張夢(mèng)堯，陳熙源

改進(jìn)的MEDLL技術(shù)在多徑誤差估計(jì)中的應(yīng)用

張夢(mèng)堯，陳熙源

（東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院/微慣性儀表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096）

針對(duì)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航和定位應(yīng)用中易出現(xiàn)多路徑誤差的問(wèn)題，在分析多徑效應(yīng)形成和模型基礎(chǔ)上，提出基于改進(jìn)多路徑延遲鎖定環(huán)（MEDLL）技術(shù)的多徑誤差消除方法：設(shè)定接收信號(hào)中最大路徑路數(shù)，并進(jìn)行余量估計(jì)；然后通過(guò)估計(jì)出多路徑信號(hào)的路數(shù)、幅值誤差、傳播延時(shí)和相位偏移，得到直達(dá)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同等定位精度要求條件下，該方法相對(duì)傳統(tǒng)的MEDLL技術(shù)可有效提高直達(dá)信號(hào)估計(jì)效率，縮短所需時(shí)間。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；多路徑效應(yīng)；多路徑消除延遲鎖定技術(shù)；余量估計(jì)；仿真驗(yàn)證

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）作為我國(guó)的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，不僅著眼于我國(guó)國(guó)防安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展等方面，更秉承著“服務(wù)全球，造福人類(lèi)”的原則，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與美國(guó)全球定位系統(tǒng)（global position system, GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）的兼容與互操作。計(jì)劃于2020年建成世界一流的BDS，為全球提供服務(wù)[1]。

而隨著軍用和民用領(lǐng)域?qū)DS的需求不斷增大，對(duì)其性能也提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)高精度應(yīng)用，消除測(cè)量誤差是尤為關(guān)鍵的。

按照誤差來(lái)源進(jìn)行分類(lèi)，BDS的測(cè)量誤差可分為3類(lèi)：第一類(lèi)是與系統(tǒng)有關(guān)的信號(hào)衰減；第二類(lèi)是與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差；第三類(lèi)是與用戶環(huán)境有關(guān)的誤差，如不同程度的多路徑誤差、電磁干擾等[2]。其中，大部分誤差可通過(guò)差分的方式或建立誤差模型來(lái)消除或減小，而由于多路徑誤差隨環(huán)境不斷變化，難以通過(guò)以上方法得到改善[3]。于是，多路徑效應(yīng)造成的誤差已成為BDS高精度應(yīng)用中的重要誤差來(lái)源之一。

在消除或抑制多路徑效應(yīng)方面，早在20世紀(jì)70年代初就有學(xué)者開(kāi)始進(jìn)行研究。1973年，文獻(xiàn)[4]所做的工作一般被認(rèn)為是多路徑研究的基石。在這之后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到多路徑誤差在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中至關(guān)重要，于是展開(kāi)了一系列的研究。

在接收機(jī)信號(hào)處理方面，多年來(lái)，NovAtel公司持續(xù)發(fā)展全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)對(duì)抗多路徑信號(hào)的干擾，主要包括多徑消除技術(shù)（mutipath eliminating technique, MET）[5]、窄相關(guān)器技術(shù)（narrow correlator）[6]、脈沖間隙相關(guān)器技術(shù)（pluse aperture correlator, PAC）[7]、多徑消除延遲鎖定環(huán)（multipath elimination delay locked loop, MEDLL）[8-10]、Vision相關(guān)器[10]等。另外，多路徑干擾的抑制方法還有修正相關(guān)器參考波形法、前沿技術(shù)、基于碼濾波的多路徑效應(yīng)抑制技術(shù)等。

在數(shù)據(jù)后處理技術(shù)上，目前主要使用的方法有滑動(dòng)平均法[11]、信噪比法[12]、多路徑效應(yīng)重復(fù)性法、反射信號(hào)計(jì)算法[13]等。

本文采用多路徑消除延遲鎖定環(huán)技術(shù)，在設(shè)定最大多路徑路數(shù)的情況下進(jìn)行余量估計(jì)，重建直達(dá)信號(hào)，靈活性高。

1 多路徑誤差

1.1 多路徑效應(yīng)的形成

多路徑效應(yīng)指的是接收機(jī)天線附近（如建筑物、樹(shù)木等）發(fā)生衛(wèi)星信號(hào)的反射，使得接收機(jī)接收到除了直達(dá)信號(hào)，還包括該直達(dá)信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)反射波的現(xiàn)象（如圖1所示）。甚至直達(dá)信號(hào)被阻礙，接收機(jī)只接收到多徑信號(hào)的情況也是存在的[14]。

與其他類(lèi)型的誤差不同，多路徑在不同時(shí)間、不同環(huán)境下通常表現(xiàn)出不同的特征，即便是同一個(gè)多路徑，對(duì)于不同設(shè)計(jì)的接收機(jī)也可能有著不同程度的影響。

另外，多路徑具有空間相關(guān)性弱而時(shí)間相關(guān)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而不同接收機(jī)之間的接收機(jī)噪聲不具有任何相關(guān)性。因此，差分的方式不但無(wú)法改善多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)量值的影響，反而可能增大誤差。

圖1 多路徑效應(yīng)示意

所以，碼環(huán)和載波環(huán)的多路徑效應(yīng)研究在高精度應(yīng)用中具有很重要的價(jià)值。

1.2 多路徑效應(yīng)的模型

多路徑效應(yīng)的危害體現(xiàn)在會(huì)使相關(guān)函數(shù)失真，從而降低了碼相位（以及偽距）的測(cè)量精度，有時(shí)強(qiáng)有時(shí)弱的疊加波信號(hào)，還可導(dǎo)致碼相位失鎖和衛(wèi)星信號(hào)失鎖。

2 多路徑消除延遲鎖定環(huán)技術(shù)

2.1 算法原理

多徑信號(hào)會(huì)使得相關(guān)函數(shù)曲線失真，疊加后的相關(guān)函數(shù)曲線量出現(xiàn)畸變。而多徑消除延遲鎖定環(huán)技術(shù)（MEDLL）指的是使用多個(gè)相關(guān)器來(lái)處理信號(hào)進(jìn)而得到多個(gè)相關(guān)函數(shù)的采樣值[16]。

相關(guān)函數(shù)值為

然后采用迭代法對(duì)式（7）進(jìn)行求解，得到3個(gè)參數(shù)[17]。

2.2 改進(jìn)算法流程

圖2 MEDLL算法流程

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 多路徑信號(hào)個(gè)數(shù)的計(jì)算

由于接收信號(hào)中所包含的多路徑信號(hào)路數(shù)未知，所以在該算法中首先需要估計(jì)多路徑信號(hào)的路數(shù)。使用Hilbert變換求取最大路數(shù)的過(guò)程如圖3所示。

圖3 使用Hilbert求取最大路數(shù)

式中為延遲窗口。

3.2 仿真結(jié)果

構(gòu)造直達(dá)信號(hào)和多路徑信號(hào)，進(jìn)行MEDLL多路徑分解。以下采用3路多路徑信號(hào)為例。

圖4 相關(guān)函數(shù)曲線

圖5 誤差對(duì)相關(guān)函數(shù)值的影響

圖6 3路多路徑情況下的相關(guān)函數(shù)曲線

圖7 一路多路徑信號(hào)仿真

圖8 2路多路徑信號(hào)仿真

圖9 3路多路徑信號(hào)仿真

4 結(jié)束語(yǔ)

在利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行高精度定位和導(dǎo)航應(yīng)用中，解決多路徑效應(yīng)是至關(guān)重要的。本文利用多徑延遲鎖定環(huán)技術(shù)，從含有多路徑信號(hào)的接收信號(hào)將直達(dá)信號(hào)及其殘差平方和估計(jì)出來(lái)。仿真結(jié)果表明，該方法能夠在較高的精度下達(dá)到估計(jì)直達(dá)信號(hào)的要求。研究結(jié)果可為多路徑消除工作的展開(kāi)提供參考。

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Application of improved MEDLL technique in multipath error estimation

ZHANG Mengyao, CHEN Xiyuan

（School of Instrument Science and Engineering/Key Laboratory of Micro-Inertial Instrument and Advanced Navigation Technology of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China）

Aiming at the problem that it is susceptible to multipath errors for the application of accurate satellite navigation and positioning, the paper proposed a multipath error elimination method based on improved MEDLL (multipath elimination delay locked loop) technology with the analysis of multipath effect formation and model: the maximum number of paths in the received signal was set, and the allowance estimation approach was performed; then the direct signal was obtained by estimating the path number, amplitude error, propagation delay and phase offset of the multipath signals. Experimental result showed that compared with the traditional MEDLL technology, the proposed method could effectively improve the estimation efficiency of the direct signals and shorten the required time under the same positioning accuracy requirements.

BeiDou navigation satellite system; multipath effect; multipath elimination delay locked loop; allowance estimation; simulation verification

P228

A

2095-4999(2019)03-0096-06

2018-05-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51375087）；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（BA2016139）。

張夢(mèng)堯（1994—），女，河北滄州人，碩士生，研究方向?yàn)镚NSS接收機(jī)算法等。

陳熙源（1969—），男，安徽懷寧人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航和組合導(dǎo)航算法。

張夢(mèng)堯，陳熙源.改進(jìn)的MEDLL技術(shù)在多徑誤差估計(jì)中的應(yīng)用[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2019,7(3):96-101.（ZHANG Mengyao, CHEN Xiyuan.Application of improved MEDLL technique in multipath error estimation[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(3):96-101.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190316.