石榮，鄧科

（電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610036）

基于前向搜索的GNSS長距多徑信號判別技術(shù)

石榮，鄧科

（電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610036）

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中的多徑信號，尤其是長距多徑信號會造成偽碼的錯誤捕獲與跟蹤，帶來很大的偽距測量誤差，甚至定位失效。針對這一問題，利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中獨(dú)有的直達(dá)信號相對于多徑信號具有最超前碼相位的特性，在導(dǎo)航信號捕獲跟蹤之后，繼續(xù)通過相關(guān)峰前向搜索的方法來判別直達(dá)信號與多徑信號，在剔除多徑分量之后獲得準(zhǔn)確的偽距測量值。在此基礎(chǔ)上討論了長距多徑信號的搜索區(qū)間，給出了新的接收機(jī)處理架構(gòu)，從而為衛(wèi)星導(dǎo)航中長距多徑信號的去除與精確定位的實(shí)施提供了重要參考。

長距多徑信號；最超前碼相位；前向搜索；多徑信號判別；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)除了收到來至導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的直達(dá)信號之外，還會接收到由地面、海面、大型建筑物以及其他障礙物導(dǎo)致的反射、衍射和散射而產(chǎn)生的來自不同方向的多徑信號。根據(jù)多徑信號時延的長短，可將其分為長距多徑信號和短距多徑信號兩大類，如果多徑信號相對于直達(dá)信號之間的時延比較大，則稱之為長距多徑信號；否則稱之為短距多徑信號。在地面和海面導(dǎo)航應(yīng)用中，由于環(huán)境中的反射體一般距離接收機(jī)較近，所以以短距多徑信號為主。但是在航空導(dǎo)航應(yīng)用中，飛行器上的導(dǎo)航接收機(jī)除了會收到機(jī)體反射所產(chǎn)生的短距多徑信號之外，還可能接收到來自平整地面或海面的反射信號，由于飛行器具有一定的飛行高度，所以這一經(jīng)過反射傳播的導(dǎo)航信號就屬于典型的長距多徑信號。

眾所周知，現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如GPS，GLONASS，Galileo，BD等，實(shí)施導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)都是測量接收機(jī)到每一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的直線偽距，然后以每一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的當(dāng)前位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過定位方程來解算出接收機(jī)所在位置處的坐標(biāo)。如果導(dǎo)航接收機(jī)捕獲跟蹤到的信號是直達(dá)信號的多徑分量，顯然測量得到的偽距中就包含了額外的傳播距離。對于短距多徑信號來說，與直達(dá)信號之間的時延在一個或幾個擴(kuò)頻碼片周期范圍，所以會造成偽距測量中相關(guān)峰位置發(fā)生偏移，形成偽距測量誤差，大小在幾米至幾百米范圍，這顯然會增大最終的定位誤差[1?3]。但是對于長徑多徑信號來說，相關(guān)峰位置誤差會高達(dá)幾十個甚至上千個擴(kuò)頻碼片的傳播距離，所造成的偽距測量誤差從幾千米至幾十千米，在某些特殊條件下，偽距測量誤差甚至高達(dá)上百千米，從而造成定位解算的完全失效。

目前大量的文獻(xiàn)對導(dǎo)航信號接收中的短距多徑效應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了各種針對短距多徑信號的抑制與處理方法[4?7]，但是對長距多徑信號的判別與去除問題則沒有專門的分析。而本文重點(diǎn)針對導(dǎo)航信號接收中的長距多徑效應(yīng)展開研究，闡述了長距多徑信號的判別原理，討論了長距多徑信號的搜索區(qū)間范圍與去除方法，并對采取上述技術(shù)手段之后所帶來的導(dǎo)航接收機(jī)架構(gòu)上的變化進(jìn)行了分析，從而為該技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 長距多徑信號的判別原理

不失一般性，采用復(fù)基帶信號形式進(jìn)行討論。記接收機(jī)收到的直達(dá)信號為SX(t)，收到的M條多徑信號為：γi?SX(t-τi)，i=1,2,…,M，其中τi表示第i條多徑傳播路徑相對于直達(dá)信號產(chǎn)生的時延；γi為復(fù)數(shù)，表示第i個多徑傳播分量相對于直達(dá)信號的相對強(qiáng)度與附加相位值。于是接收機(jī)最終接收到的信號S(t)可表示成如下形式：

實(shí)際上衛(wèi)星導(dǎo)航定位中的多徑效應(yīng)與移動通信中的多徑效應(yīng)是有區(qū)別的。在移動通信的接收過程中，如果基站與移動臺之間存在視距傳播條件時，直達(dá)信號是存在的；如果基站與移動臺之間沒有視距條件，不可直視，此時就沒有直達(dá)信號，所有的信號都是經(jīng)過反射、衍射或散射之后才接收到的。在此條件下只要其中一條路徑的信號強(qiáng)度滿足門限要求，無線通信鏈路仍然是可以建立的。這一強(qiáng)度最大的信號分量一般稱為主信號，而其他的信號分量則被稱為多徑分量。顯然，在移動通信的非視距傳播條件下，多徑分量在時間上既可以滯后于主信號分量，也可以超前于主信號分量。

但是在衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用中，根據(jù)定位基本原理，偽距測量是以電磁波直線傳播為前提條件的，這就意味著精確定位的實(shí)施一定要求導(dǎo)航接收機(jī)與導(dǎo)航衛(wèi)星之間存在視距。所以在此條件下，衛(wèi)星導(dǎo)航接收中的多徑信號相對于直達(dá)信號來說，都不可能超前于直達(dá)信號，都具有正的時間延遲。即在式（1）中有下式成立：

按照直接序列擴(kuò)頻信號的偽碼相關(guān)接收方法，對信號S(t)進(jìn)行擴(kuò)頻碼相關(guān)運(yùn)算時，一共會得到M+1個相關(guān)峰，按照時間順序排列，第1個相關(guān)峰一定是直達(dá)信號對應(yīng)的相關(guān)峰，而后續(xù)的M個相關(guān)峰對應(yīng)于多徑信號的相關(guān)峰，這些相關(guān)峰的時間間隔就是多徑時延τi。

由式（2）可知，在衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用中直達(dá)信號相對于其他多徑信號來說，具有在時間上的最超前性，即在偽碼相關(guān)運(yùn)算中，直達(dá)信號將具有最超前的碼相位。這一特性是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用中判別直達(dá)信號與多徑信號的重要準(zhǔn)則。按照此準(zhǔn)則，每當(dāng)接收機(jī)對一顆導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號完成捕獲與跟蹤之后，在偽距測量之前，還需要增加一個操作步驟，就是判別當(dāng)前正在跟蹤的這一信號是直達(dá)信號還是多徑信號，只有在確認(rèn)該信號是來自該導(dǎo)航衛(wèi)星的直達(dá)信號時，才能實(shí)施偽距測量和定位解算，否則將有可能把長距多徑信號作為正常信號來捕獲與跟蹤，從而帶來很大的偽距測量誤差，甚至得到一個錯誤的定位結(jié)果。

2 長距多徑信號的搜索區(qū)間

如前所述，衛(wèi)星導(dǎo)航中長距多徑信號相對于直達(dá)信號來說，在時間上一定是滯后的，但是滯后的時間長度不會是無限大。因?yàn)樵谖词艿酵饨绺蓴_的情況下，長距多徑信號大多是由導(dǎo)航接收機(jī)所處環(huán)境中的反射傳播效應(yīng)所造成的[3]。在近地空間的導(dǎo)航應(yīng)用中，多徑長度與直達(dá)路徑長度之間的最大差值出現(xiàn)在如圖1所示的航空導(dǎo)航應(yīng)用場景中。

圖1 多徑與直達(dá)路徑分析場景示意圖

圖1中機(jī)載導(dǎo)航接收機(jī)接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號主要有兩條路徑：一條為直達(dá)路徑；另一條為經(jīng)過地球表面反射之后的路徑。在地球球心、接收機(jī)和該顆導(dǎo)航衛(wèi)星三點(diǎn)所決定的平面內(nèi)，以地球球心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以球心至接收機(jī)方向?yàn)閤軸正向，建立如圖1所示的坐標(biāo)系。設(shè)導(dǎo)航衛(wèi)星的坐標(biāo)為(xS,yS)，接收機(jī)的坐標(biāo)為(xr,0)，接收機(jī)相對于衛(wèi)星的相對仰角為α，導(dǎo)航衛(wèi)星、地心與接收機(jī)之間形成的夾角為β，導(dǎo)航衛(wèi)星相對于地面的軌道高度為hS，典型的導(dǎo)航衛(wèi)星如GPS衛(wèi)星的軌道高度為20 200 km，地球半徑R為6 400 km，實(shí)際應(yīng)用中航空器上的導(dǎo)航接收機(jī)距離地面的高度為hr，在近地空間中應(yīng)用的航空器的最大飛行高度一般在20 km以內(nèi)。于是有如下關(guān)系式成立：

且由下式可以求出在不同仰角α條件下，直達(dá)路徑長度Ld：

只要在圖1中求得電磁波在地球表面的反射點(diǎn)坐標(biāo)(xf,yf)，那么反射路徑的長度Lm就可以表示為：

根據(jù)電磁波發(fā)生反射的條件，反射點(diǎn)坐標(biāo)(xf,yf)滿足如下兩式：

式中atan?()表示反正切函數(shù)。由式（9），式（10）可以求解出反射點(diǎn)坐標(biāo)(xf,yf)，代入式（8）可求解出反射傳播路徑長度Lm。

綜合上述各式可以計(jì)算出當(dāng)接收仰角α從0°變化到90°時，接收機(jī)高度hr取不同值的情況下，反射路徑和直達(dá)路徑的長度之差ΔL=Lm-Ld，如圖2所示。

圖2 不同高度下路徑差隨仰角變化曲線圖

圖2中的4條曲線從下往上分別代表導(dǎo)航接收機(jī)距離地面的高度hr分別為：1 km，5 km，10，20 km，由此可見隨著高度的增加，反射路徑和直達(dá)路徑的長度之差越大。最大路徑差出現(xiàn)在接收機(jī)高度為20 km，仰角為90°時，此時的路徑差值為40 km。

由此可知，在近地空間的航空導(dǎo)航應(yīng)用中，多徑信號相對于直達(dá)信號來說，所多出來的最大傳播距離為40 km，對應(yīng)的最大傳播時延約為133 μs。這一數(shù)據(jù)就決定了導(dǎo)航接收機(jī)在捕獲跟蹤到一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號之后，該衛(wèi)星直達(dá)信號的偽碼相位一定位于當(dāng)前信號時刻至更早的133 μs這一區(qū)間所決定的范圍內(nèi)。如果在這一搜索區(qū)間范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)其他的與這顆導(dǎo)航衛(wèi)星有關(guān)的信號相關(guān)峰存在，則可以判斷當(dāng)前所捕獲跟蹤到的信號一定是這顆導(dǎo)航衛(wèi)星的直達(dá)信號。反之，如果在這一搜索區(qū)間范圍內(nèi)還發(fā)現(xiàn)有多個與這顆導(dǎo)航衛(wèi)星有關(guān)的信號相關(guān)峰存在，則將最超前的一個相關(guān)峰對應(yīng)的信號作為新的捕獲與跟蹤信號，然后再重復(fù)上述過程，直到判別出該導(dǎo)航衛(wèi)星的直達(dá)信號為止。獲得直達(dá)信號之后便可以進(jìn)行后續(xù)的偽距測量與定位解算，從而得到導(dǎo)航接收機(jī)所在的位置坐標(biāo)。

3 新的導(dǎo)航接收機(jī)處理架構(gòu)

由于在目前的導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)中，對于同一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號接收只分配一個相關(guān)接收通道，由該通道進(jìn)行信號的捕獲與跟蹤。如果該接收通道捕獲并跟蹤到的是該導(dǎo)航衛(wèi)星的直達(dá)信號，則可以獲得其正確的偽距測量值；但是如果該接收通道捕獲并跟蹤到的是該導(dǎo)航衛(wèi)星的一個長距多徑信號，那么其偽距測量值就會一直含有很大的測量誤差。所以要實(shí)現(xiàn)本文前面所提出的基于前向搜索的長距多徑信號判別，就需要對當(dāng)前接收機(jī)的架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，單獨(dú)使用一個接收通道作為長距多徑信號判別之用，如圖3所示。這一改進(jìn)并不會造成傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)硬件架構(gòu)的較大變化，只是在處理流程與軟件控制上做了調(diào)整。

圖3 新的導(dǎo)航接收機(jī)處理架構(gòu)框圖

圖3中的導(dǎo)航信號經(jīng)過放大變頻至中頻之后進(jìn)行數(shù)字化采樣，中頻采樣信號送入各個正常接收通道進(jìn)行PN碼的捕獲與跟蹤蹤。最右邊一個判別通道的硬件結(jié)構(gòu)仍然與其他通道一樣，但它輪循與其他正常接收通道配對使用。在與正常接收通道配對期間，正常接收通道已經(jīng)捕獲并跟蹤上一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號，判別通道就在此基礎(chǔ)上，相對于該正常接收通道在超前133 μs的時間范圍所決定的偽碼相位區(qū)間內(nèi)，搜索是否有與該導(dǎo)航衛(wèi)星信號有關(guān)的其他相關(guān)峰存在。如果存在，則可以判斷該正常接收通道當(dāng)前跟蹤的信號僅僅是一個長距多徑信號，則需要立即提前碼相位，轉(zhuǎn)移到判別通道新搜索出的相關(guān)峰位置所在處，進(jìn)行新的捕獲與跟蹤。如果在搜索區(qū)間內(nèi)不存在新的相關(guān)峰，則可以判斷當(dāng)前該正常接收通道中的信號是對應(yīng)該導(dǎo)航衛(wèi)星的直達(dá)信號，可以進(jìn)行后續(xù)的導(dǎo)航電文解調(diào)、偽距測量與定位解算。然后長距多徑信號判別接收通道再與下一個正常接收通道進(jìn)行配對，重復(fù)上述工作過程。長距多徑信號判別接收通道一直在上述過程中不斷輪循。以確保所有的正常接收通道中所捕獲跟蹤的信號全部為直達(dá)信號。

在這一新的接收機(jī)處理架構(gòu)中，長距多徑信號的搜索及相關(guān)運(yùn)算同正常信號捕獲時的搜索及相關(guān)運(yùn)算在硬件處理上是一致的，所以只使用了一個相關(guān)接收通道進(jìn)行輪循處理，就完成了所有接收通道的長距多徑信號的判別工作，占用的硬件資源少，而且不需要更改當(dāng)前已有接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，只需要對軟件進(jìn)行更新升級，加入新的控制處理流程即可。由于目前常用的導(dǎo)航接收機(jī)中相關(guān)接收通道的數(shù)量一般在8～12個左右，而衛(wèi)星導(dǎo)航定位的實(shí)施至少需要4顆衛(wèi)星，而比較常見的情況是采用6～7顆仰角條件較好的衛(wèi)星來實(shí)施定位，所以利用目前導(dǎo)航接收機(jī)中一個接收通道來進(jìn)行長距多徑信號的判別是實(shí)際可行的。

4 結(jié)語

本文針對衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收中的長距多徑效應(yīng)問題進(jìn)行了深入的分析，給出了長距多徑信號的判別方法，即通過前向搜索來獲得最超前到達(dá)的直達(dá)信號分量，從而獲得正確的偽距測量值。在此基礎(chǔ)上分析了在實(shí)際應(yīng)用中，通常情況下長距多徑信號的搜索范圍，討論了相關(guān)的信號處理方法與工作流程，以及本方法在實(shí)現(xiàn)過程中對導(dǎo)航接收機(jī)架構(gòu)上的改進(jìn)，并指出在保持現(xiàn)有接收機(jī)硬件架構(gòu)基本不變的情況下，通過改變軟件與控制流程即可實(shí)現(xiàn)基于前向搜索的長距多徑信號的判別與去除。從而為該方法的實(shí)際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

另一方面，長距多徑信號判別技術(shù)還可以擴(kuò)展應(yīng)用于“抗轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾”的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中。因?yàn)楸晦D(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航衛(wèi)星信號相對于真實(shí)直達(dá)信號來說在時間上也是滯后的[8]，所以在導(dǎo)航接收機(jī)中，被轉(zhuǎn)發(fā)的這一個信號實(shí)際上就等效于一個長距多徑信號。利用本文所提出的方法可以辨識出當(dāng)前接收機(jī)所接收到的信號是一個導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的直達(dá)信號，還是一個被轉(zhuǎn)發(fā)過的導(dǎo)航欺騙信號，這樣就可以在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中剔除“轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾信號”，從而最終使得導(dǎo)航接收機(jī)采用真實(shí)信號來獲得準(zhǔn)確的定位結(jié)果，所以本方法也可以極大地提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾的能力。

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Long distance multipath signal discrimination technique in GNSS based on forward searching

SHI Rong，DENG Ke
（Key Laboratory for Electronic Information Control，Chengdu 610036，China）

The multipath signals coming into GNSS（global navigation satellite system），especially the long?distance mul?tipath signals，may result in wrong capture and tracking for PN（pseudo noise）of the navigation signal，which may bring about the large pseudo?distance detection error，or even location invalidation.The direct path signal relative to multipath one can be discriminated on the basis of characteristic of most leading PN code phase in more direct path of the GNSS than that of the mul?tipath.After the normal capture and tracking procedure，the forward searching for the leading element continues for the new cor?relation?peak.If there is a new one，the more accurate pseudo?distance can be gotten by eliminating the long distance multipath signal.The searching interval for this signal is discussed and the new architecture for the receiver is designed.It is the new refe?rence for long distance multipath signal elimination and precise location in GNSS.

long distance multipath signal；most leading PN code phase；forward searching；multipath signal discrimina?tion；GNSS

TN967.1?34

A

1004?373X（2015）05?0159?04

石榮（1974—），男，四川人，博士。研究方向?yàn)殡娮訉?、通信與導(dǎo)航系統(tǒng)。

鄧科（1990—），男，四川人，碩士生。研究方向?yàn)樾盘柗治雠c處理

2014?10?05