尹子明，陳明劍，劉天恒，閆建巧，汪 威

（1.解放軍信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

基于三頻信噪比的北斗多路徑檢測(cè)

尹子明1，陳明劍1，劉天恒1，閆建巧1，汪 威1

（1.解放軍信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

在觀測(cè)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，根據(jù)多路徑信號(hào)相對(duì)于直接信號(hào)的滯后情況，多路徑干擾對(duì)載波、偽距觀測(cè)值產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）會(huì)產(chǎn)生相似的影響。由于載波相位滯后大小與頻率相關(guān)，同樣信噪比在每個(gè)頻率上的擾動(dòng)是也不同的。提出一種利用在觀測(cè)環(huán)境良好的情況下獲得的信噪比差分結(jié)果建立一個(gè)統(tǒng)計(jì)閾值，通過比較測(cè)量過程中信噪比的差分值與該閾值的大小關(guān)系來檢測(cè)北斗多路徑的方法。靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明，該方法對(duì)于檢驗(yàn)多路徑影響具有較高的準(zhǔn)確性和可行性。

信噪比；多路徑；北斗

中國獨(dú)立研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou navigation satellite system，BDS）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)東南亞地區(qū)的導(dǎo)航定位服務(wù)全覆蓋。衛(wèi)星數(shù)量的增加、衛(wèi)星信號(hào)頻率的增加以及衛(wèi)星信號(hào)合成方式的優(yōu)化等因素使靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量精度不斷提高。北斗導(dǎo)航定位中大部分的誤差可以通過改進(jìn)儀器、建模、濾波和差分等技術(shù)進(jìn)行有效的改正，但對(duì)于多路徑的處理效果并不十分理想。因此，在衛(wèi)星測(cè)量和導(dǎo)航應(yīng)用中多路徑仍然是一個(gè)大的誤差來源?；谌l信噪比的北斗多路徑檢測(cè)能夠有效地對(duì)多路徑影響進(jìn)行檢測(cè)。它的工作原理是同一路徑的多路徑干擾對(duì)于不同頻率的信號(hào)影響是不同的[1]。實(shí)驗(yàn)表明它對(duì)于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)觀測(cè)都具有很好的適應(yīng)性。

1 現(xiàn)在的多路徑抑制技術(shù)

目前，多路徑抑制主要技術(shù)可以分為3類：基于天線的，基于接收器的和基于導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，許多種多路徑抑制技術(shù)已經(jīng)有了很好的發(fā)展和應(yīng)用。

首先，天線系統(tǒng)可以通過增加抑徑板或抑徑圈、扼流圈等來抑制地面反射或低仰角散射的衛(wèi)星信號(hào)干擾直接進(jìn)入天線的信號(hào)，天線的增益模式可以設(shè)計(jì)成只接收右旋圓極化信號(hào)來抑制多路徑信號(hào)[2]。同樣，通過使用陣列天線利用空余自由度也可以有效地抑制多路徑信號(hào)。然而，這就需要將復(fù)雜且笨重的設(shè)備附加到用戶的天線上，所以該方法對(duì)于對(duì)許多應(yīng)用來說是不可行的。接收機(jī)的多徑抑制技術(shù)一般通過接收機(jī)的設(shè)計(jì)增加碼鑒別器的分辨率，使它更容易區(qū)分直接和反射信號(hào)。雙三角和選通相關(guān)等技術(shù)都減少了大路徑延遲的多徑干擾的碼跟蹤誤差[3]。在數(shù)據(jù)解算過程中也可以削弱多路徑誤差。多路徑信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不一致的位置解，因此，在數(shù)據(jù)解算時(shí)僅使用位置解一致的信號(hào)[4]。每一種技術(shù)都在一定程度上削弱了多路徑對(duì)導(dǎo)航定位結(jié)果的影響，但它們對(duì)于復(fù)雜多變的觀測(cè)環(huán)境的適應(yīng)能力都還有所欠缺，抑制效果不理想。而基于三頻信噪比的北斗多路徑檢測(cè)方法能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的觀測(cè)環(huán)境。

2 利用信噪比檢測(cè)多路徑

2.1 偽距多路徑誤差

偽距多路徑反映天線周圍各種反射、散射、衍射等非直接信號(hào)的疊加影響，它受到天線周圍環(huán)境、衛(wèi)星高度角等因素的影響。多路徑效應(yīng)不僅具有一定周期性，而且具有隨機(jī)噪聲的一些特征，無法將其與噪聲完全分開。多路徑效應(yīng)對(duì)偽距測(cè)量的影響更大，可以用處理后載波來替代站星距離，因此偽距多路徑效應(yīng)可以用偽距、載波相位觀測(cè)值和整周模糊度來表示[5]：

式中，MP1、MP2、MP3表示頻點(diǎn)B1、B2、B3偽距的多路徑效應(yīng)；P1、P2、P3表示偽距；φ1、φ2、φ3表示載波相位觀測(cè)值；N1、N2、N3代表整周模糊度；f1、f2、f3為頻點(diǎn)B1、B2、B3的頻率。

2.2 多路徑與SNR的相關(guān)性

信噪比通常是通過測(cè)量噪聲信號(hào)的幅度換算出來的。GNSS接收機(jī)的輸出信噪比通常是載波功率與噪聲密度比的近似，即C/N0。SNR主要受衛(wèi)星發(fā)射機(jī)增益SS，地面接收機(jī)增益SR，接收機(jī)與衛(wèi)星之間的幾何距離r，電離層介質(zhì)衰減SI，接收機(jī)處的仰角SA等5個(gè)方面的影響[6-7]。由此可以得出：

式中，SS和SR為常量；SVI為衛(wèi)星信號(hào)垂直穿過電離層時(shí)對(duì)信噪比的衰減；α為衛(wèi)星的高度角。由式（5）可知，在忽略多路徑信號(hào)影響的情況下，接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號(hào)的SNR主要與衛(wèi)星信號(hào)的頻率和衛(wèi)星的高度角有關(guān)。

而在實(shí)際測(cè)量過程中，GNSS接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)是直接信號(hào)、多路徑信號(hào)以及其他噪聲信號(hào)的合成信號(hào)。信號(hào)可以表示為：

式中，r為信號(hào)振幅；Ae為信號(hào)相位；jφ為單位復(fù)數(shù)。

式中，rc是接收機(jī)接收到的合成信號(hào)；rd是直接信號(hào)；rm是相關(guān)碼后的反射信號(hào)（多路徑信號(hào)）；Aα天線增益，與接收機(jī)與衛(wèi)星之間的相對(duì)位置等因素有關(guān)；δφ為多路徑信號(hào)對(duì)直接信號(hào)的相位的偏移量[7]。

由式（7）和式（8）可得：

由于每一條多路徑信號(hào)的功率相比較直接信號(hào)都比較小，即αi較小，所以：

由式（10）可知，不同觀測(cè)環(huán)境的多路徑信號(hào)對(duì)于直接衛(wèi)星信號(hào)的振幅和相位會(huì)產(chǎn)生不同的影響，導(dǎo)致接收機(jī)測(cè)量的信號(hào)比、載波、偽距值發(fā)生偏移。載波相位、偽距誤差變化的周期與SNR的變化周期是相同的。多路徑信號(hào)能夠?qū)χ苯有盘?hào)產(chǎn)生影響，信噪比會(huì)隨著多徑信號(hào)的變化而變化。信噪比震蕩變化的幅度、載波相位多路徑誤差、偽距多路徑誤差都取決于多路徑的相位延遲以及直接信號(hào)和多徑信號(hào)的能量強(qiáng)度。

多路徑信號(hào)是導(dǎo)致SNR偏離正常值的原因之一，衛(wèi)星功率變化、其他電磁信號(hào)干擾等因素也會(huì)導(dǎo)致SNR偏離正常值。但衛(wèi)星功率變化、衰減等因素對(duì)某顆衛(wèi)星發(fā)出的所有信號(hào)有類似的影響，而干涉、干擾等對(duì)同一衛(wèi)星發(fā)出的不同頻率的信號(hào)有不同的影響。因此，多路徑信號(hào)對(duì)直接信號(hào)產(chǎn)生的多路徑影響與直接信號(hào)的頻率相關(guān)，并且多路徑影響對(duì)同一時(shí)間不同頻率的載波相位、偽距和SNR觀測(cè)值的影響是不同的。這是能夠根據(jù)SNR實(shí)時(shí)檢測(cè)多路徑延遲的依據(jù)。

2.3 多徑檢測(cè)器

在實(shí)際觀測(cè)環(huán)境中難以獲取不含多路徑影響的載波相位、偽距和SNR觀測(cè)值，因此本方法將利用良好觀測(cè)環(huán)境下采集的數(shù)據(jù)來建立多路徑影響檢測(cè)控制器[8]。由上文可知，多路徑信號(hào)對(duì)同一衛(wèi)星發(fā)出的不同頻率的信號(hào)有不同的影響，所以可以利用同一觀測(cè)時(shí)刻不同頻率的SNR差分值來建立統(tǒng)計(jì)量S，如式（11）。用良好觀測(cè)環(huán)境下采集的SNR值計(jì)算統(tǒng)計(jì)量S，T為良好觀測(cè)條件下的S的3倍標(biāo)準(zhǔn)差，作為外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)檢測(cè)多路徑的影響的閾值T。閾值T的大小主要與衛(wèi)星以及衛(wèi)星高度角有關(guān)。

式中，S1、S2、S3分別為頻點(diǎn)B1、B2、B3的信噪比，為在良好環(huán)境下觀測(cè)到的衛(wèi)星高度角為θ時(shí)S1-S2、S1-S3的統(tǒng)計(jì)擬合值。

3 實(shí)例分析

3.1 建立檢測(cè)器

本次實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備為中海達(dá) VNET 8，衛(wèi)星截止高度角為5°。使用在良好觀測(cè)環(huán)境下1 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算用于檢測(cè)多路徑影響的統(tǒng)計(jì)量S，作為檢驗(yàn)多徑影響的閾值T。本文以C14號(hào)衛(wèi)星為例，計(jì)算及其標(biāo)準(zhǔn)差。通過多項(xiàng)式擬合可得：

多項(xiàng)式對(duì)C14號(hào)衛(wèi)星的原始SNR數(shù)據(jù)的擬合情況如圖 1所示。由式（11）、（12）以及（13）可得用于檢驗(yàn)的閾值3σ。

式中，θPRN為衛(wèi)星號(hào)為PRN的衛(wèi)星高度角，單位為（°）。圖2反映了C14號(hào)衛(wèi)星信噪比差分量S與閾值比較情況以及與多路徑的對(duì)比情況。

圖1 多項(xiàng)式擬合數(shù)據(jù)情況

圖2 良好觀測(cè)環(huán)境下閾值檢驗(yàn)情況

圖3 測(cè)量作業(yè)觀測(cè)環(huán)境下閾值檢驗(yàn)情況

3.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

靜態(tài)數(shù)據(jù)采集是在龍海地區(qū)，從圖 3可以看出，測(cè)站所在位置多路徑干擾較高，且有較強(qiáng)的電磁干擾。在前6 000 s，多路徑值振蕩變化范圍比較大，受到的多徑干擾較大。這是由于衛(wèi)星的高度角比較小。后來，衛(wèi)星上升到較高的高度角，多路徑的影響也迅速變小。但在第8 000 s左右的一段時(shí)間內(nèi)偽距多路徑值出現(xiàn)了較大的偏移，這可能是由于受到了電磁干擾等因素的影響。

從圖 3可以看出，基于信噪比的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)和多路徑值的大小變化有很強(qiáng)的相關(guān)性。在前4 000 s多路徑值較大，檢測(cè)量S大部分都大于閾值3σ。在第5 000 s左右，衛(wèi)星高度角較高，大于40°，在5 100 s附近多路徑仍出現(xiàn)了較大幅度的偏移，信噪比的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量也出現(xiàn)較大值，這是由其他電磁信號(hào)干擾導(dǎo)致的。因此，該方法能夠較好地檢驗(yàn)多路徑對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，但對(duì)于區(qū)分影響衛(wèi)星數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果的因素還具有一定的局限性。

3.3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析

許多全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位、導(dǎo)航提出了更多的需求和要求。因此，基于三頻信噪比的北斗多路徑檢測(cè)也在動(dòng)態(tài)情況下進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)是在信息工程大學(xué)校區(qū)內(nèi)由北到南進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，速度約為10 km/h，經(jīng)過宿舍樓、草坪、教學(xué)樓、人工湖等，該路線包含了各種高多路徑觀測(cè)環(huán)境和良好觀測(cè)環(huán)境。

對(duì)C04、C09衛(wèi)星建立同樣的閾值T。北斗衛(wèi)星C09、C14高度角變化范圍在40°到70°，而C04的高度角較低，只有26°左右。從圖 4、5、6可以看出，C04的多路徑影響總體要比C09和C14的都要大，同樣信噪比的統(tǒng)計(jì)量分布也更分散。

C04、C09、C14分別為GEO、IGSO、MEO衛(wèi)星，從圖 4、5、6可以看出，在2 500 s到3 500 s這段時(shí)間內(nèi)有較為嚴(yán)重的失鎖現(xiàn)象，這在MP值和信噪比統(tǒng)計(jì)量上都能夠體現(xiàn)在出來。在時(shí)間為1 000 s、2 400 s、3 700 s和5 000 s時(shí)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量S和多路徑MP的峰值是一致的。通過對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中各種類型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明，該方法對(duì)于動(dòng)態(tài)檢測(cè)測(cè)量環(huán)境對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響是可行的。

圖4 C04實(shí)時(shí)信噪比檢測(cè)情況

圖5 C09實(shí)時(shí)信噪比檢測(cè)情況

圖6 C14實(shí)時(shí)信噪比檢測(cè)情況

4 結(jié) 語

本文研究的多路徑檢測(cè)方法的原理是在測(cè)量的過程中多路徑干擾對(duì)于不同頻率同一時(shí)刻的信噪比、載波相位多路徑、偽距多路徑的影響存在差異。通過靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，說明該方法對(duì)于檢驗(yàn)BDS各類型衛(wèi)星的數(shù)據(jù)信號(hào)的多路徑影響具有較高的準(zhǔn)確性和可行性，能夠適用于各種觀測(cè)環(huán)境的多路徑影響檢測(cè)，反映包含反射、散射等多種形式的多徑信號(hào)影響，同時(shí)也能夠反映電磁干擾信號(hào)對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響。

當(dāng)多路徑影響被檢測(cè)到，應(yīng)該削弱或消除它對(duì)數(shù)據(jù)解算結(jié)果的影響。檢測(cè)結(jié)果可以作為在數(shù)據(jù)處理過程中設(shè)置觀測(cè)值權(quán)重的依據(jù)，這不僅取決于其受多路徑影響的嚴(yán)重性，還取決于來自其他衛(wèi)星可用信號(hào)的質(zhì)量。因此如何減少或消除異常數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)解算結(jié)果的影響是以后研究的重要問題。

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P228

B

1672-4623（2017）02-0026-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.008

2015-12-07。

項(xiàng)目來源：裝備預(yù)研基金資助項(xiàng)目（9140A24011314JB52001）。

尹子明，碩士生，研究方向?yàn)楦呔刃l(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)及應(yīng)用。