卫星定位系统多径抑制技术探讨范文

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一、多径快速抑制的主要研究内容

本课题研究的多径快速抑制技术将把无需估计多径参数与需要多径参数两类各自孤立的方式结合起来，取长补短。在算法设计上实现创新与优化，研究实现基带处理的核心技术和多系统联合定位处理的核心算法、高精度数据处理的核心算法，研制实时动态(RTK)软件等。本项目前期通过在接收机的跟踪环层面研究多径抑制技术，在卫星定位导航多径关键技术的研究上取得了多项进展:理论上，算法研究完成了多径的精确抑制、阵列天线下的多径利用等，下一步是研究多径的快速抑制算法、室内环境下的多径利用算法;工程上，本项目经过一年半的外场跑车实验和室内定位实验，为下一步的更深层次的研究积累了经验。下一步是研究多径的快速抑制接收机，并进一步提高定位精度，为工程测量、精细农业、抗震救灾等提供技术支持。本项目研究的重点在环路层面的多径快速抑制，提高多径抑制的实时性。包括:①研究单模单频下的多径快速抑制技术;②研究单模多频下的多径快速抑制技术;③研究多模多频下的多径快速抑制技术。以上每种技术细分为静态抑制和动态抑制两个方面。在码环、载波跟踪环中设计实现二级混合抑制架构。在现已掌握的多模多频技术的基础上，研发能快速抑制多径的定位技术，做成多径快速抑制的高精度接收机，突破关键技术，提高已有产品的性能，以实现产品升级换代。工程实现后可用于精密测量测绘、车辆精确定位、结构形变监测、山体滑坡预测、战场精确打击等环境。所研发的样机包括:①低端样机采用单模多频，并采用抗窄带干扰技术，价格低廉，适于个人使用;②中端样机采用部分卫星系统的观测量:当某个系统的某个频点被干扰时，采用频点切换或系统切换技术以避开干扰，获得中等精度的导航定位结果，包括高精度测量型和高动态型;③高端样机利用所有卫星系统的所有频点观测量进行数据融合处理获得最高精度的导航定位结果，包括:高精度测量型(用于监测站或临时基站、大坝监测等高精度定位要求场合)、高精度高动态型(用于飞机进场等需要高精度导航的运动载体上，也可用于动态定向测姿)。多模多频下的多径快速抑制的高精度接收机的主要应用有:①导航:船舶远洋导航、飞机航路引导和进场降落、汽车自主导航、地面车辆跟踪和城市智能交通管理、紧急救生等领域。②高精度定位:大地测量、工程测量、航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学、GIS精确位置数据的获取、工程机械控制、森林防火、精细农业、抗震救灾等多种学科和领域。

二、研究方法与技术路线

在项目研究中，在大量调研和归纳基础上，根据研究内容和研究目标制定总体研究思路，针对其中的关键技术进行理论和技术攻关，对跟踪环路部分进行理论计算与分析，通过计算机仿真和实验系统的方式验证总体方案和关键技术突破的有效性，拟提出优化方案并进行验证，得出验证试验报告。结合理论分析与应用实践，以实现关键技术的突破为重点，引领项目的整体研究进程。研究多模多频卫星导航基带信号处理技术，并利用大规模可编程FPGA芯片及高速DSP器件搭建多模多频基带信号处理原型电路，验证多模多频卫星导航信号捕获跟踪、高精度观测量提取、多径快速抑制技术、多模多频数据融合定位算法等技术。多模多频高精度接收机具备BD2(B1/B2/B3)、GPS(L1/L2/L5)、GLONASS(L1/L2)三种卫星导航系统，多个频点卫星导航信号的接收和处理能力，通过数据融合解算实现多模多频单点定位。具体技术如下:①捷联惯导辅助高动态GNSS定位技术由于卫星或载体运动时会在接收信号频率上产生较大的漂移，卫星接收终端如何对有较大频偏的卫星信号进行快速的捕获和可靠的跟踪解调是其研究的重要课题。

为了缩小多普勒频率搜索范围、减小捕获时间、提高接收机捕获性能，研究使用多种辅助(卫星历书和星历辅助、GNSS/SINS估计的多普勒频率辅助、位置和时间辅助)来进行GNSS接收机时域相干捕获。对外部辅助源辅助的GNSS接收机时域相干捕获算法的性能进行性能分析。课题组采取如图1所示的方案来实现:a、时频域联合快速信号捕获技术课题组提出一种时频域联合快速信号捕获算法，该算法在时域利用并行相关，并结合频域分析方法，能够快速捕获高动态高多普勒变化下的卫星信号，并同时给出卫星信号的多普勒频移值。该方案具有良好的性能，适应用于信噪比较低、频率偏移较大的情况下，多普勒频移的估计范围和精度可控。b、载波跟踪与伪码跟踪载波恢复电路采用FLL与PLL环相结合的跟踪算法。在高动态情况下，利用FLL直接跟踪卫星信号的载波频率，将剩余的多普勒频移牵引到PLL环跟踪的线性范围内。在稳态或低动态情况下，断开FLL，利用PLL环实现对信号载波的相位跟踪。随着高动态与低动态的相互交换，接收终端的载波跟踪采取FLL与PLL的交替工作模式。码跟踪环能够跟踪输入信号的扩频码，其跟踪精度由环路带宽保证。由于高动态加速度的影响，码跟踪环输出将产生动态应力误差，给信号解调带来较大的解扩损失。为保证伪码的良好跟踪，课题组采用载波环辅助码环技术。该技术能够去掉码环的动态应力误差，提高了伪码跟踪精度，减小了信号解扩损失。②多径快速抑制技术在接收机中主要考虑信号环路处理和导航数据处理:a、信号环路处理分两类:一类是无需估计多径参数(比如窄相关器、Strobe相关器等)，另一类是需要对多径参数进行估计(比如MEDLL算法等)。窄相关器使迟早信号超前或滞后准时信号的宽度小于1/2个码宽，将相关能量集中于信号的上升沿或下降沿，从而更好地消除多径影响。Strobe相关器采用窄相关和宽相关相结合的模式，使得多径带来的码跟踪误差在很大的多径延迟范围内都为零。多径估计延迟锁定环(MEDLL)性能优于窄相关器和Strobe相关器。

定位精度改善大约90%。前期工作中课题组提出了TK－PS－MEDLL算法，性能优于现有算法，提高了多径的估计精度和速度。下一步将在此基础上继续进行改进，以进一步提高多径抑制的实时性。b、导航数据处理一方面是抗多径选星定位。由于用户可见导航星的空间分布不同，多径的参数也不一样，使多个观测量中的误差大小存在着很大差异，因此GNSS可利用特有的选星过程来抗多径。另一方面是分析GNSS信号的信噪比。通过分析GNSS信号的信噪比来识别并去除产生多径效应的误差源。通过分析GNSS数据的信噪比，可以获得一个研究多径效应的模型，多径效应能通过这个模型来纠正。基于信噪比技术修正差分相位测量值中的多径误差，该方法能减少多径误差50%以上。③惯导辅助的多径估计技术课题组前期采用相干和非相干积累结合的方法捕获信号，对捕获系统参数已进行了优化设计，利用SINS辅助对频偏和多谱勒频移进行补偿以减少它们对积累增益的影响。在此基础上，设计一种估计卫星多径信号的算法，该算法用以提高接收机的灵敏度，步骤如图2:④高精度伪距测量技术高精度伪距测量是保证用户设备高精度定位的基础，伪距测量精度取决于本地伪码精密跟踪卫星伪码的程度。伪码跟踪电路采用窄相关Δ/N延迟码锁定环，能够良好跟踪卫星信号的扩频码。码跟踪环测距的主要误差包括码跟踪随机抖动误差和由于多普勒变化引起的动态应力误差。本方案中优化鉴相器模型，优化设计环路带宽，极大减小码跟踪随机抖动误差，同时采用了载波环辅助码环技术，抵消码环上的多普勒频率变化率的影响，使得辅助后动态应力误差极小，最终RNSS测距精度可控制在1ns内。伪码跟踪电路原理框图如图3所示。⑤多模多频数据融合处理高精度定位技术伪距融合时多模多频解算的定位原理基本上与单模式系统(如GPS系统)的定位原理相同，但需要设计信息融合算法。伪距融合多模多频解算框图如图4所示。对于不同系统卫星的伪距权重可以根据信号的伪码精度确定初始单位权重。利用后验估计方法，估计不同模式之间观测值的方差、协方差阵，然后进行参数估计，重新定权。虽然参加解算卫星越多，GDOP越小，解算精度越高，但是过度的冗余信息并不能提高太多的定位精度，反而会带来巨大的计算量，增加接收机的计算负担。因此有必要从可见卫星中快速有效地选出定位精度最好的卫星组合。课题组拟采用加权GDOP方法来实现卫星优选。在多模多频高精度接收机的基础上，采用模块设计，实现多功能通用型RTK软件。RTK实现实时定位测速，差分定位精度可达厘米级，也可定向测姿:输出航向角、俯仰角、横滚角、基线长度，并能实时给出移动站航迹，支持多达10个基线同时解算。

三、目前的创新进展

1、提出了TK－PS－MEDLL新算法。该算法结合了TK算法和MEDLL算法各自的优点，利用TK算法对多径的多项参数进行预估计，再用课题组所提出的修正MEDLL算法进行精确估计，提高了多径的估计精度和速度。大量实验结果表明，静态多径的抑制已获成功，但抑制多径的算法实时性有待提高;2、提出了TK－APME新算法。该算法对短延时多径的抑制效果优于现有的算法。提高了多径的抑制效果，有利于高精度定位;3、捷联惯导辅助GNSS卫星导航的技术获得突破。利用捷联惯导在GNSS卫星信号捕获、跟踪等环节进行辅助，提高了高动态环境中的定位导航能力、多径抑制能力。

作者：唐斌郑晓霞杨晓波单位：四川省高校校企联合航空电子技术应用技术创新基地MOTOROLA(中国)电子有限公司成都第二分公司电子科技大学电子科学与技术博士后流动站