改進的MEDLL技術在多徑誤差估計中的應用

張夢堯，陳熙源

改進的MEDLL技術在多徑誤差估計中的應用

張夢堯，陳熙源

（東南大學 儀器科學與工程學院/微慣性儀表與先進導航技術教育部重點實驗室，南京 210096）

針對高精度衛(wèi)星導航和定位應用中易出現(xiàn)多路徑誤差的問題，在分析多徑效應形成和模型基礎上，提出基于改進多路徑延遲鎖定環(huán)（MEDLL）技術的多徑誤差消除方法：設定接收信號中最大路徑路數(shù)，并進行余量估計；然后通過估計出多路徑信號的路數(shù)、幅值誤差、傳播延時和相位偏移，得到直達信號。實驗結果表明，在同等定位精度要求條件下，該方法相對傳統(tǒng)的MEDLL技術可有效提高直達信號估計效率，縮短所需時間。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；多路徑效應；多路徑消除延遲鎖定技術；余量估計；仿真驗證

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）作為我國的重要空間基礎設施，不僅著眼于我國國防安全、經濟建設、社會發(fā)展等方面，更秉承著“服務全球，造福人類”的原則，目前已經實現(xiàn)了與美國全球定位系統(tǒng)（global position system, GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）的兼容與互操作。計劃于2020年建成世界一流的BDS，為全球提供服務[1]。

而隨著軍用和民用領域對BDS的需求不斷增大，對其性能也提出了更高的要求。為實現(xiàn)高精度應用，消除測量誤差是尤為關鍵的。

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

在消除或抑制多路徑效應方面，早在20世紀70年代初就有學者開始進行研究。1973年，文獻[4]所做的工作一般被認為是多路徑研究的基石。在這之后，人們逐漸認識到多路徑誤差在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中至關重要，于是展開了一系列的研究。

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

在數(shù)據(jù)后處理技術上，目前主要使用的方法有滑動平均法[11]、信噪比法[12]、多路徑效應重復性法、反射信號計算法[13]等。

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

1 多路徑誤差

1.1 多路徑效應的形成

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

與其他類型的誤差不同，多路徑在不同時間、不同環(huán)境下通常表現(xiàn)出不同的特征，即便是同一個多路徑，對于不同設計的接收機也可能有著不同程度的影響。

另外，多路徑具有空間相關性弱而時間相關性強的特點，因而不同接收機之間的接收機噪聲不具有任何相關性。因此，差分的方式不但無法改善多路徑效應對測量值的影響，反而可能增大誤差。

圖1 多路徑效應示意

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

1.2 多路徑效應的模型

多路徑效應的危害體現(xiàn)在會使相關函數(shù)失真，從而降低了碼相位（以及偽距）的測量精度，有時強有時弱的疊加波信號，還可導致碼相位失鎖和衛(wèi)星信號失鎖。

2 多路徑消除延遲鎖定環(huán)技術

2.1 算法原理

多徑信號會使得相關函數(shù)曲線失真，疊加后的相關函數(shù)曲線量出現(xiàn)畸變。而多徑消除延遲鎖定環(huán)技術（MEDLL）指的是使用多個相關器來處理信號進而得到多個相關函數(shù)的采樣值[16]。

相關函數(shù)值為

然后采用迭代法對式（7）進行求解，得到3個參數(shù)[17]。

2.2 改進算法流程

圖2 MEDLL算法流程

3 實驗與結果分析

3.1 多路徑信號個數(shù)的計算

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

圖3 使用Hilbert求取最大路數(shù)

式中為延遲窗口。

3.2 仿真結果

構造直達信號和多路徑信號，進行MEDLL多路徑分解。以下采用3路多路徑信號為例。

圖4 相關函數(shù)曲線

圖5 誤差對相關函數(shù)值的影響

圖6 3路多路徑情況下的相關函數(shù)曲線

圖7 一路多路徑信號仿真

圖8 2路多路徑信號仿真

圖9 3路多路徑信號仿真

4 結束語

在利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行高精度定位和導航應用中，解決多路徑效應是至關重要的。本文利用多徑延遲鎖定環(huán)技術，從含有多路徑信號的接收信號將直達信號及其殘差平方和估計出來。仿真結果表明，該方法能夠在較高的精度下達到估計直達信號的要求。研究結果可為多路徑消除工作的展開提供參考。

[1] 楊元喜. 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的進展、貢獻與挑戰(zhàn)[J]. 測繪學報, 2010, 39(1): 1-6.

[2] 謝鋼. GPS原理與接收機設計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 78-87.

[3] 滿豐. GNSS接收機抗多徑技術研究[J]. 科技信息, 2014(13): 117-118.

[4] PATRICK F, VAN DIERENDONCK A J. Pseudorandom noise ranging receiver which compensates for multipath distortion by dynamically adjusting the time delay spacing between early and late correlators[EB/OL]. [2018-04-17]. https: //patentimages. storage. googleapis. com/98/ba/ec/22debddf8ba81a/EP0552975A2. pdf.

[5] VAN NEE R D J. Apparatus for estimating a line of sight signal propagation time using a reduced-multipath correlation function[EB/OL]. [2018-04-17]. https: //patentimages. storage. googleapis. com/07/72/36/face0f561c6985/US5615232. pdf.

[6] VAN DIERENDONCK A J, PATRICK F, FORD T. Theory and performance of narrow correlator spacing in a GPS receiver[J]. Navigation, 1992, 39(3): 265–283.

[7] YU L, LIU W, LANGLEY R. Robust adaptive beamforming for multi-path environment based on domain weighted PCA[C]//The Institute of Electrical and Electronic Engineers(IEEE). Proceedings of the 200715th International Conference on Digital Signal Processing. Cardiff, UK：IEEE, 2007: 91-94.

[8] 葉錦宇, 寇艷紅. 基于MEDLL的分級搜索抗多徑算法[J]. 北京航空航天大學學報, 2016, 42(6): 1228-1235.

[9] VAN NEE R D J, SIEREVELD J, FENTON P C，et al. The multipath estimating delay lock loop: approaching theoretical accuracy limits[C]//The Institute of Electrical and Electronic Engineers(IEEE). Proceedings of 1994 IEEE Position, Location and Navigation Symposium-PLANS'94. Las Vegas, USA: IEEE, 2007: 12-18. DOI: 10. 1109/PLANS. 1994. 303320.

[10] RAE A, BASIR O. Reducing multipath effects in vehicle localization by fusing GPS with machine vision[EB/OL]. [2018-04-17]. http: //fusion. isif. org/proceedings/fusion09CD/data/papers/0400. pdf?.

[11] 袁林果, 黃丁發(fā), 丁曉利, 等. GPS載波相位測量中的信號多路徑效應影響研究[J]. 測繪學報, 2004, 33(3): 210-215.

[12] AXELRAD P, COMP C J, MACDORAN P F. SNR-based multipath error correction for GPS differential phase[J]. IEEE Transactions on Aerospace Electronic Systems, 1996, 32(2): 650-660.

[13] COHEN C E, PARKINSON B W. Mitigating multipath error in GPS based attitude determination[C]//An American Astronautical Society. Proceedings of the Annual Rocky Mountain Guidance and Control Conference. Keystone: An American Astronautical Society, 1991: 53-68.

[14] 趙小勇. 偽碼測距接收機中跟蹤環(huán)路及抗多徑環(huán)節(jié)的設計與實現(xiàn)[D]. 太原: 太原理工大學, 2014.

[15] MACGOUGAN G D. High sensitivity GPS performance analysis in degraded signal environments[EB/OL]. [2018-04-17]. https: //www. ucalgary. ca/engo_webdocs/GL/03. 20176. GMacGougan. pdf.

[16] 楊茜, 秦紅磊, 袁赫良. TK-MEDLL算法的GNSS實測數(shù)據(jù)多徑分析[J]. 導航定位學報, 2017, 5(2): 117-124.

[17] DJOGATOVIC M S, STANOJEVIC M J. Bayesian-based MEDLL for the GPS signal tracking[EB/OL]. [2018-04-17]. http: //www. eejournal. ktu. lt/index. php/elt/article/viewFile/2809/1991.

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

國家自然科學基金項目（51375087）；江蘇省科技成果轉化專項資金項目（BA2016139）。

張夢堯（1994—），女，河北滄州人，碩士生，研究方向為GNSS接收機算法等。

陳熙源（1969—），男，安徽懷寧人，博士，教授，博士生導師，研究方向為衛(wèi)星導航和組合導航算法。

張夢堯，陳熙源.改進的MEDLL技術在多徑誤差估計中的應用[J].導航定位學報,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.