(解放軍61081部隊(duì)，北京 100094)

1 引 言

多徑干擾信號(hào)是影響全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素之一,不僅會(huì)使調(diào)制到導(dǎo)航信號(hào)上的偽碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)失真，而且還會(huì)使載波相位發(fā)生畸變；多徑信號(hào)直接影響GNSS接收機(jī)的偽碼測(cè)距、載波相位和多普勒等觀測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量降低；在最壞的情況下，多路徑信號(hào)甚至?xí)?dǎo)致接收機(jī)跟蹤環(huán)路的失鎖。為降低多徑干擾信號(hào)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，GNSS接收機(jī)需采取一定多徑抑制措施。在射頻端可采用扼流圈或烽火輪技術(shù)的抗多徑天線抑制低仰角多徑信號(hào)的入射，在基帶信號(hào)處理端可采用如窄相關(guān)、MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)、PAC(Pulse Aperture Correlator)等多徑抑制算法抑制多徑誤差。但是，這些技術(shù)對(duì)短延遲多徑信號(hào)的抑制效果都不是很理想。

2 多徑信號(hào)特性

多徑信號(hào)是指GNSS接收機(jī)在接收衛(wèi)星發(fā)射的直達(dá)導(dǎo)航信號(hào)的同時(shí)還接收到其它各種間接信號(hào)，間接信號(hào)對(duì)直達(dá)信號(hào)的干涉會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)測(cè)量誤差，這種間接信號(hào)即為多徑信號(hào)。多徑信號(hào)主要由地面和天線周圍物體的反射、導(dǎo)航衛(wèi)星星體反射、因大氣層傳播介質(zhì)散射三方面形成，在這3種多徑信號(hào)中，以地面和天線周圍物體反射的多徑信號(hào)為主，本文主要討論此類多徑信號(hào)。

對(duì)于偽距測(cè)量，多徑信號(hào)會(huì)使相關(guān)函數(shù)發(fā)生變形，影響GNSS接收機(jī)的準(zhǔn)確測(cè)量。在沒有多徑信號(hào)影響，接收機(jī)只接收直達(dá)信號(hào)的情況下，接收機(jī)相關(guān)函數(shù)是一個(gè)典型的對(duì)稱等腰三角形。當(dāng)存在多徑信號(hào)時(shí)，在相關(guān)函數(shù)上會(huì)產(chǎn)生副峰，導(dǎo)致早相關(guān)器和晚相關(guān)器采樣點(diǎn)的中心可能并不是信號(hào)到達(dá)的真正時(shí)間。一般來說，多徑信號(hào)對(duì)偽距測(cè)量的影響主要取決于多徑信號(hào)相對(duì)直達(dá)信號(hào)的延遲、幅度和相位參數(shù)。通常情況下，多徑信號(hào)是經(jīng)過地面或周圍物體反射后進(jìn)入接收機(jī)的，因此，多徑信號(hào)相對(duì)于直達(dá)信號(hào)都存在一定的時(shí)間延遲，并且信號(hào)幅度會(huì)減弱。但多徑信號(hào)相對(duì)直達(dá)信號(hào)的相位關(guān)系卻是隨機(jī)的：同相或反相。從相位關(guān)系的角度分析，當(dāng)多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)同相時(shí)，此多徑信號(hào)就會(huì)對(duì)直達(dá)信號(hào)產(chǎn)生相長(zhǎng)性干擾，使直達(dá)信號(hào)增強(qiáng)，多徑信號(hào)造成的延遲相關(guān)峰會(huì)疊加到直接峰上；當(dāng)多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)反相時(shí)，多徑信號(hào)對(duì)直達(dá)信號(hào)產(chǎn)生相消性干擾，削減直達(dá)信號(hào)，則直接峰要減去多徑信號(hào)造成的延遲相關(guān)峰。文獻(xiàn)[1]表明，當(dāng)天線場(chǎng)站環(huán)境較好時(shí)，多徑信號(hào)對(duì)偽距測(cè)量造成的誤差為1 m左右；當(dāng)天線場(chǎng)站環(huán)境較差時(shí)，由于多徑信號(hào)較為嚴(yán)重，可能會(huì)造成超過5 m的偽距測(cè)量誤差。

對(duì)于載波相位測(cè)量，假設(shè)接收機(jī)僅收到兩個(gè)信號(hào)：一個(gè)是直達(dá)信號(hào)，一個(gè)是相位偏移ΔΦ和振幅衰減α(α<1)的多徑信號(hào)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，由多徑效應(yīng)引起的載波相位測(cè)量誤差可簡(jiǎn)化為

(1)

從式(1)可知，在最壞情況下載波相位測(cè)量誤差δφ=90°。因此，在多徑信號(hào)幅度小于直接信號(hào)時(shí)，由多徑效應(yīng)引起的載波相位測(cè)量誤差不會(huì)超過載波的1/4周期，即多徑造成在載波相位測(cè)量誤差最大僅為5 cm左右，小于由多徑造成的偽距測(cè)量誤差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相對(duì)于多徑信號(hào)對(duì)偽距測(cè)量的影響，多徑對(duì)載波相位測(cè)量的影響可以忽略不計(jì)。

3 抗多徑技術(shù)

為提高GNSS接收機(jī)的測(cè)量精度，減小多徑效應(yīng)對(duì)接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，接收機(jī)主要從兩個(gè)方面著手：抗多徑天線，通過有效設(shè)計(jì)天線提高高仰角增益，降低低仰角增益；基帶信號(hào)處理，對(duì)多徑誤差造成的畸變相關(guān)峰進(jìn)行適當(dāng)修正或盡可能減少相關(guān)峰的畸變。

3.1 抗多徑天線

GNSS接收天線常用的抗多徑技術(shù)主要包括扼流圈(Choke Ring)技術(shù)和烽火輪(Pinwheel)技術(shù)。

ChokeRing技術(shù)是專門為抑制多徑干擾信號(hào)對(duì)正常信號(hào)的影響而設(shè)計(jì)的一種天線結(jié)構(gòu)，要求天線與扼流圈統(tǒng)一設(shè)計(jì)，天線安裝在扼流圈上。扼流圈是依靠入射波和反射波等幅反相來抵消多徑信號(hào)的，扼流圈的深度與頻率成反比。單頻扼流圈僅對(duì)單頻的多徑信號(hào)起到最佳的抑制作用，而對(duì)相隔較遠(yuǎn)的其它頻段多徑信號(hào)則抑制效果較差。如：?jiǎn)晤l扼流圈在1.2 GHz頻段上的抗多徑能力最大可達(dá)40 dB，而在1.5 GHz頻段上的最大抑制僅能達(dá)到25 dB。要在多個(gè)頻率上同時(shí)獲得較好的抗多徑能力，需設(shè)計(jì)新型的多頻扼流圈，相對(duì)較為復(fù)雜。

Pinwheel技術(shù)是Novtel公司的技術(shù)專利[4]，起初應(yīng)用于GPS接收天線設(shè)計(jì)中。Pinwheel技術(shù)的原理是接收天線饋電點(diǎn)的設(shè)計(jì)上采用多饋源陣列設(shè)計(jì)方案。天線饋電點(diǎn)是指天線與低噪放(LNA)模塊的電氣連接點(diǎn)。普通的天線都是一個(gè)天線只有一個(gè)饋電點(diǎn)，此種天線相位中心穩(wěn)定性差，抗多徑能力較差。采用Pinwheel技術(shù)將天線設(shè)計(jì)為多個(gè)(如12個(gè))饋源接收RF信號(hào)，通過饋源的優(yōu)化排列，使得接收兩個(gè)頻段信號(hào)的物理相位和電氣相位中心能夠同軸，使接收信號(hào)的相位偏差幾乎為0，達(dá)到抑制多徑干擾信號(hào)的目的。同時(shí)，由于兩個(gè)頻段信號(hào)具有穩(wěn)定的同一個(gè)相位中心，因此，采用Pinwheel技術(shù)的天線還具備較好的相位中心穩(wěn)定性的特點(diǎn)。但實(shí)際上Pinwheel技術(shù)的抗多徑能力有限，還需要與扼流圈配合使用才能保證最佳的抗多徑效果。

除以上兩種抗多徑天線技術(shù)，在理論研究的方法中也有用多個(gè)天線組成觀測(cè)陣列，通過數(shù)據(jù)后處理來實(shí)現(xiàn)對(duì)多徑信號(hào)的抑制，但工程應(yīng)用的可行性不高。

3.2 基帶信號(hào)處理

1991年，A.J. VAN Dierendonck博士提出了窄相關(guān)技術(shù)，NovAtel公司利用此項(xiàng)專利技術(shù)不僅使GPS接收機(jī)測(cè)距精度得到提高，也明顯改善了接收機(jī)的抗多徑能力。隨后相繼出現(xiàn)的多徑抑制效果更好的新技術(shù)，如MEDLL、PAC以及Strobe等，都是以窄相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)改進(jìn)而來的。

3.2.1窄相關(guān)技術(shù)

傳統(tǒng)接收機(jī)延遲鎖定環(huán)路(DLL)中，遲-早相關(guān)電路的碼元寬度等于偽碼的碼元寬度，即相關(guān)間距為1.0 chip。遲-早信號(hào)分別超前、滯后準(zhǔn)時(shí)信號(hào)半個(gè)碼元，遲-早相關(guān)的能量表明準(zhǔn)時(shí)信號(hào)與導(dǎo)航信號(hào)“對(duì)齊”程度，當(dāng)兩者能量差為零時(shí)，準(zhǔn)時(shí)相關(guān)信號(hào)的時(shí)延與導(dǎo)航信號(hào)時(shí)延相同，獲得偽距值。

相對(duì)于傳統(tǒng)接收機(jī)DLL環(huán)中采用1.0 chip的相關(guān)間距，減小其間距有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在低速率偽碼(如1.023 MHz或2.046 MHz)的碼跟蹤應(yīng)用中，可以減小由噪聲和多徑所帶來的誤差。一般來說，相關(guān)間距d<1.0 chip稱為窄相關(guān)，多徑誤差減小是因?yàn)檎嚓P(guān)的非相干DLL環(huán)不易受延遲的多徑信號(hào)影響。圖1給出了不同相關(guān)間距下的偽距多徑誤差包絡(luò)曲線，可見，當(dāng)減小相關(guān)間距時(shí)，多徑最大誤差不斷減小，這說明窄相關(guān)對(duì)于碼相位具有多徑抑制作用。相關(guān)間距0.1 chip時(shí)，環(huán)路對(duì)延遲大于1.05 chip和小于0.1 chip的多徑信號(hào)不敏感，對(duì)于延遲在0.1～1.0 chip范圍內(nèi)的多徑信號(hào)，最大誤差不會(huì)超過某一個(gè)固定值(該值為原1.0 chip相關(guān)間距時(shí)的最大誤差的1/10)。事實(shí)上，延遲在1+d/2以上的多徑信號(hào)對(duì)環(huán)路基本無影響。

圖1 偽距多徑誤差包絡(luò)曲線

3.2.2MEDLL技術(shù)

MEDLL技術(shù)是NovAtel公司1995年提出并應(yīng)用到廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)接收機(jī)的專利技術(shù)，它是能夠同時(shí)檢測(cè)和消除多徑的優(yōu)秀算法，不僅能提供高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，也能用于導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，給出整個(gè)相關(guān)函數(shù)的采樣。

MEDLL是建立在統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上的一種抗多徑技術(shù)。如圖2所示，MEDLL采用多個(gè)相關(guān)器得到相關(guān)函數(shù)的多個(gè)采樣值，然后根據(jù)最大似然準(zhǔn)則進(jìn)行迭代計(jì)算。理論上，如果接收機(jī)受到M個(gè)多徑信號(hào)的影響，就需要進(jìn)行M次迭代計(jì)算，但在實(shí)際環(huán)境中，事實(shí)上并不知道存在多少個(gè)多徑信號(hào)，而且M也不是一個(gè)常數(shù)。為避免處理時(shí)間過長(zhǎng)，可以人為地限定M值的大?。辉趯?shí)際測(cè)量環(huán)境中，盡管會(huì)存在多個(gè)多徑信號(hào)，但只有其中的1～2路占主導(dǎo)作用的多徑信號(hào)對(duì)測(cè)量影響較為嚴(yán)重，因此，實(shí)際操作過程中M值一般取值為3或4。在迭代計(jì)算的過程中，MEDLL將多徑信號(hào)考慮在內(nèi)，利用并行通道的窄相關(guān)采樣，估計(jì)出直接信號(hào)和多徑信號(hào)的幅度、延遲和相位，分析延遲最小的信號(hào)，認(rèn)為是直接信號(hào)，其它較大延遲的信號(hào)認(rèn)為是多徑信號(hào)分量被消除。

圖2 MEDLL并行處理通道與多徑誤差包絡(luò)曲線

由于需要處理的信息較多，MEDLL技術(shù)的實(shí)時(shí)性較差，這就決定了MEDLL只能應(yīng)用于多徑變化較為緩慢的場(chǎng)合，如GNSS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站中的監(jiān)測(cè)接收機(jī)等。另外，MEDLL技術(shù)也可用于監(jiān)測(cè)環(huán)境中的多徑情況，作為多徑監(jiān)測(cè)儀使用。

3.2.3Strobe相關(guān)技術(shù)

Strobe相關(guān)技術(shù)是Astech公司提出的專利技術(shù)，相對(duì)于窄相關(guān)技術(shù)只改變傳統(tǒng)GNSS接收機(jī)早-遲兩個(gè)相關(guān)器的相關(guān)間隔，Strobe相關(guān)器則采用了4個(gè)相關(guān)器，鑒相器也做了相應(yīng)的改變。如圖3所示，Strobe鑒相器有兩組相關(guān)器,其中一組為窄相關(guān)，另一組為寬相關(guān)，寬相關(guān)的早-遲相關(guān)器間隔為窄相關(guān)的2倍。假設(shè)E1-L1相關(guān)器組的早-遲相關(guān)間隔為d，則E2-L2相關(guān)器組的相關(guān)間隔就為2d。相關(guān)器輸出的鑒相函數(shù)可以看作是2組超前減滯后窄相關(guān)器的線性函數(shù)，可以通過這2組窄相關(guān)器的相關(guān)函數(shù)來推導(dǎo)Strobe鑒相函數(shù)。延遲大于相關(guān)函數(shù)的有效區(qū)域多徑信號(hào)不會(huì)對(duì)相關(guān)函數(shù)起作用，也就是延遲小于相關(guān)函數(shù)的有效區(qū)域多徑信號(hào)才會(huì)引起鑒相誤差。由于Strobe鑒相器是2組窄相關(guān)器相關(guān)函數(shù)的線性函數(shù)，可以消除更多的多徑信號(hào)。

圖3 Strobe相關(guān)器示意圖與多徑誤差包絡(luò)曲線

與窄相關(guān)技術(shù)類似，對(duì)于Strobe相關(guān)器，多徑引起的碼相跟蹤誤差與相關(guān)器的相關(guān)間隔d、多徑信號(hào)的延遲、相位和幅度參數(shù)有關(guān)，相關(guān)間隔d越小，多徑誤差越小，但相關(guān)間隔也不能無限地變窄；Strobe相關(guān)器比窄相關(guān)技術(shù)有更強(qiáng)的多徑抑制能力，其一個(gè)突出特點(diǎn)是當(dāng)相對(duì)延遲在d≤τ≤Tc-d范圍內(nèi)時(shí)，多徑誤差為0，而在此范圍內(nèi)的窄相關(guān)則具有最大的多徑誤差。

3.2.4PAC技術(shù)

PAC技術(shù)是NovAtel公司的專利技術(shù)，是通過補(bǔ)償相關(guān)三角形的不對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)的一種窄相關(guān)技術(shù)。實(shí)際上，PAC技術(shù)與Strobe相關(guān)技術(shù)的基本思想是一致的，也是利用2組相關(guān)器來實(shí)現(xiàn)的，通過2個(gè)超前相關(guān)器、2個(gè)滯后相關(guān)器和1個(gè)即時(shí)相關(guān)器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對(duì)畸變的相關(guān)峰進(jìn)行補(bǔ)償。其相關(guān)器示意圖和多徑誤差包絡(luò)曲線與Strobe相關(guān)技術(shù)相同。

3.2.5幾種技術(shù)的抗多徑效果比較

從抗多徑效果來看，Strobe相關(guān)技術(shù)、PAC技術(shù)與MEDLL技術(shù)性能接近，但MEDLL技術(shù)能夠提供更多的測(cè)量信息，這些信息對(duì)于監(jiān)測(cè)接收機(jī)是非有用的。MEDLL技術(shù)可以給出整個(gè)相關(guān)函數(shù)的采樣，以判定信號(hào)是否受到干擾。通過直接信號(hào)、多徑信號(hào)的估計(jì)值和殘差，可以判斷存在多少個(gè)多徑信號(hào)、多徑反射點(diǎn)概率位置等，這樣就便于選擇合適的天線安放位置。當(dāng)然，MEDLL也不能完全消除多徑影響，尤其是對(duì)于那些短延遲(小于0.1 chip，對(duì)于2.046 MHz碼來說約為15 m)的多徑信號(hào)是很難估計(jì)的。對(duì)于短延遲的多徑信號(hào)，無論是窄相關(guān)、Strobe相關(guān)，還是MEDLL技術(shù)，都沒有起到改善作用，而短延遲的多徑信號(hào)對(duì)載波相位測(cè)量的影響恰恰較為嚴(yán)重，這一點(diǎn)是信號(hào)處理多徑抑制技術(shù)的局限性。

4 結(jié)束語

高精度的GNSS接收機(jī)往往會(huì)同時(shí)采用抗多徑天線和信號(hào)處理的方法，這樣可以更好地抑制多徑信號(hào)(包括短延遲多徑信號(hào))，但目前還沒有一種技術(shù)能夠非常好地解決接收機(jī)面臨的多徑誤差問題。

多徑信號(hào)產(chǎn)生的根本原因是GNSS信號(hào)的反射，因此，解決接收機(jī)多徑誤差最有效和最基本的措施還是選擇良好的天線安裝場(chǎng)地，盡可能地減少多徑信號(hào)。天線安裝場(chǎng)地應(yīng)遠(yuǎn)離平靜的水面、高大的建筑物或其它對(duì)電磁波有較強(qiáng)反射的物體；相反，天線安裝應(yīng)選擇草叢、深耕田地、稠密森林或其它高度適當(dāng)?shù)挠兄脖坏牡孛?，可以較好地吸收電磁波，減少信號(hào)的反射形成多徑。

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