李巖，董瑋，徐鵬程，渠謹(jǐn)黛，郭宏偉，谷淼

（中國第一汽車集團有限公司，吉林 長春 130011）

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，相對于其他導(dǎo)航系統(tǒng)，其擁有全天候、高精度、連續(xù)、實時等優(yōu)點。隨著車輛智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展，GNSS成為人們高效出行不可或缺的工具。

導(dǎo)航衛(wèi)星運行的軌道主要分布在中軌道和高軌道，衛(wèi)星距離地面的距離至少2萬千米，衛(wèi)星信號發(fā)射功率會受到電池功率和壽命的影響，衛(wèi)星導(dǎo)航信號傳輸?shù)降孛鏁r非常微弱，極易受到電磁射頻的干擾。其中，多徑干擾是一種在日常生活中普遍存在的干擾，由于其普遍性和特殊性，抑制多徑干擾的難度比較大。在水泥地面、水面等表面平整且開闊的反射物，多徑信號多以鏡面反射為主；在城市、峽谷、森林等環(huán)境中，多徑信號多以散射信號為主；在存在多徑干擾的環(huán)境中，GNSS接收模塊會同時收到衛(wèi)星直達的傳輸信號和多徑反射信號，接收模塊環(huán)路的鑒相特性會隨之變化，導(dǎo)致GNSS接收模塊產(chǎn)生定位誤差，影響定位精度。多徑信號會隨著外部環(huán)境的變化而變化，很難通過軟件建模方式或者差分處理方式進行完全抑制。因此研究GNSS多徑抑制技術(shù)對于提升衛(wèi)星導(dǎo)航高精定位性能具有重大意義。

首先本文介紹了GNSS多徑信號產(chǎn)生原因及其特點，然后對導(dǎo)航信號體制設(shè)計、天線端抑制多徑技術(shù)及接收端處理抑制多徑技術(shù)等3種主要多徑抑制的方法進行研究，最后結(jié)合當(dāng)前實際對未來發(fā)展趨勢進行展望，為更深入開展GNSS多徑研究提供一定的參考。

1 多徑信號產(chǎn)生及特點

多徑信號是指GNSS衛(wèi)星無線電信號經(jīng)物體反射或散射后經(jīng)接收天線傳輸?shù)浇邮漳K的衛(wèi)星信號。多徑效應(yīng)是指衛(wèi)星無線電信號從定位衛(wèi)星途徑大氣層、山巒、建筑等會對電波造成反射的路徑到達接收機天線的傳播現(xiàn)象。

衛(wèi)星信號經(jīng)過反射或散射到達接收模塊天線，各路信號雖然發(fā)射時刻相同，但由于傳輸路徑不同，故到達接收機的時間會有所差異，故相對于衛(wèi)星直達信號，多徑信號一般會有延遲。根據(jù)多徑信號不同生成原理可將多徑信號劃分為鏡面反射多徑和漫反射多徑。鏡面反射多徑是指將物體反射表面可看做鏡面，到達物體表面的信號將分量反射出去；慢反射多徑是指物體表面凸凹不平看做粗糙面，衛(wèi)星信號經(jīng)過粗糙表面后，散射到不同方向，在實際生活中，衛(wèi)星信號經(jīng)植物、墻壁和衣物等物品的反射均可歸為漫反射。多徑信號具有以下特點。

1）多徑信號的幅度小于直達信號，即相對幅度的范圍在0~1之間。多徑信號產(chǎn)生原理是天空的衛(wèi)星信號傳輸?shù)轿矬w上，經(jīng)過物體反射或散射后產(chǎn)生，在這個過程中衛(wèi)星信號功率會衰減，因此衛(wèi)星直達信號的功率及幅度大于多徑信號。

2）多徑信號存在一定的延遲。多徑信號相對于直達信號，其在傳輸路徑上花費的時間較長。

2 抑制多徑技術(shù)回顧

抑制多徑技術(shù)研究方向分為3個方面：①在衛(wèi)星設(shè)計階段進行多徑抑制技術(shù)研究；②在接收天線端研究抑制多徑技術(shù)；③在衛(wèi)星信號接收端研究抑制多徑技術(shù)。衛(wèi)星設(shè)計階段多徑技術(shù)研究主要采用改變衛(wèi)星信號特性的方式來降低多徑誤差，如改變信號調(diào)制方式、載波頻率、擴頻碼等。接收天線端抑制多徑技術(shù)研究主要采用改變天線結(jié)構(gòu)、增強天線性能等方式。衛(wèi)星信號接收端抑制多徑技術(shù)研究主要采用更改接收機內(nèi)部電路環(huán)路、提高多徑抑制算法等方面進行研究。

2.1 衛(wèi)星信號端多徑抑制技術(shù)

衛(wèi)星信號的特性會影響多徑誤差，傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號如GPS信號采用BPSK調(diào)制，隨著衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，新的GNSS調(diào)試方式變化為BOC、MBOC、AltBOC等。相對于傳統(tǒng)信號調(diào)制方式，新的調(diào)試方式針對多徑抑制算法更加完善和成熟。

毛虎等通過分析L1/E1/B1等頻段衛(wèi)星信號的測距碼和載波信號對多徑的影響，通過提高BOC調(diào)制信號及其衍生的副載波信號的頻率、相位及測距碼速率，可有效降低多徑造成的跟蹤誤差。符強等根據(jù)衛(wèi)星信號BOC調(diào)制的特性，通過對重構(gòu)子互相關(guān)函數(shù)的無模糊度跟蹤方法的研究，有效提高了衛(wèi)星信號的抗多徑性能。Dempster等人通過改進gated-BOC-PRN方法，對衛(wèi)星BOC信號的碼片邊緣進行閘波信號處理，從而有效地提高衛(wèi)星信號的多徑抑制能力。

2.2 接收天線端抑制多徑技術(shù)

接收天線端抑制多徑技術(shù)主要是通過優(yōu)化天線自身特性、改變天線陣列結(jié)構(gòu)和增加天線數(shù)量等3種方法進行研究，這類技術(shù)優(yōu)點在于天線成本低，易于實現(xiàn)，缺點在于對來自天線上方的多徑信號無法有效抑制，故具有一定的局限性。

王雅芳等設(shè)計了一種微帶天線，此天線攜帶扼流圈，輻射片上加載的矩形方塊用于調(diào)諧天線諧振頻率，通過這種設(shè)計在減小天線輻射的有效口徑的同時也縮小了天線尺寸，減小了天線定方向的增益，從而有效抑制了多徑現(xiàn)象。尚曉輝等通過研究天線陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、陣列天線互藕效應(yīng)及通道失配等因素對天線抗干擾的影響，對接收模塊的天線陣列進行優(yōu)化設(shè)計，提出7陣元抗干擾陣列天線，此天線可有效抑制多徑干擾影響。進一步通過優(yōu)化天線方向圖，減少對地面發(fā)射信號的接收，從而降低了多徑現(xiàn)象。馮起等提出了一種天線的自適應(yīng)算法，該算法將數(shù)字與模擬相結(jié)合從而實現(xiàn)功率倒置，通過這種方法可以減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度，改天線系統(tǒng)可有效提高接收機抗干擾能力。鄧志鑫等對SMI算法進行改進，并提出一種線性化迭代的權(quán)值更新算法，該算法可減低迭代次數(shù)從而大大降低了計算的復(fù)雜度，從而為抗干擾導(dǎo)航終端提供參考。李奮翔等提出了基于稀疏陣列的虛擬域子空間聯(lián)合抗干擾算法，通過該算法構(gòu)建虛擬的均勻天線，實現(xiàn)對干擾源的精確估計，將此算法結(jié)合自適應(yīng)波束形成技術(shù)可對干擾進行有效抑制。MARAIS等增加接收天線的數(shù)量，通過空間分集來檢測、估計和削弱多徑信號的影響。齊運馳等提出了一種基于差分進化算法的偽距定位方法，通過增加天線數(shù)量有效提高了定位性能，從而減低定位誤差，減少多徑信號的影響。

2.3 衛(wèi)星信號接收端抑制多徑技術(shù)

衛(wèi)星信號接收端抑制多徑技術(shù)主要從數(shù)據(jù)后處理技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)等兩方面入手，數(shù)字后處理技術(shù)是依據(jù)多徑的頻率和周期等特性通過算法對數(shù)據(jù)進行處理，降低多徑影響，其優(yōu)點是不用改變接收機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，缺點為沒有從根本上解決多徑信號的影響且應(yīng)用條件有限，穩(wěn)定性差。數(shù)字信號處理技術(shù)主要是通過改變接收機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式來減低多徑信號的影響，對其研究主要分為兩個方向，即非參量式和參量式。非參量式是通過改變GNSS接收機的環(huán)路結(jié)構(gòu)和鑒別器來降低多徑信號影響。參量式是通過改變相關(guān)器個數(shù)和觀測量大小，對多徑信號進行統(tǒng)計和評估，進而降低多徑信號的影響。

賈瓊瓊等基于RELAX算法提出了一種低復(fù)雜度多徑干擾抑制算法，通過該算法可有效篩選出衛(wèi)星直達接收模塊的信號和衛(wèi)星經(jīng)過多徑反射到接收模塊的信號，運用線性約束最小方差準(zhǔn)則，增益衛(wèi)星直達信號的強度，試驗證明該算法可有效抑制多徑干擾。葛寶爽等提出了一種GNSS多徑誤差抑制方案，此方案包括自適應(yīng)卡爾曼濾波器和衛(wèi)星多徑信號誤差卡方檢測器等兩部分，卡方檢驗器通過判斷測量的信息零均值特性是否喪失從而估算出多徑誤差，自適應(yīng)卡爾曼濾波器根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)的冗余評估當(dāng)前測量噪聲的協(xié)方差矩陣，通過調(diào)節(jié)測權(quán)重增加濾波性能，通過實驗該方案可有效抑制多徑誤差。

張之探等利用窄相關(guān)技術(shù)，通過設(shè)定門限后，跟蹤環(huán)路階段不同導(dǎo)致相干積分時間變化的策略，提出自適應(yīng)載波環(huán)路跟蹤方法，進而提高了衛(wèi)星定位接收模塊關(guān)于弱信號的跟蹤能力，有效抑制了多徑現(xiàn)象。高科等利用衛(wèi)星信號的多門延遲特性和衛(wèi)星坐標(biāo)的曲線擬合技術(shù)，重構(gòu)了偽碼的自相關(guān)函數(shù)，精確解析出了衛(wèi)星直達信號位置，進一步通過衛(wèi)星信號直達信號位置和接收模塊碼跟蹤環(huán)路的衛(wèi)星信號識別結(jié)果進行對比，利用兩者的定位偏差提高接收機的抗多徑抑制能力。高源等提出一種可變間距采樣的多徑估計方法，通過對變化的間距進行采樣，使其采樣位置靠近GNSS衛(wèi)星直達信號和多徑信號的峰值，進一步提升了多徑測算準(zhǔn)確度，在相關(guān)器的個數(shù)相同情況下，采用此方法可有效抑制多徑現(xiàn)象。

魏國慶等在Teager-Kaiser算法和多徑估計延遲鎖定環(huán)算法的基礎(chǔ)上，提出一種GPS多徑抑制的改進算法，即將TK算子和MELL結(jié)合起來，從整體上估計多徑信號和直達信號，從而在接收模塊中識別并分離出多徑信號，從而提高衛(wèi)星接收端的抗多徑的性能。陳強等提出粒子波作為一種基于蒙特卡洛方法的貝葉斯計算法，相對于傳統(tǒng)窄相關(guān)方法，此種算法在魯棒性較好且運算量較小的同時可有效抑制多徑問題。

3 結(jié)束語

總體看來，國內(nèi)外研究者近年來對GNSS多徑抑制技術(shù)進行了各個方面和維度的研究，取得了豐碩的結(jié)果。隨著全球?qū)Ш较到y(tǒng)的完善和成型，導(dǎo)航高精定位的研究受到了科研人員的重視，在導(dǎo)航精度的研究中導(dǎo)航信號多徑抑制技術(shù)是繞不開的課題。

截止目前，GNSS多徑抑制技術(shù)主要通過衛(wèi)星信號端、接收天線端和衛(wèi)星信號接收端等3個方面進行多徑技術(shù)抑制研究。隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，導(dǎo)航信號調(diào)制方式研究重點逐漸從BPSK調(diào)制多徑抑制技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)锽OC、MBOC及AltBOC調(diào)制多徑抑制技術(shù)研究，無論是BPSK調(diào)試還是BOC、MBOC及AltBOC調(diào)試都無法通過改變衛(wèi)星信號特性來解決多徑抑制問題。天線抑制多徑技術(shù)的發(fā)展趨勢朝著天線微型化、多陣列的方向發(fā)展。接收端抑制多徑技術(shù)主要趨勢是通過對多徑估算的算法研究來減低多徑影響，其中最具有代表的算法是多徑估計延遲鎖定環(huán)路算法（MEDLL），MEDLL算法可以估算出接收信號中的直射分量和多徑分量的碼相位和載波相位，但是其需要較高的信號采樣率和更多的相關(guān)器，這就造成系統(tǒng)復(fù)雜度高且計算消耗大，故后期的研究方向為減低算法復(fù)雜度，提高算法適應(yīng)性。隨著對高精定位要求越來越高，開展多徑抑制技術(shù)的研究將成為一個重要方面。