]
本发明基于阵列信号处理技术，综合采用多种方法，完成直达波信号和多径信号的分离，利用直达波信号强于多径信号的特点完成多径信号的空域抑制。可以适应各种复杂工作环境，并且效果好。本发明所提方案可实现多径信号的有效抑制，显著提高市区复杂环境下卫星导航、定位的精度。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1是本发明实施例提供的一种卫星导航信号跟踪中的多径抑制方法的流程图；
[0033]
图2是本发明另一实施例提供的一种卫星导航信号跟踪中的多径抑制方法的流程图。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
如图1所示，本发明提供了一种卫星导航信号跟踪中的多径抑制方法，该方法包括：
[0036]
s1、在所有可能的卫星来波方向均匀地形成若干数字波束实现全空域覆盖。
[0037]
数字波束形成是一种以数字方法来实现的波束形成技术。由于在基带上保留了天线阵列单元信号的全部信息，因而数字波束形成可以采用先进的数字信号处理技术对天线阵列信号进行处理，以获得优良的波束性能。它可以自适应地形成波束进行空域抗干扰，可以进行非线性处理改善角分辨率，还可在不损失信噪比的情况下，同时形成多个独立可控波束。数字波束形成的这些优点对抑制多径信号有重要意义。
[0038]
由于卫星的方位角和俯仰角均是未知的，此时可以在整个空域形成若干数字波束进行全空域覆盖，然后对每一个数字波束分配一个通道进行相应地处理。由于此时的卫星导航信号尚未解频解扩，有用的导航信号均比噪声还要弱。此时采用功率倒置(pi)算法，滤除各种干扰信号。功率倒置算法的自适应权值可由下式得到：
[0039][0040]
其中，w表示阵列加权矢量，r表示阵列接收数据地协方差矩阵，s表示期望信号(卫星方向)的导向矢量。
[0041]
s＝[1,e
jω
,l,e
j(n-1)ω
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0042]
其中，n表示阵元数目，j表示虚数单位，(d为阵元间距，λ为卫星导航信号的波长，ψ为期望卫星信号的空域锥角)。此时计算得到的自适应权值为：
[0043]
w＝μr-1sꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0044]
其中，μ为一常数：μ＝(shr-1
s)-1
。
[0045]
对于不同的数字波束，主要是目标导向矢量不一样，即期望卫星信号的空域锥角不一样。
[0046]
经过阵列数字多波束处理，相对单个接收天线阵元，则在期望卫星角度上，可以获得可观的增益(4阵元的增益可达8db)，这足以有效抑制多径信号。
[0047]
理论上来说，阵列单元越多，则可以获得更大的增益和更好的多径抑制性能，但是
阵列单元多了，会增加系统复杂度和成本；形成更多的数字波束，可以提高多径信号的角度识别能力，但同时也会增加更多的计算量。具体采用多少的阵列单元和形成多少数字波束，需要综合考虑工程实现的性能需求和成本约束。
[0048]
s2、对不同数字波束分别进行导航信号的捕获并标记所有可能的直达波信号。
[0049]
经过下变频、ad处理、数字波束处理和零陷抗干扰后，需要对不同的数字波束分别进行捕获，然后对对捕获结果进行融合。具体步骤如下：
[0050]
s21：估计并产生本地载波用于估算载波多普勒频移；
[0051]
s22：估计并产生本地码用于估算码相位；
[0052]
s23：进行卫星号、多普勒、码相位的三维搜索，经过混频和相关来检测本地产生信号和接收信号的相关程度；
[0053]
s24：对三维搜索得到的相关最大输出值进行判断，如果相关最大输出功率超过了预设的捕获门限，则认为某颗卫星捕获成功。
[0054]
s25：将所有捕获成功的卫星进行标记：对于相同的卫星号，对信噪比最大的数字波束和卫星号进行关联并标记为直达波信号。
[0055]
s3、对不同数字波束中捕获的卫星信号进行跟踪，如果捕获中标记为直达波信号的数字波束跟踪得到的相关iq积分值最大，则判定为直达波信号，并保留对应的跟踪通道，将该颗卫星的其它数字波束判定为多径信号，并释放对应的跟踪通道。
[0056]
为了可靠剔除多径信号，保留直达波信号，需要进一步对多波束捕获信号转入跟踪，进行进一步筛选。分别对不同数字波束中捕获的卫星信号进行跟踪，对同一颗卫星信号的不同跟踪通道进行进一步判断，即：对于某颗卫星的不同跟踪结果，如果捕获中标记为直达波信号的数字波束跟踪得到的相关iq积分值最大，则予以保留，将该颗卫星的其它数字波束判断为多径信号，并释放多径信号的跟踪通道。如果同一颗卫星捕获中标记的直达波信号积分值不是最大，则对该卫星重新捕获并转入跟踪，重新按照上述步骤进行判断甄别。
[0057]
经过上述处理，便完成了多径信号的剔除，只剩下直达波信号。
[0058]
如图2所示，为了进一步提高多径识别效率和精确度。可以对导航信号进行pvt解算，并把解算结果反馈给数字波束形成系统；数字波束形成系统依据导航信号的pvt解算结果动态地在每颗卫星方向形成相应的数字波束。由于卫星是动态变化的，导航接收机也可能是不断运动的。因此，需要对导航信号进行pvt解算，并把解算结果；例如：有哪些可见卫星，以及卫星的方位；反馈给步骤s1中的数字波束形成系统，数字波束形成系统依据导航信号的pvt解算结果动态地在每颗卫星方向形成相应的数字波束，不需要将所有可能的卫星来波方向进行全空域覆盖，这样不但可以提高多径抑制的效果，还可以极大降低计算的复杂度。经过导航信号pvt解算结果的反馈和数字波束的调整，多径信号得到进一步的识别和更精确地抑制。
[0059]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。