一种基于卫星定位系统的协同分集定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星导航定位技术领域，涉及一种基于卫星定位系统的协同分集定位 方法。
【背景技术】
[0002] GPS(Global Satellite Position System)卫星导航系统采用码分多址 RNSS(Radio Navigation Satellite Server)结构体制，其信号体制自上世纪末提出了现 代化升级计划，其升级目的是使其信号的综合性能得到提升，并确保在未来导航战中，GPS 用户特别是授权用户的安全使用。因此，GPS卫星导航系统采用了一些新的技术。空间段 的主要措施是增大GPS卫星的发射功率，由30W提高到500W。现有提高GPS接收机抗干扰 能力的措施包括：采用自适应调零天线；GPS接收机加装自适应滤波；P码直接捕获；采用 GPS/INS (Inertia Navigation System)组合导航设备；用伪卫星对抗GPS干扰；火力摧毁 干扰源；配备新开发的微型原子钟。正常GPS信号到达地面时已经非常微弱，信号功率低于 噪声功率。现有技术中有学者提出利用块捕获方法实现GPS弱信号捕获的方法。也有学者 证明了码分多址系统中双驻留捕获方法中使用差分相干积分比非相干积分具有优势。以上 方法只能改进效果，并不能像美军下一步GPS改进策略的直接增大卫星发射功率那样从根 本上解决问题。
[0003] MIMO无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于天线分集与 智能天线技术。智能天线采用加权选择方法驱动波束指向，通过将能量聚集到期望方向而 提高平均信噪比，抑制而不是利用多径传播。Foschini在1996年的开创性的首次指出：如 果用于描述具有N副发射天线与M副接收天线的无线链路的MXN信道矩阵的元素是完全 独立衰落的，则该系统的容量随最小天线数目线性增长，而不是采用智能天线下的对数增 长。
[0004] 由于通信设备大小、硬件和功耗等的限制，并不能非常方便地部署符合MMO要求 的多天线，对于地面接收机及手持机来说，情况同样不容乐观。正是鉴于Mnro技术在实际 应用中面临的这种困境，协同通信的概念应运而生。协同通信是通过单天线用户终端相互 作为中继、共享天线，产生类似于多天线发送的虚拟环境，能有效实现多天线分集。协同分 集的思想源于中继通信。但协作分集并非简易的中继问题，其通信机制非常复杂。协同分 集的过程分为两个步骤：首先，源节点以广播形式发送信号，所有中继节点和目的节点接收 信号，并且中继节点用相关方法处理接收到的信号，为下一步做准备；然后，中继节点将处 理好的信号传送给目的节点，同时源节点也可以向目的节点发送新的信息或重复的信息， 最后目的节点合并上面两步接收到的信号，作为一种分布式的虚拟多天线传输技术，协同 通信融合了分集技术与中继传输技术的优势。协同分集就是用户借助其合作伙伴的天线， 与自身天线共同构造多发射天线，以获得空间分集增益。采用协同分集可以使用户资源得 到充分利用。只要协作方案设计合理，可以做到增益远大于付出的代价。协作分集可以使 整个信道的资源得到更有效的利用，使传输性能更好。
[0005] 目前相关的文献和研究提出了一些编码协同方面的成果，但它们均未提及将其文 章、研究成果应用于卫星定位系统中。
【发明内容】
[0006] 针对全球定位系统的卫星有效载荷功率受限的缺点，为避免由于大幅增大发射功 率抗干扰而缩短定位卫星寿命的问题，本发明提供一种基于卫星定位系统的协同分集定位 方法，该方法将同一轨道上的相邻卫星编为星对，实现相邻卫星导航信息共享的协同分集。
[0007] 现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：
[0008] 本发明的基本构思是，根据卫星定位系统设计基于Alamouti码的空时协同分集 定位方案和M頂0-扩频的空间分集编码；如果将全球卫星定位系统与一个所有节点均具有 传输能力的无线传感器网络等同起来，则编码协同方面的成果将对卫星协同定位技术研究 产生促进作用。
[0009] 本发明一种基于卫星定位系统的协同分集定位方法，具体包括以下步骤：
[0010] 步骤1 :基于Alamouti码的空时协同分集定位，将同一轨道上的相邻卫星编为星 对，实现相邻卫星协同分集；
[0011] 步骤1. 1 :假设初始工作状态正常，接收机运行在常规定位模式，一旦下行信号遭 遇强干扰，无法解析导航电文，接收机可向信关站发送启动协同定位模式申请；
[0012] 步骤1. 2 :当信关站接收到申请后，信关站选择2个星对向干扰区域发送协同定位 信号，信关站可以事先估算出卫星1到用户终端和卫星2到用户终端两条传输路径的信道 特性，信关站首先将每个星对中的两份导航电文发送给该星对的两颗卫星；
[0013] 步骤1. 3 :当卫星收到该信号后，两颗卫星分别按发射分集方案将各自接收到的 信号经空时编码处理后发给目的用户终端；在这一过程中，两卫星的用户下行链路信号按 照M頂0-扩频的空间分集编码方式进行编码处理，卫星1和卫星2分别相当于M頂0系统中 的两个发射天线；由于用户终端已对定位信号进行了捕获，故假设由两颗卫星共同发送的 空时编码电文可以同时被用户终端检测；
[0014] 步骤1. 4 :当用户接收到信号后，用户接收机按照空时编码的检测方法对接收信 号进行处理，用户终端即可恢复出发送的导航电文，通信协议见表1 ;
[0015]
[0016] 表1协同分集传输协议
[0017] 步骤2 :在MMO-直接序列扩频方法多码模型的基础上设计针对卫星定位系统的 协同分集M頂0-扩频的空间分集编码：
[0018] 步骤2. 1 :对于频率平坦信道，发送端未知信道状态信息，设计简单的分集策略； 发送端能够用不同的正交扩频码在Mt个天线上传输相同的符号；假设有M Tf正交扩频码， 即在接收端相关器所得到的第j个扩频码的输出是
[0019]
(1)
[0020] 其中yi是某一接收终端的接收信号；ES是在一个符号周期中每一符号上发送端上 可用的平均能量，H,是信道矩阵，s是信道矩阵的输入信号，η ,是第j条路径的信道噪声；
[0021] 步骤2. 2:接收端从不同的发射天线中分离出到达的信号，并用最大比合并将它 们合并；在卫星定位系统中，用户下行链路为典型多径衰落信道，故针对Rayleigh衰落信 道展开，MIMO-扩频空间分集编码策略采用的是Alamouti码；
[0022] 步骤2. 3 :建立M頂0-扩频空间分集编码策略，具体包括：
[0023] 步骤2. 3. 1 :假设Mt= 2 (卫星数），M R= 1 (用户终端数），两个正交扩频码c 4口 c2:用于传输并且两份导航电文sJP s 2是在一个周期内用Alamouti策略传输；
[0024] 步骤2. 3. 2 :符号~和s 2是由扩频码c矿频并分别由卫星1和2发送；同时-s 2* 和S1*是由扩频码C2扩频并分别由卫星1和2发送；
[0025] 步骤2. 3. 3 :假设在时延0和ITehip(码片周期）时每个SISO组成信道有两个抽 头，每个抽头上有相等的平均功率；可以既获取路径即频率分集，又可获取空间分集；在接 收端接收到的信号分别在时延〇和1与每个扩频码相关；
[0026] 步骤2. 3. 4 :假设扩频码是正交的，并有最优的自相关和互相关特性；因此，在每 个时延就没有来自其他时延（路径）的自干扰和互干扰，其中，对应于扩频码C 1，在时延0 和1相关器的输出Y1。和y n分别满足：
[0027]
(2)
[0028] 其中hjl]代表在发送天线i和接收天线之间的采样（以码片速率）信道脉冲响 应，Ii 1是噪声向量。类似地，对应于扩频码2在接收端的相关器的输出满足
[0029]
(3)
[0030] 本发明进一步提供一种基于卫星定位系统的协同分集定位方法，其特征在于：步 骤1. 4中所述的用户接收机按照空时编码的检测方法对接收信号进行处理，具体过程如 下：
[0031] 步骤1.4. 1 :用户端收到这些信号后，用户接收机按照空时编码的检测方法对接 收信号进行处理，先用最大比合并将接收信号合并，然后通过解扩方法得到解扩后的信号， 最后利用Alamouti译码方法得到导航电文：
[0032]
(4)
[0033] 其中：
21是解扩后的信号，是解扩后的噪声，假设是独立同分 布，即给定MT且L个在时间和空间中独立同分布衰落的等功率抽头，连同Alamouti策略一 起使用的M頂O-SS (spread spectrum)获取完全的2L重数的分集；
[0034] 步骤1. 4. 2 :扩频码在实际中不会有完全的自相关和互相关特性，从而导致径间 和码间干扰，并且导致信噪比损失；同样地，协作多点的分布特性造成的不相等的路径功率 损耗（在本发明的场景中不能忽略）或相关性将带来分集损失，当采用单码和多码操作时 差异尤为明显（如图4所示），其数学推导见步骤1. 4. 3。
[0035] 步骤1.4. 3:假定两个不同的编码序列S和參分别由两个输入信号（Sl，S2)和 (I 1A)产生，其中(Sy S2) # (AJ2)。码字差别矩阵B分别为
[0036] 单码： （S)
[0037] 多码： (6)
[0038] 公式中Ks为码长。由于编码矩阵的行是正交的，因此码字差别矩阵也是正交的。 码字距离矩阵A可以表示为
[0039] 单码：
[0040]
C 7)
[0041] 多码：
(8)
[0042] 由码字距离矩阵A可以推导慢瑞利衰落信道上的扩频空时编码系统差错概率，其 成对差错概率可以表示为
[0043]
C9)
[0044] 4(5 j)为码字之间的最小平方欧氏距离：
[0045] 单码： CN 105137463 A I兄明书 5/6 页
(10)
[0046] 多码：
[0047]
(11)
[0048] 公式中Θ是信号调制角度。
[0049] 步骤1. 4. 4 :根据上述分析，将信号功率的不平衡特性主要赋予扩频码的幅度，由 成对差错概率与最小平方欧氏距离的关系可见，多码系统的成对差错概率在路径损耗不平 衡（ Cl>>C2)的情况下将大幅小于单码系统，因此，本发明的空时扩频编码采用多码扩频进 行。
[0050] 本发明同现有技术相比的优越性在于：在不增大定位信号发射功率的情况下提高 信号增益，从而在保障抗干扰能力的前提