一種基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的協(xié)同分集定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的協(xié)同分集定位 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] GPS(Global Satellite Position System)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用碼分多址 RNSS(Radio Navigation Satellite Server)結(jié)構(gòu)體制，其信號(hào)體制自上世紀(jì)末提出了現(xiàn) 代化升級(jí)計(jì)劃，其升級(jí)目的是使其信號(hào)的綜合性能得到提升，并確保在未來(lái)導(dǎo)航戰(zhàn)中，GPS 用戶特別是授權(quán)用戶的安全使用。因此，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用了一些新的技術(shù)?？臻g段 的主要措施是增大GPS衛(wèi)星的發(fā)射功率，由30W提高到500W。現(xiàn)有提高GPS接收機(jī)抗干擾 能力的措施包括：采用自適應(yīng)調(diào)零天線；GPS接收機(jī)加裝自適應(yīng)濾波；P碼直接捕獲；采用 GPS/INS (Inertia Navigation System)組合導(dǎo)航設(shè)備；用偽衛(wèi)星對(duì)抗GPS干擾；火力摧毀 干擾源；配備新開(kāi)發(fā)的微型原子鐘。正常GPS信號(hào)到達(dá)地面時(shí)已經(jīng)非常微弱，信號(hào)功率低于 噪聲功率?，F(xiàn)有技術(shù)中有學(xué)者提出利用塊捕獲方法實(shí)現(xiàn)GPS弱信號(hào)捕獲的方法。也有學(xué)者 證明了碼分多址系統(tǒng)中雙駐留捕獲方法中使用差分相干積分比非相干積分具有優(yōu)勢(shì)。以上 方法只能改進(jìn)效果，并不能像美軍下一步GPS改進(jìn)策略的直接增大衛(wèi)星發(fā)射功率那樣從根 本上解決問(wèn)題。
[0003] MIMO無(wú)線通信技術(shù)是天線分集與空時(shí)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它源于天線分集與 智能天線技術(shù)。智能天線采用加權(quán)選擇方法驅(qū)動(dòng)波束指向，通過(guò)將能量聚集到期望方向而 提高平均信噪比，抑制而不是利用多徑傳播。Foschini在1996年的開(kāi)創(chuàng)性的首次指出：如 果用于描述具有N副發(fā)射天線與M副接收天線的無(wú)線鏈路的MXN信道矩陣的元素是完全 獨(dú)立衰落的，則該系統(tǒng)的容量隨最小天線數(shù)目線性增長(zhǎng)，而不是采用智能天線下的對(duì)數(shù)增 長(zhǎng)。
[0004] 由于通信設(shè)備大小、硬件和功耗等的限制，并不能非常方便地部署符合MMO要求 的多天線，對(duì)于地面接收機(jī)及手持機(jī)來(lái)說(shuō)，情況同樣不容樂(lè)觀。正是鑒于Mnro技術(shù)在實(shí)際 應(yīng)用中面臨的這種困境，協(xié)同通信的概念應(yīng)運(yùn)而生。協(xié)同通信是通過(guò)單天線用戶終端相互 作為中繼、共享天線，產(chǎn)生類(lèi)似于多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，能有效實(shí)現(xiàn)多天線分集。協(xié)同分 集的思想源于中繼通信。但協(xié)作分集并非簡(jiǎn)易的中繼問(wèn)題，其通信機(jī)制非常復(fù)雜。協(xié)同分 集的過(guò)程分為兩個(gè)步驟：首先，源節(jié)點(diǎn)以廣播形式發(fā)送信號(hào)，所有中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)接收 信號(hào)，并且中繼節(jié)點(diǎn)用相關(guān)方法處理接收到的信號(hào)，為下一步做準(zhǔn)備；然后，中繼節(jié)點(diǎn)將處 理好的信號(hào)傳送給目的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)源節(jié)點(diǎn)也可以向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的信息或重復(fù)的信息， 最后目的節(jié)點(diǎn)合并上面兩步接收到的信號(hào)，作為一種分布式的虛擬多天線傳輸技術(shù)，協(xié)同 通信融合了分集技術(shù)與中繼傳輸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。協(xié)同分集就是用戶借助其合作伙伴的天線， 與自身天線共同構(gòu)造多發(fā)射天線，以獲得空間分集增益。采用協(xié)同分集可以使用戶資源得 到充分利用。只要協(xié)作方案設(shè)計(jì)合理，可以做到增益遠(yuǎn)大于付出的代價(jià)。協(xié)作分集可以使 整個(gè)信道的資源得到更有效的利用，使傳輸性能更好。
[0005] 目前相關(guān)的文獻(xiàn)和研究提出了一些編碼協(xié)同方面的成果，但它們均未提及將其文 章、研究成果應(yīng)用于衛(wèi)星定位系統(tǒng)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星有效載荷功率受限的缺點(diǎn)，為避免由于大幅增大發(fā)射功 率抗干擾而縮短定位衛(wèi)星壽命的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的協(xié)同分集定位 方法，該方法將同一軌道上的相鄰衛(wèi)星編為星對(duì)，實(shí)現(xiàn)相鄰衛(wèi)星導(dǎo)航信息共享的協(xié)同分集。
[0007] 現(xiàn)將本發(fā)明構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下：
[0008] 本發(fā)明的基本構(gòu)思是，根據(jù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于Alamouti碼的空時(shí)協(xié)同分集 定位方案和M頂0-擴(kuò)頻的空間分集編碼；如果將全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)與一個(gè)所有節(jié)點(diǎn)均具有 傳輸能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等同起來(lái)，則編碼協(xié)同方面的成果將對(duì)衛(wèi)星協(xié)同定位技術(shù)研究 產(chǎn)生促進(jìn)作用。
[0009] 本發(fā)明一種基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的協(xié)同分集定位方法，具體包括以下步驟：
[0010] 步驟1 :基于Alamouti碼的空時(shí)協(xié)同分集定位，將同一軌道上的相鄰衛(wèi)星編為星 對(duì)，實(shí)現(xiàn)相鄰衛(wèi)星協(xié)同分集；
[0011] 步驟1. 1 :假設(shè)初始工作狀態(tài)正常，接收機(jī)運(yùn)行在常規(guī)定位模式，一旦下行信號(hào)遭 遇強(qiáng)干擾，無(wú)法解析導(dǎo)航電文，接收機(jī)可向信關(guān)站發(fā)送啟動(dòng)協(xié)同定位模式申請(qǐng)；
[0012] 步驟1. 2 :當(dāng)信關(guān)站接收到申請(qǐng)后，信關(guān)站選擇2個(gè)星對(duì)向干擾區(qū)域發(fā)送協(xié)同定位 信號(hào)，信關(guān)站可以事先估算出衛(wèi)星1到用戶終端和衛(wèi)星2到用戶終端兩條傳輸路徑的信道 特性，信關(guān)站首先將每個(gè)星對(duì)中的兩份導(dǎo)航電文發(fā)送給該星對(duì)的兩顆衛(wèi)星；
[0013] 步驟1. 3 :當(dāng)衛(wèi)星收到該信號(hào)后，兩顆衛(wèi)星分別按發(fā)射分集方案將各自接收到的 信號(hào)經(jīng)空時(shí)編碼處理后發(fā)給目的用戶終端；在這一過(guò)程中，兩衛(wèi)星的用戶下行鏈路信號(hào)按 照M頂0-擴(kuò)頻的空間分集編碼方式進(jìn)行編碼處理，衛(wèi)星1和衛(wèi)星2分別相當(dāng)于M頂0系統(tǒng)中 的兩個(gè)發(fā)射天線；由于用戶終端已對(duì)定位信號(hào)進(jìn)行了捕獲，故假設(shè)由兩顆衛(wèi)星共同發(fā)送的 空時(shí)編碼電文可以同時(shí)被用戶終端檢測(cè)；
[0014] 步驟1. 4 :當(dāng)用戶接收到信號(hào)后，用戶接收機(jī)按照空時(shí)編碼的檢測(cè)方法對(duì)接收信 號(hào)進(jìn)行處理，用戶終端即可恢復(fù)出發(fā)送的導(dǎo)航電文，通信協(xié)議見(jiàn)表1 ;
[0015]
[0016] 表1協(xié)同分集傳輸協(xié)議
[0017] 步驟2 :在MMO-直接序列擴(kuò)頻方法多碼模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)針對(duì)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的 協(xié)同分集M頂0-擴(kuò)頻的空間分集編碼：
[0018] 步驟2. 1 :對(duì)于頻率平坦信道，發(fā)送端未知信道狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的分集策略； 發(fā)送端能夠用不同的正交擴(kuò)頻碼在Mt個(gè)天線上傳輸相同的符號(hào)；假設(shè)有M Tf正交擴(kuò)頻碼， 即在接收端相關(guān)器所得到的第j個(gè)擴(kuò)頻碼的輸出是
[0019]
(1)
[0020] 其中yi是某一接收終端的接收信號(hào)；ES是在一個(gè)符號(hào)周期中每一符號(hào)上發(fā)送端上 可用的平均能量，H,是信道矩陣，s是信道矩陣的輸入信號(hào)，η ,是第j條路徑的信道噪聲；
[0021] 步驟2. 2:接收端從不同的發(fā)射天線中分離出到達(dá)的信號(hào)，并用最大比合并將它 們合并；在衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，用戶下行鏈路為典型多徑衰落信道，故針對(duì)Rayleigh衰落信 道展開(kāi)，MIMO-擴(kuò)頻空間分集編碼策略采用的是Alamouti碼；
[0022] 步驟2. 3 :建立M頂0-擴(kuò)頻空間分集編碼策略，具體包括：
[0023] 步驟2. 3. 1 :假設(shè)Mt= 2 (衛(wèi)星數(shù)），M R= 1 (用戶終端數(shù)），兩個(gè)正交擴(kuò)頻碼c 4口 c2:用于傳輸并且兩份導(dǎo)航電文sJP s 2是在一個(gè)周期內(nèi)用Alamouti策略傳輸；
[0024] 步驟2. 3. 2 :符號(hào)~和s 2是由擴(kuò)頻碼c礦頻并分別由衛(wèi)星1和2發(fā)送；同時(shí)-s 2* 和S1*是由擴(kuò)頻碼C2擴(kuò)頻并分別由衛(wèi)星1和2發(fā)送；
[0025] 步驟2. 3. 3 :假設(shè)在時(shí)延0和ITehip(碼片周期）時(shí)每個(gè)SISO組成信道有兩個(gè)抽 頭，每個(gè)抽頭上有相等的平均功率；可以既獲取路徑即頻率分集，又可獲取空間分集；在接 收端接收到的信號(hào)分別在時(shí)延〇和1與每個(gè)擴(kuò)頻碼相關(guān)；
[0026] 步驟2. 3. 4 :假設(shè)擴(kuò)頻碼是正交的，并有最優(yōu)的自相關(guān)和互相關(guān)特性；因此，在每 個(gè)時(shí)延就沒(méi)有來(lái)自其他時(shí)延（路徑）的自干擾和互干擾，其中，對(duì)應(yīng)于擴(kuò)頻碼C 1，在時(shí)延0 和1相關(guān)器的輸出Y1。和y n分別滿足：
[0027]
(2)
[0028] 其中hjl]代表在發(fā)送天線i和接收天線之間的采樣（以碼片速率）信道脈沖響 應(yīng)，Ii 1是噪聲向量。類(lèi)似地，對(duì)應(yīng)于擴(kuò)頻碼2在接收端的相關(guān)器的輸出滿足
[0029]
(3)
[0030] 本發(fā)明進(jìn)一步提供一種基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的協(xié)同分集定位方法，其特征在于：步 驟1. 4中所述的用戶接收機(jī)按照空時(shí)編碼的檢測(cè)方法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，具體過(guò)程如 下：
[0031] 步驟1.4. 1 :用戶端收到這些信號(hào)后，用戶接收機(jī)按照空時(shí)編碼的檢測(cè)方法對(duì)接 收信號(hào)進(jìn)行處理，先用最大比合并將接收信號(hào)合并，然后通過(guò)解擴(kuò)方法得到解擴(kuò)后的信號(hào)， 最后利用Alamouti譯碼方法得到導(dǎo)航電文：
[0032]
(4)
[0033] 其中：
21是解擴(kuò)后的信號(hào)，是解擴(kuò)后的噪聲，假設(shè)是獨(dú)立同分 布，即給定MT且L個(gè)在時(shí)間和空間中獨(dú)立同分布衰落的等功率抽頭，連同Alamouti策略一 起使用的M頂O-SS (spread spectrum)獲取完全的2L重?cái)?shù)的分集；
[0034] 步驟1. 4. 2 :擴(kuò)頻碼在實(shí)際中不會(huì)有完全的自相關(guān)和互相關(guān)特性，從而導(dǎo)致徑間 和碼間干擾，并且導(dǎo)致信噪比損失；同樣地，協(xié)作多點(diǎn)的分布特性造成的不相等的路徑功率 損耗（在本發(fā)明的場(chǎng)景中不能忽略）或相關(guān)性將帶來(lái)分集損失，當(dāng)采用單碼和多碼操作時(shí) 差異尤為明顯（如圖4所示），其數(shù)學(xué)推導(dǎo)見(jiàn)步驟1. 4. 3。
[0035] 步驟1.4. 3:假定兩個(gè)不同的編碼序列S和參分別由兩個(gè)輸入信號(hào)（Sl，S2)和 (I 1A)產(chǎn)生，其中(Sy S2) # (AJ2)。碼字差別矩陣B分別為
[0036] 單碼： （S)
[0037] 多碼： (6)
[0038] 公式中Ks為碼長(zhǎng)。由于編碼矩陣的行是正交的，因此碼字差別矩陣也是正交的。 碼字距離矩陣A可以表示為
[0039] 單碼：
[0040]
C 7)
[0041] 多碼：
(8)
[0042] 由碼字距離矩陣A可以推導(dǎo)慢瑞利衰落信道上的擴(kuò)頻空時(shí)編碼系統(tǒng)差錯(cuò)概率，其 成對(duì)差錯(cuò)概率可以表示為
[0043]
C9)
[0044] 4(5 j)為碼字之間的最小平方歐氏距離：
[0045] 單碼： CN 105137463 A I兄明書(shū) 5/6 頁(yè)
(10)
[0046] 多碼：
[0047]
(11)
[0048] 公式中Θ是信號(hào)調(diào)制角度。
[0049] 步驟1. 4. 4 :根據(jù)上述分析，將信號(hào)功率的不平衡特性主要賦予擴(kuò)頻碼的幅度，由 成對(duì)差錯(cuò)概率與最小平方歐氏距離的關(guān)系可見(jiàn)，多碼系統(tǒng)的成對(duì)差錯(cuò)概率在路徑損耗不平 衡（ Cl>>C2)的情況下將大幅小于單碼系統(tǒng)，因此，本發(fā)明的空時(shí)擴(kuò)頻編碼采用多碼擴(kuò)頻進(jìn) 行。
[0050] 本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)越性在于：在不增大定位信號(hào)發(fā)射功率的情況下提高 信號(hào)增益，從而在保障抗干擾能力的前提