基于虚拟智能天线/Rake接收技术的室内北斗卫星信号处理方法研究

Indoor Beidou satellite signal processing is very difficulty, and satellite navigation techniques can not meet the LBS needs at present. The Project, combined with smart antenna and Rake diversity reception technique, proposed an indoor BDS satellite signal processing scheme based on 2D-Rake which is from single-antenna movement forming virtual smart antenna. Using of signal sparsity characteristics, explored blind source separation techniques based on independent component analysis to complete the blind estimation of the Direction of Arrival(DOA) for indoor Beidou satellite singnal. Research on beamforming method based on sub-space oblique project,and modeling a relevant carrier to noise ratio to constraints weights optimized, improve the quality of the array output signal. Research on dynamic programming theory's adaptability when it is used in the BDS signal synchronization; study based on the theory of dynamic programming and fuzzy control fading memory adaptive filtering theory combined indeeply to complete signal tracking technology, it is to respond to environmental noise uncertainty and resolve signal reception problems when a receiver startup in the indoor environment. The subject come from the contradiction that existing technology can not meet the actual demand, these research works will be significance for satellite navigation indoor positioning theory and technology, and lay the theoretical foundation for promoting satellite navigation applications.

针对室内北斗卫星信号处理困难、不能完全满足导航与位置服务需求的矛盾，本课题结合智能天线抗干扰与Rake分集接收的增益获取优势，对单天线运动形成虚拟智能天线的2D-Rake室内北斗卫星信号处理技术展开研究。利用估计信号具有稀疏性的特点，探索基于独立分量分析的盲源分离技术，解决室内环境下北斗卫星信号波达方向的盲估计问题；研究基于子空间斜投影的波束形成方法，并建立以相关后载噪比为约束条件的阵列权值优化数学模型，提高阵列输出的信号质量；深入分析动态规划理论在北斗信号Rake处理环节的位同步适应性，研究基于动态规划理论和模糊控制渐消记忆自适应滤波理论相结合的信号跟踪技术，应对环境噪声的不确定性、解决接收机开机处于室内环境时的信号跟踪问题。本课题的提出源于现有技术无法满足实际应用需求的矛盾，课题的研究对卫星导航室内定位相关理论技术的发展具有重要意义，为促进导航与位置服务的进一步深化奠定理论基础。

本课题针对室内应用环境，如市区、森林、山谷等卫星导航应用易产生多径信号衰减及其他干扰，影响可用性和精度的问题，引入虚拟智能天线的思想展开研究，主要研究内容和结论如下：. 建立了室内北斗卫星信号模型，从室内信号分布特性的角度验证了模型的合理性，并完成了阵列信号接收模型的建立；突破了独立分量分析与压缩感知理论对北斗卫星信号的DOA进行盲估计的关键技术，所设计的DOA盲估计方案不仅能够避免传统的空间平滑带来的子空间秩亏问题，且适应于天线数量小于信源数量的欠定盲估计情形，即使在采样数很少的情况下，相同的估计精度，新方法的灵敏度也比传统算法高10dB左右，丰富了北斗DOA估计理论。. 分析了子空间正交投影抗干扰原理，设计了基于信号和噪声子空间的斜投影方案，深入剖析了斜投影方案的数学模型和理论机理，建立了后相关载噪比优化权值方案。仿真研究验证了该方案与传统的功率倒置法和子空间正交投影方法的优势，证实了子空间斜投影方案在保留有用信号方面具有一定的优势，相同的输入条件下比正交投影性能提高1-2 dB，为北斗抗干扰性能优化提供了新的思路。. 建立了动态规划寻找数据位边界的数学模型，并提出了基于模糊逻辑的渐消记忆自适应卡尔曼跟踪的串行和并行两种同时兼顾位同步和长积分跟踪需求的位同步跟踪方法。结果表明，即使在20dB-Hz的微弱信号环境下也能够达到100%的位边缘检测率。位同步联合跟踪器的测试表明，对于18 dB-Hz的微弱信号环境，方案仍然能够顺利地估计出重要的载波参数，这对解决开机处于室内环境的信号跟踪是一种非常有效的解决方案。. 考虑到室内环境多径信道的复杂性，本课题还研究了在脉冲干扰信道下的室内短多径抑制技术，提出了一类新的多径干扰自适应滤波抑制方法，结果表明，该方法不仅能够准确地估计出脉冲干扰环境下的短延时多径参数，同时也完全适用于高斯信道，性能明显优于常规的迭代最小二乘方法，且计算量只是略有增加，几乎可以忽略不计，具有重要的现实意义。