一种GNSS接收机的抑制多径的方法及系统与流程

本发明属于卫星导航系统技术领域，具体涉及一种gnss接收机的抑制多径的方法及系统。

背景技术：

gnss是指全球导航卫星系统，目前该系统主要包括北斗、gps、glonass、galileo等卫星导航系统。gnss终端的定位精度主要取决于伪距测量精度。伪距测量的精度是由发送、接收的伪随机码之间的时间延迟大小来的决定的。gnss内的码跟踪环模块用于测量该时间延迟的值。以码片周期以及码波形为基础，对本地复现码与接收码做互相关运算，实现码跟踪。

gnss卫星信号的反射、绕射使得接收机收到多条路径过来的gnss卫星信号。多径会使码跟踪环路与载波环路的鉴相特性发生畸变，情况严重时会使得接收信号失锁，从而大大降低测量精度。因为无法通过差分技术消除多径，所以多径成为gnss定位的主要误差源。

现有在跟踪环层面抑制多径的典型技术主要分为两类，一类是无需估计多径参数的方法，另一类是需要估计多径参数的方法。无需估计多径参数的方法，主要包括窄相关器技术、strobe相关器技术。需要估计多径参数的方法主要包括多径估计延迟锁定环(medll)技术。窄相关技术采用两个相关器，但因窄相关技术中相关间隔比较小，导致两个相关器相对于相关峰值较为接近，减轻了多径的影响，实时性好；strobe相关器技术使用四个相关器来获取更多的先验信息，多径抑制性能比窄相关器技术有较大提升，实时性好；medll技术使用了多个相关器来估计多径对gnss接收信号的贡献层度，然后从解调后的gnss导航信号中减掉多径的贡献就得到直达波的贡献，并直达波的贡献来推算直达波的精确传播时间。medll技术的多径抑制性能比窄相关器技术和strobe相关器技术有较为明显的提升，可基本消除相对延时大于0.1个码片的多径信号带来的跟踪误差，但medll技术的实时性较差，不能用于多径变化较大的场合。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种gnss接收机的抑制多径的方法及系统，实现在具有较高多径抑制性能的同时具有较高的实时性。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种gnss接收机的抑制多径的方法，包括以下步骤：

s1、利用gnss接收机接收多颗gnss卫星信号；

s2、对步骤s1接收的gnss卫星信号进行射频处理；

s3、对步骤s2处理后的信号进行基带预处理；

s4、采用tk算法对步骤s3预处理后的信号进行处理，得到多径的条数和每条多径对应的时延，作为先验信息；

s5、根据步骤s4得到的先验信息对各条多径的幅度参数进行预估计；

s6、采用迭代方法对各条多径的相关函数进行极大似然估计，得到直达波信号的相关函数；

s7、对抑制多径后的相关函数进行导航定位解算。

进一步地，所述步骤s4具体包括以下分步骤：

s41、获取离散相关函数的多个点的横坐标、纵坐标，并以此构建相关函数的完整包络；

s42、对离散相关函数的所有点进行tk运算，得到对应的tk曲线；

s43、设定幅度门限，将步骤s42得到的tk曲线上所有点的幅度依次与幅度门限进行比较，选取高于幅度门限的极值点的个数作为多径的条数；

s44、根据步骤s43选取的每一个极值点所对应的时刻，确定该极值点对应的时延的值，得到所有多径的时延值；

s45、保存多径的条数和每条多径对应的时延，作为先验信息。

进一步地，所述步骤s5具体包括以下分步骤：

s51、比较每条多径对应的时延大小，将时延最小的多径判断为直达波，将其它多径按照时延从小到大分别判断为第2条至最后一条多径；

s52、根据直达波和各条多径的相关函数的重叠程度，对各条多径的幅度参数进行预置。

进一步地，所述步骤s6具体包括以下分步骤：

s61、找到合成信号相关函数的幅度最高点，对该点的实部、虚部求反正切，得到直达波的相位估计值；

s62、根据直达波的时延值、幅度估计值及步骤s61得到的相位估计值重构直达波的相关函数；

s63、利用合成信号相关函数减去步骤s62重构的直达波的相关函数所得到的差值估计出相位，结合第2条径的时延值、幅度估计值对第2条径的相关函数进行重构；

s64、利用合成信号相关函数减去步骤s63重构的第2条径的相关函数所得到的差值估计出相位，利用该差值中的能量最大点的幅度作为该差值对应的直达波的幅度估计值，根据得到的相位估计值、幅度估计值及直达波的时延值再次重构直达波的相关函数；

s65、根据多径的条数判断是否已经穷尽所有多径；若是，则步骤结束；若否，则执行下一步骤；

s66、利用合成信号相关函数减去重构的直达波的相关函数、已重构径的相关函数，根据所得到的差值估计出相位，结合下一条径的时延值、幅度估计值对下一条径的相关函数进行重构；

s67、利用合成信号相关函数减去步骤s66重构的径的相关函数所得到的差值估计出相位，利用该差值中的能量最大点的幅度作为该差值对应的直达波的幅度估计值，根据得到的相位估计值、幅度估计值及直达波的时延值再次重构直达波的相关函数；

s68、根据多径的条数判断是否已经穷尽所有多径；若是，则步骤结束；若否，则循环重复步骤s66和s67，最终得到直达波信号的相关函数。

本发明还提出了一种gnss接收机的抑制多径的系统，包括天线模块，分别与天线模块连接的多个射频处理模块，分别与射频处理模块连接的基带预处理模块、多径预处理模块、多径幅度参数预估计模块、极大似然估计模块和导航定位数据处理模块；

所述天线模块用于接收多颗gnss卫星信号，并将接收信号分别传输至多个射频处理模块；

所述射频处理模块用于依次对接收信号进行低噪声放大处理、下变频处理和a/d转换处理，并将射频处理后的接收信号传输至基带预处理模块；

所述基带预处理模块用于依次对接收信号进行数字下变频处理和抗干扰处理，并将基带预处理后的接收信号传输至多径预处理模块；

所述多径预处理模块用于采用tk算法对接收信号进行预处理，得到多径的条数和每条多径对应的时延，作为先验信息，并将预处理后的接收信号传输至多径幅度参数预估计模块；

所述多径幅度参数预估计模块用于根据先验信息对各条多径的幅度参数进行预估计，并将幅度估计值传输至极大似然估计模块；

所述极大似然估计模块用于采用迭代方法对各条多径的相关函数进行极大似然估计，得到直达波信号的相关函数，并传输至导航定位数据处理模块；

所述导航定位数据处理模块用于对抑制多径后的相关函数进行导航定位解算。

进一步地，所述多径预处理模块采用tk算法对接收信号进行预处理，得到多径的条数和每条多径对应的时延，作为先验信息，具体为：

采用平行相关器采样单元获取离散相关函数的多个点的横坐标、纵坐标，并以此构建相关函数的完整包络；

对离散相关函数的所有点进行tk运算，得到对应的tk曲线；

设定幅度门限，将tk曲线上所有点的幅度依次与幅度门限进行比较，选取高于幅度门限的极值点的个数作为多径的条数；

根据选取的每一个极值点所对应的时刻，确定该极值点对应的时延的值，得到所有多径的时延值；

保存多径的条数和每条多径对应的时延，作为先验信息。

进一步地，所述多径幅度参数预估计模块根据先验信息对各条多径的幅度参数进行预估计，具体为：

比较每条多径对应的时延大小，将时延最小的多径判断为直达波，将其它多径按照时延从小到大分别判断为第2条至最后一条多径；

根据直达波和各条多径的相关函数的重叠程度，对各条多径的幅度参数进行预置。

进一步地，所述极大似然估计模块采用迭代方法对各条多径的相关函数进行极大似然估计，得到直达波信号的相关函数，具体为：

找到合成信号相关函数的幅度最高点，对该点的实部、虚部求反正切，得到直达波的相位估计值；

根据直达波的时延值、幅度估计值及相位估计值重构直达波的相关函数；

利用合成信号相关函数减去重构的直达波的相关函数所得到的差值估计出相位，结合第2条径的时延值、幅度估计值对第2条径的相关函数进行重构；

利用合成信号相关函数减去重构的第2条径的相关函数所得到的差值估计出相位，利用该差值中的的能量最大点的幅度作为该差值对应的直达波的幅度估计值，根据得到的相位估计值、幅度估计值及直达波的时延值再次重构直达波的相关函数；

根据多径的条数判断是否已经穷尽所有多径；若是，则步骤结束；若否，则执行下一步骤；

利用合成信号相关函数减去重构的直达波的相关函数、已重构径的相关函数，根据所得到的差值估计出相位，结合下一条径的时延值、幅度估计值对下一条径的相关函数进行重构；

利用合成信号相关函数减去重构的径的相关函数所得到的差值估计出相位，利用该差值中的的能量最大点的幅度作为该差值对应的直达波的幅度估计值，根据得到的相位估计值、幅度估计值及直达波的时延值再次重构直达波的相关函数；

根据多径的条数判断是否已经穷尽所有多径；若是，则步骤结束；若否，则对下一条多径进行估计，最终得到直达波信号的相关函数。

本发明具有的有益效果是：本发明结合了tk算法和最大似然估计算法优点，充分利用了tk算法迅速估计出多径条数、多径时延等先验信息，并预估计出多径幅度，加快了最大似然估计的收敛速度；并且由于已知多径的条数，因此能够准确控制迭代次数，避免了大量无谓的运算；本发明既能有效抑制多径，又能提高抑制多径的实时性，为动态情况下的定位导航打下了良好的基础。

附图说明

图1是本发明gnss接收机的抑制多径的方法流程示意图；

图2是本发明gnss接收机的抑制多径的系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种gnss接收机的抑制多径的方法，包括以下步骤s1至s7：

s1、利用gnss接收机接收多颗gnss卫星信号；

s2、对步骤s1接收的gnss卫星信号进行射频处理；

在本实施例中，本发明分别利用北斗、gps、glonass、galileo这4种射频芯片对步骤s1接收的gnss卫星信号进行射频处理，其中每一种射频处理方式具体包括依次对步骤s1接收的gnss卫星信号进行低噪声放大(lna)处理、下变频处理和a/d转换处理。

s3、对步骤s2处理后的信号进行基带预处理；

在本实施例中，本发明分别对4种射频处理后的信号进行基带预处理，其中每一种基带预处理方式具体包括依次对步骤s2射频处理后的信号进行数字下变频处理和抗干扰处理，从而抑制各种常见干扰信号。

s4、采用tk算法对步骤s3预处理后的信号进行处理，得到多径的条数和每条多径对应的时延，作为先验信息；

在本实施例中，本发明采用tk算法对步骤s3预处理后的信号进行处理，得到多径的条数的精确估计，以及各条多径时延的估计。

步骤s4具体包括以下分步骤：

s41、获取离散相关函数的多个点的横坐标、纵坐标，并以此构建相关函数的完整包络；

s42、对离散相关函数的所有点进行tk运算，得到对应的tk曲线；

s43、设定幅度门限，将步骤s42得到的tk曲线上所有点的幅度依次与幅度门限进行比较，对于高于该门限值的极值点，就判定为一条多径，最终将高于幅度门限的极值点的个数作为多径的条数；

s44、根据步骤s43选取的每一个极值点所对应的时刻，确定该极值点对应的时延的值，得到所有多径的时延值；

s45、保存多径的条数和每条多径对应的时延，作为先验信息。

s5、根据步骤s4得到的先验信息对各条多径的幅度参数进行预估计；

在本实施例中，步骤s5具体包括以下分步骤：

s51、比较每条多径对应的时延大小，将时延最小的多径判断为直达波，将其它多径按照时延从小到大分别判断为第2条至最后一条多径；

s52、根据直达波和各条多径的相关函数的重叠程度，对各条多径的幅度参数进行预置。

直达波和多径的幅度都小于合成信号相关函数的最高点，各条径的时延间隔的大小决定了直达波和各条多径的相关函数的重叠程度，重叠程度越高，则各条径的幅度相对于合成信号相关函数的最高点幅度就越小，因此本发明可以根据预先设定的幅度预置数据参考表，对各条径的幅度进行预置。

本发明通过对接收信号进行多径预处理和多径幅度参数预估计，大大减少了后续步骤的盲目计算，从而使得后续步骤的运算量得到实质性的降低。

s6、采用迭代方法对各条多径的相关函数进行极大似然估计，得到直达波信号的相关函数；

在本实施例中，本发明基于极大似然估计原理，估计gnss接收信号当中的直达波成分。

步骤s6具体包括以下分步骤：

s61、采用求反正切的方式对直达波的相位进行估计，即先找到合成信号相关函数的幅度最高点，对该点的实部、虚部求反正切，得到直达波的相位估计值；

s62、根据直达波的时延值、幅度估计值及步骤s61得到的相位估计值重构直达波的相关函数；

s63、利用合成信号相关函数减去步骤s62重构的直达波的相关函数所得到的差值估计出相位，结合第2条径的时延值、幅度估计值对第2条径的相关函数进行重构；

s64、利用合成信号相关函数减去步骤s63重构的第2条径的相关函数所得到的差值估计出相位，利用该差值中的能量最大点的幅度作为该差值对应的直达波的幅度估计值，根据得到的相位估计值、幅度估计值及直达波的时延值再次重构直达波的相关函数；

s65、根据多径的条数判断是否已经穷尽所有多径；若是，即对所有多径完成了估计，则步骤结束；若否，即还有至少一条多径需要估计，则执行下一步骤；

s66、利用合成信号相关函数减去重构的直达波的相关函数、已重构径的相关函数，根据所得到的差值估计出相位，结合下一条径的时延值、幅度估计值对下一条径的相关函数进行重构；

在第一次循环中，已重构的径为第2条径，在第一次循环中，已重构的径为第2条径和第3条径，依此类推。

s67、利用合成信号相关函数减去步骤s66重构的径的相关函数所得到的差值估计出相位，利用该差值中的能量最大点的幅度作为该差值对应的直达波的幅度估计值，根据得到的相位估计值、幅度估计值及直达波的时延值再次重构直达波的相关函数；

s68、根据多径的条数判断是否已经穷尽所有多径；若是，则步骤结束；若否，则循环重复步骤s66和s67，对需要估计的多径进行循环优化，最终得到直达波信号的相关函数。

s7、对抑制多径后的相关函数进行导航定位解算。

基于上述gnss接收机的抑制多径的方法，本发明还提出了一种应用上述方法的gnss接收机的抑制多径的系统，如图2所示，包括天线模块，分别与天线模块连接的多个射频处理模块，分别与射频处理模块连接的基带预处理模块、多径预处理模块、多径幅度参数预估计模块、极大似然估计模块和导航定位数据处理模块。

天线模块采用多模多频天线，其用于接收多颗gnss卫星信号，并将接收信号分别传输至多个射频处理模块。

射频处理模块包括4种射频芯片，即北斗(bd)、gps、glonass、galileo射频芯片，每种射频芯片依次对接收信号进行低噪声放大处理、下变频处理和a/d转换处理，并将射频处理后的接收信号传输至基带预处理模块。

基带预处理模块包含在多模多频基带芯片内，其用于依次对接收信号进行数字下变频处理和抗干扰处理，并将基带预处理后的接收信号传输至多径预处理模块。

多径预处理模块包含在多模多频基带芯片内，其用于采用tk算法对接收信号进行预处理，得到多径的条数和每条多径对应的时延，作为先验信息，并将预处理后的接收信号传输至多径幅度参数预估计模块。

多径预处理模块采用tk算法对接收信号进行预处理，得到多径的条数和每条多径对应的时延，作为先验信息，具体为：

采用平行相关器采样单元获得离散相关函数的多个点的横坐标、纵坐标，并以此构建相关函数的完整包络；其中平行相关器采样单元使用若干个窄带相关器与接收到的gnss卫星信号在基带做相关运算，以获得相关函数的包络；

对离散相关函数的所有点进行tk运算，得到对应的tk曲线；其中tk运算由tk算子的多个运算单元组成，得到多径的条数的精确估计，以及各条多径时延的估计；

设定幅度门限，将tk曲线上所有点的幅度依次与幅度门限进行比较，选取高于幅度门限的极值点的个数作为多径的条数；

根据选取的每一个极值点所对应的时刻，确定该极值点对应的时延的值，得到所有多径的时延值；

保存多径的条数和每条多径对应的时延，作为先验信息。

多径幅度参数预估计模块包含在多模多频基带芯片内，其用于根据先验信息对各条多径的幅度参数进行预估计，并将幅度估计值传输至极大似然估计模块。

多径幅度参数预估计模块根据先验信息对各条多径的幅度参数进行预估计，具体为：

比较每条多径对应的时延大小，将时延最小的多径判断为直达波，将其它多径按照时延从小到大分别判断为第2条至最后一条多径；

根据直达波和各条多径的相关函数的重叠程度，对各条多径的幅度参数进行预置。

极大似然估计模块包含在多模多频基带芯片内，其用于采用迭代方法对各条多径的相关函数进行极大似然估计，得到直达波信号的相关函数，并传输至导航定位数据处理模块。

极大似然估计模块采用迭代方法对各条多径的相关函数进行极大似然估计，得到直达波信号的相关函数，具体为：

找到合成信号相关函数的幅度最高点，对该点的实部、虚部求反正切，得到直达波的相位估计值；

根据直达波的时延值、幅度估计值及相位估计值重构直达波的相关函数；

利用合成信号相关函数减去重构的直达波的相关函数所得到的差值估计出相位，结合第2条径的时延值、幅度估计值对第2条径的相关函数进行重构；

利用合成信号相关函数减去重构的第2条径的相关函数所得到的差值估计出相位，利用该差值中的的能量最大点的幅度作为该差值对应的直达波的幅度估计值，根据得到的相位估计值、幅度估计值及直达波的时延值再次重构直达波的相关函数；

根据多径的条数判断是否已经穷尽所有多径；若是，则步骤结束；若否，则执行下一步骤；

利用合成信号相关函数减去重构的直达波的相关函数、已重构径的相关函数，根据所得到的差值估计出相位，结合下一条径的时延值、幅度估计值对下一条径的相关函数进行重构；

利用合成信号相关函数减去重构的径的相关函数所得到的差值估计出相位，利用该差值中的的能量最大点的幅度作为该差值对应的直达波的幅度估计值，根据得到的相位估计值、幅度估计值及直达波的时延值再次重构直达波的相关函数；

根据多径的条数判断是否已经穷尽所有多径；若是，则步骤结束；若否，则对下一条多径进行估计，最终得到直达波信号的相关函数。

导航定位数据处理模块用于对抑制多径后的相关函数进行导航定位解算。

本发明还设置有imu模块，imu模块与导航定位数据处理模块进行数据通信；多模多频基带芯片还提供了imu接口，本发明的接口还提供了rs-232、usb、can、事件触发输入等输入输出方式。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。