張　衡，李雅寧，甘興利，祝瑞輝，黃　璐

(衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0　引言

在GNSS導航信號受到遮擋嚴重的區(qū)域，偽衛(wèi)星定位技術可以有效改善用戶接收機的定位精度。但是在實際工作中，由于偽衛(wèi)星自身及所處位置周圍環(huán)境的影響，偽衛(wèi)星信號的多徑效應問題一直不容忽視[1-3]。馬煦、田冰和張磊等人對多徑問題進行了簡單分析，但偽衛(wèi)星設備固定在選擇好的已知位置上，其產生的多路徑信號通常很難進行減緩消除[4，5]，而且隨著偽衛(wèi)星與接收機之間位置的不同，周圍環(huán)境的變化或人與動物的附近活動等，多路徑的影響結果存在很大差異[6-8]。現(xiàn)有的多徑抑制技術如國防科大、西工大等主要針對衛(wèi)星信號[9-11]，關于偽衛(wèi)星的多徑抑制技術有AOA技術[12]、多天線技術、實時差分技術、載波相位檢測技術[13-15]和濾波技術[16]等，但均主要針對室外偽衛(wèi)星定位，在室內更為復雜的信號環(huán)境中還未涉及。

因此，以室內信號的傳播特性為出發(fā)點，針對室內多種典型環(huán)境下的偽衛(wèi)星信號多徑特性進行分析，并對結果進行比較，對明確未來的多徑消除重點與策略具有重要意義。

1　多徑特性

通常，接收機在接收衛(wèi)星信號時，收到的不只有來自衛(wèi)星的直播信號，還有經過周圍各種介質N次反射后的信號。這些信號會干擾接收機信號使測量值產生多徑偏差，其反射信號對真實信號的干擾大小隨周圍環(huán)境的變化而變化，一般難以人為控制[6-10]。由于偽衛(wèi)星自身的一些特性，與GNSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，多徑效應相對更加復雜，主要特性如下：

① 偽衛(wèi)星設備安裝位置比較固定，不會實時變動，其多徑信號具有較強的相關性。此時，如果接收機進行單點靜態(tài)定位，多徑信號通常會造成一個常值偏差且很難消除。

② 多徑來源復雜。Ford等研究者的研究表明，接收機接收到的多徑信號主要來源于2個方面：一是偽衛(wèi)星信號傳播過程中存在的反射、折射和衍射等形成的干擾；二是來源于偽衛(wèi)星天線自身，并非全部偽衛(wèi)星信號都能到達接收機，仍有極小部分的電磁波會被自身反射到接收機，造成接收機的接收信號發(fā)生畸變。

③ 信號功率強。由于偽衛(wèi)星與接收機之間的間距相對較近，因此偽衛(wèi)星的多徑干擾比GNSS衛(wèi)星信號強得多，相對更難消除。

2　場景建模與測試分析

針對上述介紹的偽衛(wèi)星多徑效應的復雜性，利用Wireless Insite電磁仿真軟件強大的信號傳播仿真能力，對室內的多種場景進行建模仿真，具體分析多場景下的偽衛(wèi)星信號的多徑特性。

2.1　辦公室場景

辦公室場景描述的是空間尺度較小的室內場景，現(xiàn)以辦公室這一典型應用環(huán)境為例，對其進行環(huán)境建模。各項參數(shù)設置如下：每間辦公室長8 m，寬7 m，高3 m，屋頂和隔墻的材質設為石膏板，屋內辦公桌材質設為金屬，屋內隔間材質為塑料，沙發(fā)靠椅材質設為紡織物，窗戶材質設為玻璃(其中，墻壁材質為混凝土，介電常數(shù)為5，電導率為0.015；書桌材質為金屬，介電常數(shù)與電導率為∞；沙發(fā)桌椅材質為紡織物，介電常數(shù)為2，電導率為0)；偽衛(wèi)星收發(fā)天線類型為全向天線，極化方式為右旋圓極化；場景內無其他障礙物，在忽略人員移動的情況下，環(huán)境布設視為恒定。簡化的辦公室模型俯視圖和三維空間場景如圖1所示。

偽衛(wèi)星發(fā)射點的高度與屋頂一致，設為3 m。發(fā)射的信號為正弦信號，頻率為1 575.42 MHz。偽衛(wèi)星信號發(fā)射功率設為4 dBm。

圖1　辦公室場景

為了得到一般統(tǒng)計規(guī)律，接收點的設置理應遍歷模型空間，但受仿真條件的限制，不能逐個點進行討論，現(xiàn)分別選取3個典型位置：同一屋內同一隔間、同一屋內不同隔間(軟分隔)和隔壁屋內(硬分隔)進行仿真計算，如圖2、圖3和圖4所示?？紤]到人體手持接收裝置的高度，4個接收點高度均設為1 m。

對比RX1、RX2和RX3處的到達射線情況可以看出，接收點RX1、RX2處的到達多徑數(shù)量繁多，并且隨著距離的增大，多徑數(shù)量有減少的趨勢；Rx3處到達射線數(shù)量大幅度減少并且能量微弱。隔墻對于偽衛(wèi)星信號的阻礙作用是非常顯著的，因此偽衛(wèi)星應用于室內定位時應盡量確保參與定位的偽衛(wèi)星設備與待定位區(qū)域在同一室內，從而避免墻壁對信號帶來極大衰減。

2.2　大廳、走廊場景

大廳、走廊場景描述的是空間尺度較大的室內場景。各項參數(shù)設置如下：大廳長25 m，寬16 m，高3 m，屋頂和隔墻的材質設為石膏板，屋內辦公桌材質設為金屬，屋內隔間材質為塑料，沙發(fā)靠椅材質設為紡織物，窗戶材質為玻璃，材質與2.1節(jié)相同；偽衛(wèi)星收發(fā)天線類型為全向天線，極化方式為右旋圓極化；場景內無其他障礙物，在忽略人員移動的情況下，環(huán)境布設視為恒定。

偽衛(wèi)星布設在大廳的4個角，發(fā)射點的高度與屋頂一致，設為3 m。發(fā)射的信號為正弦信號，頻率為1 575.42 Mhz。偽衛(wèi)星信號發(fā)射功率設為4 dBm。

圖2　RX1接收的多徑信號

圖3　RX2接收的多徑信號

圖4　RX3接收的多徑信號

接收機位置點現(xiàn)分別選取3個典型位置(如圖5中黑色圓點所示)進行仿真計算，考慮到人體手持接收裝置的高度，4個接收點高度均設為1 m。現(xiàn)以Rx1和位于大廳中間的Rx2兩點作為代表進行分析。

圖5　大廳、走廊場景

針對4顆偽衛(wèi)星到達Rx1接收機的路徑傳播信號如圖6所示。由圖6可知，接收機處的多徑現(xiàn)象相對復雜，反射和衍射點主要集中在接收機附近區(qū)域。當接收機接收到的直射信號Pd和間接信號Pid強度較為明顯時，通?？梢酝ㄟ^一定技術識別出直射信號。Rx1 Pm的概率密度率分布如圖7所示，圖7中依次列出了每顆偽衛(wèi)星在接收機Rx1處的直射信號與間接信號強度差Pm的概率分布圖，假設當差為4 dB時可以將直射信號識別出，則由圖7中陰影區(qū)域的概率值發(fā)現(xiàn)，從信號強度上難以識別的多徑信號僅占10%左右。

圖6　Rx1接收的多徑信號

圖7　Rx1 Pm的概率密度率分布

同樣，與上述類似，Rx2接收的多徑信號圖如圖8所示。圖中Rx2處的多徑信號盡管也相對復雜，但到達Rx2處的多徑信號功率整體偏低。Rx2 Pm的概率分布如圖9所示，需要區(qū)分的多徑信號相對較少，僅占整體多徑信號的2%左右。

圖8　Rx2接收的多徑信號

圖9　Rx2 Pm的概率分布

2.3　場景實測分析

為了進一步驗證多徑信號對測量值的影響，場景設置如下：偽衛(wèi)星同時播發(fā)L1、B1信號，功率為66 dBm，室內人員正常來回走動，環(huán)境布設基本恒定。Rx1點多徑對測量值影響如圖10所示。

圖10　Rx1點多徑對測量值影響

由圖10可得，Rx1點接收到的多個信號的測量值受多徑影響大致在±2 m范圍內，與Rx2相比波動范圍較大。由仿真分析可得，應該是Rx1放置在墻角處，受墻的反射信號較強且比較復雜，同時辦公人員距離較近，辦公人員的走動造成多徑對測量值的影響。

Rx2點多徑對測量值影響如圖11所示。由圖11可以發(fā)現(xiàn)，多徑影響明顯好于Rx2，測量誤差最大波動在±1 m。分析原因，Rx2位于大廳中間走廊位置，四周相對空曠，通過墻體等反射的多徑信號強度相對較弱，對對直射信號的影響較小。

圖11　Rx2點多徑對測量值影響

6個測試點的測量誤差均方值如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在實測過程中，室內的多徑影響測量誤差與室外測試相差不大，在某些測試區(qū)域甚至優(yōu)于室外的多徑影響誤差值。

表1不同場景的多徑的平均值統(tǒng)計表

位置與環(huán)境RMS/m實驗臺工作桌面0.518 5實驗臺儀器桌面0.310 5實驗室窗口位置0.795 3實驗大廳中間走廊位置0.374 0實驗樓室外樓頂測試0.217 9實驗樓室外樓頂接天上信號測試0.453 8

3　結束語

通過分析上述多種場景下偽衛(wèi)星多徑信號傳播特性，可以得出以下結論：① 室內環(huán)境的復雜性是多徑信號更為嚴重的主要原因，但由于多次的折射、反射等，多徑信號衰減很快，絕大多數(shù)多徑信號可以消除，不會對接收機產生影響；② 多徑影響的大小與室內位置點附近的環(huán)境有關，應當針對不同的環(huán)境采取不同的多徑減緩措施；③ 接收機多徑抑制技術的研究應當集中在小概率發(fā)生的部分。

本文的研究指出了室內偽衛(wèi)星抗多徑技術的工作重點和實現(xiàn)室內高精度定位的可行性。對于當前的室內外無縫定位建設具有重要意義。同時，為適應任何復雜環(huán)境下的多徑影響，如何實現(xiàn)很難識別的小部分多徑信號消除是當前研究面臨的重要問題。