農(nóng)業(yè)GPS定位中的多徑抑制算法研究

李欣，楊華，楊懷卿

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

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農(nóng)業(yè)GPS定位中的多徑抑制算法研究

李欣，楊華，楊懷卿

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

[目的]隨著我國現(xiàn)代化精細農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的GPS定位精度要求日益提高，由于多徑信號的不確定性，傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路不能準(zhǔn)確估計多徑信號參數(shù)，也不能有效抑制多徑干擾。[方法]因此，本文利用多徑信號估計與消除技術(shù)抑制多徑干擾，在跟蹤環(huán)中引入自適應(yīng)濾波器估計多徑信號參數(shù)，準(zhǔn)確計算碼延遲和幅度衰減。[結(jié)果]構(gòu)建多徑信號抑制模塊消除多徑干擾，可獲得直達信號的碼延遲和載波相位。試驗分析表明，本文提出的多徑干擾抑制算法能夠準(zhǔn)確估計多徑信號參數(shù)，有效抑制多徑干擾。[結(jié)論]改進后的GPS接收機可以增強衛(wèi)星定位精度，滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)提出的科學(xué)種田、精確管理的定位需求。

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)； 多徑干擾； 抑制； 算法

隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機在現(xiàn)代化精細農(nóng)業(yè)中的不斷應(yīng)用，用戶在播種、施肥、灑藥、收獲、整地、起壟等農(nóng)機作業(yè)中對接收機性能的要求也不斷提升[1,2]。提高GPS定位精度，在現(xiàn)代化農(nóng)機作業(yè)中能夠有效控制生產(chǎn)成本，進而提高收益[3]。衛(wèi)星信號在傳輸過程中受復(fù)雜外界環(huán)境的影響，會發(fā)生反射、散射等現(xiàn)象，產(chǎn)生多徑效應(yīng)。多徑信號比直達信號傳輸距離更長，損失能量更多，是影響接收機定位精度的主要因素之一。

傳統(tǒng)抑制多徑干擾的主要方法是對跟蹤環(huán)路的結(jié)構(gòu)和算法進行改進[4～6]。跟蹤環(huán)路改進算法對多徑抑制具有較好的實時性和穩(wěn)定性。窄相關(guān)技術(shù)[7]，與標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)器相比，對中長延遲多徑的抑制效果明顯提升。但是，由于器件性能和資源的限制，相關(guān)器間隔不能無限制減小，使得窄相關(guān)技術(shù)抑制多徑的性能還有待提升。Strobe相關(guān)器技術(shù)[8]采用4個相關(guān)器，與窄相關(guān)技術(shù)相比具有更好的多徑抑制能力。多徑估計延遲鎖定環(huán)技術(shù)[9]在計算過程中不需要使用先驗信息，理論上幾乎完全抑制多徑信號。但這種方法需要大量的相關(guān)器，且實現(xiàn)過程中計算量較大。Bhuiyan等[10]于2009年提出了減小搜索空間的最大似然延遲估計器(RSSML)技術(shù)，但該技術(shù)對存儲參考相關(guān)函數(shù)的內(nèi)存需求大。

為了滿足現(xiàn)代化精細農(nóng)業(yè)對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度和連續(xù)定位導(dǎo)航的要求，本文提出了基于最小二乘法(RLS)的多徑信號估計與消除算法。首先通過分析GPS信號的傳播特點建立多徑信號模型；然后提出基于RLS的自適應(yīng)多徑信號參數(shù)估計與消除技術(shù)；最后通過中頻信號采樣儀接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)來驗證提出的多徑抑制算法的有效性。研究結(jié)果表明，本文提出的縮進抑制算法，能有效抑制多徑干擾，減小多徑誤差，提高GPS接收機定位精度，滿足現(xiàn)代化精細農(nóng)業(yè)對定位精度和連續(xù)定位的要求。

1 多徑信號估計模型

多徑信號估計模型主要分為多徑信號參數(shù)估計模塊和多徑信號消除模塊，如圖1所示。在傳統(tǒng)延遲鎖定環(huán)(DLL)中，多徑干擾會造成過零點漂移，導(dǎo)致S曲線失真和偽距誤差。由于多徑信號傳輸路徑不同，直達信號與反射、散射信號之間存在相對相位延遲和幅度差異，因此，遞歸最小二乘法(RLS)適合作為多徑信號參數(shù)估計模塊，檢測碼延遲和幅度衰減。根據(jù)反射信號與直達信號比值(M/D)，確定各路反射信號的權(quán)值，并對各路反射信號進行加權(quán)求和，重建多徑信號。利用多徑信號消除模塊消除多徑干擾。

圖1 自適應(yīng)多徑抑制環(huán)路Fig.1 Self-adaptive Multipath suppression circuit

通常假設(shè)多徑誤差主要由反射信號引起，將對跟蹤誤差影響很小的散射信號忽略為噪聲。當(dāng)存在N路多徑信號時，經(jīng)過接收機射頻前端下變頻之后的中頻信號多徑信號rM(t)可以由式(1)求得。其中，i=0時表示直達信號，從1到M表示m路多徑信號。由于衛(wèi)星信號與接收機天線的相對運動，接收機收到的多徑信號，其幅度、時延、相位都是時變的，而載波相位θmi的變化會引起載波頻率增加一個誤差分量。

(1)

其中，αi表示接收信號的振幅；c(t)表示偽隨機碼；ωc表示載波角頻率；τi表示多徑信號時延；θmi表示第i個信號的載波相位；n(t)表示噪聲。

2 多徑信號估計與消除

2.1 自適應(yīng)多徑參數(shù)估計算法

中頻信號經(jīng)過載波環(huán)去載波后，M路多徑信號組成的復(fù)合信號如式(2)所示。多徑參數(shù)估計模塊需要估計多徑信號的ax,i=[ax,1ax,2…ax,m]和τi=[τ1τ2…τm]，如圖2所示。多徑參數(shù)估計模塊具有兩路輸入，去載波后的I/Q支路信號作為估計信號輸入，碼跟蹤環(huán)NCO產(chǎn)生的本地C/A碼作為參考信號輸入。參考信號由式(3)表示。

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)最小二乘準(zhǔn)則J=E{|S(n)-wH(n)r(n)|2}，可以得到參數(shù)估計最優(yōu)解。

(6)

式(2)經(jīng)數(shù)字中頻信號去載波后由式(4)和式(5)表示，作為自適應(yīng)濾波器的輸入。經(jīng)過自適應(yīng)濾波器和通過抽頭權(quán)重，hi被估計出來。

圖2 RLS自適應(yīng)算法Fig.2 RLS adaptive algorithm

2.2 多徑信號消除

由上述算法得到的估計最優(yōu)解作為多徑信號參數(shù)重建接收信號，需要考慮的因素有：

(1)反射信號幅值大小和碼鑒別器輸出值呈正相關(guān)[6]，反射信號的幅值越大，碼鑒別器輸出的結(jié)果也就越大，與實際碼相位之間的差值也越大。因此，設(shè)定衰減系數(shù)β，如果αi<βα0，則此路多徑信號對鑒別器輸出結(jié)果影響很小，在重建多徑信號時可以忽略此路信號。

(2)當(dāng)反射信號與直射信號之間的相對延時大于或等于1.5×Tc時，直射信號與反射信號之間的相關(guān)性將消失，反射信號將不會產(chǎn)生碼跟蹤誤差。

根據(jù)多徑信號參數(shù)估計器得到的延遲參數(shù)，多徑重建模塊重復(fù)產(chǎn)生每一路反射信號碼相位延遲的E/L如圖3所示。

圖3 多徑信號重建Fig.3 Multipath signal reconstruction

估計延遲波形的相關(guān)值如式(7)所示。接收機接收信號減多徑估計信號，一方面可以消除混合信號包含的多徑信號，另一方面也能提高直達信號的比例，提高信噪比。

(7)

如果多徑估計模塊能夠提供精準(zhǔn)的多徑參數(shù)近似估計值，則：

(8)

相應(yīng)的多徑消除模塊能夠完全消除多徑干擾，提高信噪比，使后續(xù)處理只針對直達信號，從而進一步提高碼相位測距精度。

3 仿真分析

為了驗證本文所設(shè)計的跟蹤環(huán)路有效性，從多徑抑制和定位精度兩方面進行對比試驗。試驗參數(shù)設(shè)置如下：接收端采樣頻率5 MHz，即在1ms的C/A碼周期內(nèi)共有5 000個采樣點；數(shù)字中頻1.25 MHz；碼片延遲為503個采樣點。捕獲成功后，進入跟蹤環(huán)路的初始頻率2 KHz，捕獲碼片延遲為505個采樣點，仿真M/D為-5.8 dB。

本文對比分析了傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路和改進跟蹤環(huán)路由于多徑干擾引起的碼跟蹤誤差，如圖4所示。從圖4中可以看出，多徑干擾對傳統(tǒng)的跟蹤環(huán)路造成了較大的碼跟蹤誤差，而本文改進的跟蹤環(huán)路在多徑干擾環(huán)境下，碼跟蹤誤差降低了0.09個碼片。因此，本文提出的改進算法能夠有效降低碼跟蹤誤差，抑制多徑干擾。

圖4 碼跟蹤誤差分析Fig.4 Code tracking error analysis

圖5和圖6分別為傳統(tǒng)跟蹤環(huán)相關(guān)器與改進算法相關(guān)器的輸出。在6 s～10 s間加入根據(jù)所跟蹤衛(wèi)星IF數(shù)據(jù)產(chǎn)生的NLOS模擬信號。NLOS信號比直達信號延遲0.8碼片，M/D為-5.8 dB。從圖5可以看出，異常情況主要發(fā)生在有NLOS接收的時間段內(nèi)。在超前、滯后、即時三組相關(guān)器中，即時相關(guān)器輸出的相關(guān)值最高。因此，難以從傳統(tǒng)跟蹤架構(gòu)的相關(guān)器輸出檢測到NLOS信號。

圖5 傳統(tǒng)跟蹤環(huán)相關(guān)器輸出Fig.5 Traditional tracking loop correlator output

圖6 改進算法相關(guān)器輸出Fig.6 Improved algorithm correlator output

由圖6可知，在接收信號中存在多徑干擾時，碼鑒別器輸出很大負值，而且在滯后相關(guān)器輸出存在最大值。因此，通過這兩個現(xiàn)象可知，接收信號存在多徑干擾。

另外，本文還分析了強干擾環(huán)境下，傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路和改進跟蹤算法由于多徑干擾引起的載波相位誤差。當(dāng)M/D為-5.8 dB時，本文提出的算法與標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)器、窄相關(guān)器和strobe相關(guān)器進行了對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 載波相位誤差對比分析(M/D=-5.8dB)Fig.7 Improved algorithm correlator output

通過對比圖7中四種算法相位誤差可知，本文提出的改進算法能夠更有效抑制多徑干擾。因此，在遮擋嚴(yán)重的環(huán)境下，應(yīng)用此跟蹤環(huán)路，有利于提高偽距、偽距率測量精度，其定位精度優(yōu)于傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路。

圖8為前文所述四種算法定位誤差均方根(RMS)圖。比較可知，存在多徑干擾的情況下，本文提出的算法，其定位誤差最小且定位性能優(yōu)于傳統(tǒng)接收機，說明該算法可行。

圖8 定位誤差RMS值Fig.8 RMS value of positioning error

4 結(jié)論

針對多徑干擾影響定位精度的問題，本文提出了一種自適應(yīng)多徑參數(shù)估計與消除技術(shù)，對多徑干擾在碼延遲誤差、載波相位誤差估計的同時消除多徑干擾。仿真結(jié)果分析表明，本文提出的跟蹤環(huán)路改進算法能夠有效抑制多徑干擾。

(1)該算法通過對碼跟蹤誤差估計與消除實現(xiàn)了對多徑干擾的有效抑制，將多徑引起的誤差限制在0.2個碼片。

(2)通過與標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)器、Strobe相關(guān)器和窄相關(guān)器的對比試驗，本文提出的算法定位誤差最小。試驗結(jié)果表明改進的GPS接收機能夠有效抑制多徑干擾，配合差分GPS導(dǎo)航設(shè)備具有更高的定位精度，而且投資較低、安裝方便、操作靈活，更滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)要求的科學(xué)種田、精確管理的需求。

[1]孫小明.淺談衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)延伸功能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)機械, 2016(8):96-98.

[2]惠華.衛(wèi)星定位導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)在精河縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)家顧問, 2014(11):99.

[3]趙宏亮. 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中GPS衛(wèi)星定位和自動導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 新農(nóng)村:黑龍江, 2013(4):33.

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(編輯：李曉斌)

Multipath suppression algorithm research in agricultural GPS positioning

Li Xin, Yang Hua, Yang Huaiqing

(CollegeofInformationScienceandEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801，China)

[Objective]With the rapid development of modern fine agriculture, the precision of GPS positioning applied in agriculture is increasing. Due to the uncertain multipath signal, the traditional tracking loop cannot accurately estimate the multipath signal parameters and cannot effectively suppress multipath interference.[Methods]Therefore, this paper used multipath signal estimation and elimination technology to suppress multipath interference, and introduced adaptive filter to estimate multipath signal parameters in tracking loop to calculate code delay and amplitude attenuation accurately.[Result]The multipath signal suppression module wss constructed to eliminate multipath interference and obtained the code delay and carrier phase of the direct signal. The experimentalresult showed that the multipath interference suppression algorithm of this paper proposed could accurately estimate the multipath signal parameters and effectively suppressed multipath interference.[Conclusion]The improved GPS receiver could enhance the satellite positioning accuracy， and meet the requirement of science farming and precise management of modern agriculture.

Global satellite navigation system, Multipath interference, Suppression, Algorithm

2017-05-05

2017-06-05

李欣(1988-)，男(漢)，山西太原人，助教，碩士，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星信號處理

國家自然科學(xué)基金資助項目(31671571)

P228.4

A

1671-8151(2017)09-0674-05