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市区环境下GNSS多径信号盲处理技术研究

徐鉴  
【摘要】:全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)到今天已经发展成为人类社会生活不可或缺的基础设施。近些年来,大众生活领域正在成为卫星导航产业新的增长点。然而,在复杂的市区环境下,信号功率衰减和多径效应已成为影响GNSS接收机性能的主要因素。多径效应主要是由天线附近建筑物反射以及绕射过来的多条不同路径信号而引发的,由此可能产生各路径之间的干扰,导致测距误差可达数十米,甚至更高,严重影响系统的定位精度和可靠性。本课题以市区环境下的GNSS信号,特别是北斗信号为研究对象,考虑到在实际应用中难以准确获得先验信息,重点研究利用盲处理技术解决导航信号中存在的多径干扰问题。首先,课题以北斗信号为例研究了GNSS信号的结构、组成部分以及调制情况,根据北斗中频信号B1频点的数学模型,结合仿真分析了北斗多径模型中产生影响的各种因素,并从概率统计的角度对模型的正确性进行了分析和验证;结合课题研究需求,在前述工作的基础上,引入阵列信号接收模型,通过对仿真数据的捕获和波达方向(Direction of Arrival,DOA)的估计,验证了信号模拟方案的正确性,然后通过对实际北斗阵列信号的采集和对比,进一步证实了所构建仿真环境的正确性和有效性,满足了后续研究的需要。其次,为给波束形成操作提供到达方向信息,论文首先以代表性的多重信号分类(Multiple Signal Classifacation,MUSIC)算法为例对DOA估计算法进行分析,然后在分析独立分量分析(Independent Component Analysis,ICA)算法的原理、特性和适用条件的基础上,提出基于ICA算法的GNSS信号DOA估计方案,并与MUSIC算法进行性能仿真对比,结果表明,提出的方案性能优于传统的MUSIC算法。再次,在前述工作的基础上,论文对多径信号的DOA估计方法进行了深入研究,通过引入压缩感知理论中的稀疏信号重建思想,并将其与ICA算法相结合,提出一种新的可估计直达与多径分量DOA的方法,并将该方法与经典的空间平滑结合MUSIC算法进行了详细的仿真对比,结果表明,新方案估计性能明显好于经典算法,而且可用于处理其他方法无法解决的欠定问题。此外,由于在实际应用中二维DOA估计更为普遍,因此,在新提出的一维多径信号DOA估计方法的基础上,提出基于L型阵列的二维多径信号DOA估计方法。该方法通过定义合成角,减少了压缩感知理论中过完备字典的维度,将二维DOA估计问题转化为一维问题进行研究,从而使计算复杂度大大降低。仿真结果证明了该方法的有效性。然后,由于市区环境下GNSS接收信号强度微弱,而多径信号的DOA估计对阵列接收信号的信噪比要求较高,采用先估计信号到达方向再抑制多径的方法较为困难。本课题根据处理对象是GNSS信号的特点,提出一种基于后相关技术的波束形成方法。该方法将波束形成算法加入到跟踪环路中,先利用后相关技术处理所有阵元上的接收信号,利用扩频增益提高信噪比,再对解扩后的信号进行多径DOA估计,并利用DOA估计结果对解扩信号进行波束形成,以实现抑制多径的目的。经仿真验证,该方法可在卫星导航信号信噪比低至-35dB的情况下有效抑制短延迟多径和中、长多径干扰,其所得结果不受多径延迟、多径衰减量的影响,误码率为0,在接收信号信噪比-35~0dB范围内,可将导航电文的信噪比在扩频增益后继续提升4~6dB。最后,基于前述研究,为充分发挥ICA技术在信号分离方面的优势,论文提出将ICA技术应用于后相关多径抑制。与后相关波束形成方法类似,该方法采用ICA算法从经过扩频增益的信号中直接提取出直达信号分量,实现多径抑制。由于ICA算法自身具有滤除噪声的优点,导航电文的信噪比在扩频增益后得到了进一步的改善。经仿真验证,此方案除了可以在卫星导航信号信噪比低至-35dB的情况下有效抑制多径干扰,还同时滤除部分相关过程中产生的噪声和系统噪声,使导航电文信号质量得到很大改善,在接收信号信噪比-35~0dB范围内,可将导航电文的信噪比在扩频增益后继续提升5~11dB。由于同样基于后相关技术,此方案与前一种后相关处理方案均可用于GNSS弱信号环境下的多径抑制,且实现起来更为简便,不会引入DOA估计误差。该方案虽然不能在期望方向上形成增益,但采用ICA的方法可利用算法本身特性滤除噪声,因此在对信号质量的改善程度上略优于前一种,且具有更好的多径信号抑制能力。


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