基于三頻信噪比的北斗多路徑檢測

尹子明，陳明劍，劉天恒，閆建巧，汪 威

（1.解放軍信息工程大學 導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001）

基于三頻信噪比的北斗多路徑檢測

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 導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001）

在觀測導航衛(wèi)星信號時，根據(jù)多路徑信號相對于直接信號的滯后情況，多路徑干擾對載波、偽距觀測值產(chǎn)生影響，同時對信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）會產(chǎn)生相似的影響。由于載波相位滯后大小與頻率相關(guān)，同樣信噪比在每個頻率上的擾動是也不同的。提出一種利用在觀測環(huán)境良好的情況下獲得的信噪比差分結(jié)果建立一個統(tǒng)計閾值，通過比較測量過程中信噪比的差分值與該閾值的大小關(guān)系來檢測北斗多路徑的方法。靜態(tài)測量和動態(tài)測量實驗表明，該方法對于檢驗多路徑影響具有較高的準確性和可行性。

信噪比；多路徑；北斗

中國獨立研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Beidou navigation satellite system，BDS）已經(jīng)實現(xiàn)了對東南亞地區(qū)的導航定位服務(wù)全覆蓋。衛(wèi)星數(shù)量的增加、衛(wèi)星信號頻率的增加以及衛(wèi)星信號合成方式的優(yōu)化等因素使靜態(tài)和動態(tài)測量精度不斷提高。北斗導航定位中大部分的誤差可以通過改進儀器、建模、濾波和差分等技術(shù)進行有效的改正，但對于多路徑的處理效果并不十分理想。因此，在衛(wèi)星測量和導航應(yīng)用中多路徑仍然是一個大的誤差來源?；谌l信噪比的北斗多路徑檢測能夠有效地對多路徑影響進行檢測。它的工作原理是同一路徑的多路徑干擾對于不同頻率的信號影響是不同的[1]。實驗表明它對于動態(tài)和靜態(tài)觀測都具有很好的適應(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)星信號干擾直接進入天線的信號，天線的增益模式可以設(shè)計成只接收右旋圓極化信號來抑制多路徑信號[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。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，所以該方法對于對許多應(yīng)用來說是不可行的。接收機的多徑抑制技術(shù)一般通過接收機的設(shè)計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。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。多路徑信號會產(chǎn)生不一致的位置解，因此，在數(shù)據(jù)解算時僅使用位置解一致的信號[4]。每一種技術(shù)都在一定程度上削弱了多路徑對導航定位結(jié)果的影響，但它們對于復(fù)雜多變的觀測環(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方法能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的觀測環(huán)境。

2 利用信噪比檢測多路徑

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)對偽距測量的影響更大，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、載波相位觀測值和整周模糊度來表示[5]：

式中，MP1、MP2、MP3表示頻點B1、B2、B3偽距的多路徑效應(yīng)；P1、P2、P3表示偽距；φ1、φ2、φ3表示載波相位觀測值；N1、N2、N3代表整周模糊度；f1、f2、f3為頻點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量噪聲信號的幅度換算出來的。GNSS接收機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)射機增益SS，地面接收機增益SR，接收機與衛(wèi)星之間的幾何距離r，電離層介質(zhì)衰減SI，接收機處的仰角SA等5個方面的影響[6-7]。由此可以得出：

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

而在實際測量過程中，GNSS接收機接收到的衛(wèi)星信號是直接信號、多路徑信號以及其他噪聲信號的合成信號。信號可以表示為：

式中，r為信號振幅；Ae為信號相位；jφ為單位復(fù)數(shù)。

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

由式（7）和式（8）可得：

由于每一條多路徑信號的功率相比較直接信號都比較小，即αi較小，所以：

由式（10）可知，不同觀測環(huán)境的多路徑信號對于直接衛(wèi)星信號的振幅和相位會產(chǎn)生不同的影響，導致接收機測量的信號比、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。多路徑信號能夠?qū)χ苯有盘柈a(chǎn)生影響，信噪比會隨著多徑信號的變化而變化。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和多徑信號的能量強度。

多路徑信號是導致SNR偏離正常值的原因之一，衛(wèi)星功率變化、其他電磁信號干擾等因素也會導致SNR偏離正常值。但衛(wèi)星功率變化、衰減等因素對某顆衛(wèi)星發(fā)出的所有信號有類似的影響，而干涉、干擾等對同一衛(wèi)星發(fā)出的不同頻率的信號有不同的影響。因此，多路徑信號對直接信號產(chǎn)生的多路徑影響與直接信號的頻率相關(guān)，并且多路徑影響對同一時間不同頻率的載波相位、偽距和SNR觀測值的影響是不同的。這是能夠根據(jù)SNR實時檢測多路徑延遲的依據(jù)。

2.3 多徑檢測器

在實際觀測環(huán)境中難以獲取不含多路徑影響的載波相位、偽距和SNR觀測值，因此本方法將利用良好觀測環(huán)境下采集的數(shù)據(jù)來建立多路徑影響檢測控制器[8]。由上文可知，多路徑信號對同一衛(wèi)星發(fā)出的不同頻率的信號有不同的影響，所以可以利用同一觀測時刻不同頻率的SNR差分值來建立統(tǒng)計量S，如式（11）。用良好觀測環(huán)境下采集的SNR值計算統(tǒng)計量S，T為良好觀測條件下的S的3倍標準差，作為外業(yè)數(shù)據(jù)采集時檢測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B1、B2、B3的信噪比，為在良好環(huán)境下觀測到的衛(wèi)星高度角為θ時S1-S2、S1-S3的統(tǒng)計擬合值。

3 實例分析

3.1 建立檢測器

本次實驗所采用的設(shè)備為中海達 VNET 8，衛(wèi)星截止高度角為5°。使用在良好觀測環(huán)境下1 d的觀測數(shù)據(jù)計算用于檢測多路徑影響的統(tǒng)計量S，作為檢驗多徑影響的閾值T。本文以C14號衛(wèi)星為例，計算及其標準差。通過多項式擬合可得：

多項式對C14號衛(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）可得用于檢驗的閾值3σ。

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

圖1 多項式擬合數(shù)據(jù)情況

圖2 良好觀測環(huán)境下閾值檢驗情況

圖3 測量作業(yè)觀測環(huán)境下閾值檢驗情況

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，測站所在位置多路徑干擾較高，且有較強的電磁干擾。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，基于信噪比的檢測統(tǒng)計和多路徑值的大小變化有很強的相關(guān)性。在前4 000 s多路徑值較大，檢測量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，信噪比的檢測統(tǒng)計量也出現(xiàn)較大值，這是由其他電磁信號干擾導致的。因此，該方法能夠較好地檢驗多路徑對于觀測數(shù)據(jù)的影響，但對于區(qū)分影響衛(wèi)星數(shù)據(jù)測量結(jié)果的因素還具有一定的局限性。

3.3 動態(tài)數(shù)據(jù)分析

許多全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用對實時動態(tài)定位、導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也在動態(tài)情況下進行測試實驗。此次實驗是在信息工程大學校區(qū)內(nèi)由北到南進行動態(tài)測試，速度約為10 km/h，經(jīng)過宿舍樓、草坪、教學樓、人工湖等，該路線包含了各種高多路徑觀測環(huán)境和良好觀測環(huán)境。

對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這段時間內(nèi)有較為嚴重的失鎖現(xiàn)象，這在MP值和信噪比統(tǒng)計量上都能夠體現(xiàn)在出來。在時間為1 000 s、2 400 s、3 700 s和5 000 s時檢測統(tǒng)計量S和多路徑MP的峰值是一致的。通過對北斗導航系統(tǒng)中各種類型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行分析說明，該方法對于動態(tài)檢測測量環(huán)境對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響是可行的。

圖4 C04實時信噪比檢測情況

圖5 C09實時信噪比檢測情況

圖6 C14實時信噪比檢測情況

4 結(jié) 語

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

當多路徑影響被檢測到，應(yīng)該削弱或消除它對數(shù)據(jù)解算結(jié)果的影響。檢測結(jié)果可以作為在數(shù)據(jù)處理過程中設(shè)置觀測值權(quán)重的依據(jù)，這不僅取決于其受多路徑影響的嚴重性，還取決于來自其他衛(wèi)星可用信號的質(zhì)量。因此如何減少或消除異常數(shù)據(jù)對數(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。

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

尹子明，碩士生，研究方向為高精度衛(wèi)星導航定位技術(shù)及應(yīng)用。