周啟平

（安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

城市化的快速發(fā)展，給城市應(yīng)對(duì)行政、基礎(chǔ)設(shè)施、物流和運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)。針對(duì)如此高動(dòng)態(tài)且要求嚴(yán)格的環(huán)境，準(zhǔn)確可靠的定位、導(dǎo)航和定時(shí)（Positioning，Navigation and Timing，PNT）服務(wù)對(duì)于海上導(dǎo)航、交通安全、電力、鐵路、警務(wù)及農(nóng)業(yè)等民用和軍事應(yīng)用至關(guān)重要。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）通過(guò)利用精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）技術(shù)，可以在開(kāi)放環(huán)境下提供準(zhǔn)確可靠的厘米級(jí)定位服務(wù)。定位導(dǎo)航界普遍使用多星座GNSS作為定位和導(dǎo)航的主要手段，然而在高動(dòng)態(tài)的復(fù)雜環(huán)境中，由于信號(hào)阻塞、衰落/陰影、多徑（Multipath，MP）和干擾等因素，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的可用性、連續(xù)性和準(zhǔn)確性可能會(huì)受到影響。在這種環(huán)境中，衛(wèi)星信號(hào)被反射、散射、波動(dòng)，有時(shí)被高層建筑的屋頂和墻壁、跨線橋和復(fù)雜的道路場(chǎng)景完全阻擋，使得定位信息不準(zhǔn)確、不可靠且基本不可用，導(dǎo)致導(dǎo)航服務(wù)減少或無(wú)服務(wù)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)由空間段、控制和監(jiān)測(cè)段以及用戶(hù)段組成。GNSS 接收機(jī)通過(guò)處理接收到的GNSS 信號(hào)和估計(jì)行程時(shí)間，從導(dǎo)航信息中得到衛(wèi)星位置(xk,yk,zk)，其中k表示衛(wèi)星編號(hào)。接收機(jī)使用衛(wèi)星位置來(lái)估計(jì)接收機(jī)與第k顆衛(wèi)星之間的距離，即偽距，最終利用不同衛(wèi)星的偽距得出用戶(hù)位置的最終估計(jì)值(x,y,z)。目前主流的高精度定位技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)GNSS、差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Differential Global Navigation Satellite System，DGNSS）、實(shí)時(shí)查分定位（Real-Time Kinematic，RTK）、星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）以及PPP 等，各定位方式的精度等級(jí)如表1 所示。

表1 定位方法精度等級(jí)比較

PPP 定位方法相比于其他方法具有一定優(yōu)勢(shì)。其通過(guò)使用雙頻偽距和載波相位測(cè)量以及星歷校正可為用戶(hù)提供高精度定位。PPP 與標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的比較如圖1 所示。在PPP 中，需要針對(duì)電離層延遲、對(duì)流層延遲、時(shí)鐘偏差、多徑以及其他測(cè)量噪聲引起的誤差加以考慮。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)與PPP 算法比較

上述提及的大多數(shù)誤差基本上為確定性誤差，可以通過(guò)可用模型進(jìn)行誤差均衡。然而，由于其高動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，在許多情況下，多徑或非視距誤差等誤差難以消除。近年來(lái)，有多項(xiàng)研究提出了在不同層面上對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、建模和抑制的技術(shù)，如天線、接收機(jī)、測(cè)量和位置。文獻(xiàn)［1］討論了一些抑制多徑的常見(jiàn)技術(shù)，其核心思想為：對(duì)受影響的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行去權(quán)重，采用雙極化天線，使用矢量跟蹤回路；基于導(dǎo)航處理器的技術(shù)，將一致性檢查應(yīng)用于偽距測(cè)量。文獻(xiàn)［2］聚焦于仰角和載噪比來(lái)抑制多徑效應(yīng)。文獻(xiàn)［3］使用雙極化天線來(lái)抑制多徑，提高定位精度。這些技術(shù)可以在一定程度上減小多徑誤差，但想要在開(kāi)放環(huán)境中完全消除它們，對(duì)于導(dǎo)航接收機(jī)而言，面臨很高的挑戰(zhàn)。

在開(kāi)闊環(huán)境下，PPP的平均定位誤差小于1 m［4］。對(duì)于弱信號(hào)環(huán)境，由于信號(hào)阻塞和MP/NLOS 導(dǎo)致導(dǎo)航服務(wù)中斷或性能下降的可能性很大，即使接收機(jī)配備了額外的誤差建模，也可能無(wú)法達(dá)到該精度水平。

針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)，本文全面研究了在低動(dòng)態(tài)和高動(dòng)態(tài)多徑環(huán)境中可能影響全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)性能的潛在漏洞，如開(kāi)放環(huán)境、具有視距（Line of Sight，LOS）和非視距（Non Line of Sight，NLOS）信號(hào)的部分退化環(huán)境以及無(wú)視距信號(hào)接收的高多徑環(huán)境［5］。

本文針對(duì)可用性、信號(hào)特性、服務(wù)連續(xù)性和準(zhǔn)確性等方面，對(duì)距離均方根差（Distance Root Mean Square，DRMS）、圓概率誤差（Circular Error Probable，CEP）和精度稀釋?zhuān)―ilution of Precision，DOP）等特性進(jìn)行詳細(xì)分析。為了提高接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)多徑環(huán)境下的性能，提出了一種基于自適應(yīng)環(huán)境的導(dǎo)航算法，并將其應(yīng)用于GNSS 接收機(jī)中，基于環(huán)境檢測(cè)和表征進(jìn)行位置改進(jìn)。

2 性能評(píng)估方法

為充分了解單星座和多星座GNSS 接收機(jī)在位置估計(jì)中遇到的問(wèn)題，首先要對(duì)觀測(cè)信號(hào)模型進(jìn)行評(píng)估。由于地面接收機(jī)接收到的GNSS 信號(hào)比背景噪聲弱，因此容易出現(xiàn)多種噪聲源和誤差源。用于位置估計(jì)的偽距方程可表示為

式中：ρk為接收機(jī)與第k顆衛(wèi)星之間的偽距，k∈ {1 ,…,N}，N為可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)（N≥4）；表示第k顆衛(wèi)星與接收機(jī)之間的真實(shí)距離，Pk=(xk,yk,zk)為已知的第k顆衛(wèi)星的位置，Pr=(x,y,z)為待估計(jì)的接收機(jī)位置，是第k顆衛(wèi)星與空間效應(yīng)相關(guān)的誤差；εcb=c(dt-dTk)為由時(shí)鐘偏差引起的誤差，其中dt為接收機(jī)鐘差，dTk為衛(wèi)星鐘差；在使用多星座的情況下，必須考慮系統(tǒng)間偏差Bτ；為與第k顆衛(wèi)星相關(guān)的環(huán)境誤差因素。

對(duì)于上述恒定誤差源，可通過(guò)相關(guān)抑制模型進(jìn)行均衡。然而，由于工作環(huán)境具有隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，位置估計(jì)會(huì)受到嚴(yán)重影響。εek為與第k顆衛(wèi)星相關(guān)的誤差因素，僅由環(huán)境引起的誤差建模為

式中：εβ為衛(wèi)星可用性降低引起的誤差，εNLOS/MP為與NLOS 接收或多徑相關(guān)的誤差，εG為幾何結(jié)構(gòu)不良引起的誤差［6］。

綜合上述誤差，式（1）的偽距方程可表示為

2.1 衛(wèi)星可用性和阻塞系數(shù)

衛(wèi)星可用性定義為在特定時(shí)間由GNSS 接收機(jī)在特定位置鎖定的衛(wèi)星數(shù)量，并通過(guò)阻塞系數(shù)β進(jìn)行量化。β通過(guò)比較特定觀測(cè)環(huán)境和開(kāi)闊環(huán)境中鎖定衛(wèi)星的數(shù)量估計(jì)得出，觀測(cè)環(huán)境包括室內(nèi)、信號(hào)被遮擋甚至無(wú)信號(hào)等場(chǎng)所。阻塞系數(shù)β可表示為

式中：VSavg為晴空環(huán)境中檢測(cè)到的平均衛(wèi)星數(shù)，BSavg為給定時(shí)間間隔內(nèi)觀測(cè)環(huán)境中檢測(cè)到的平均衛(wèi)星數(shù)［7］。

2.2 連續(xù)性和服務(wù)中斷

安全和安保關(guān)鍵應(yīng)用要求對(duì)PNT 解決方案進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)和不間斷的估計(jì)。連續(xù)性可以定義為系統(tǒng)在沒(méi)有任何中斷或故障的情況下運(yùn)行的能力。在本文中，連續(xù)性通過(guò)接收機(jī)鎖定的信號(hào)丟失來(lái)量化，信號(hào)丟失與否取決于信號(hào)強(qiáng)度（Signal Intensity，SI），而信號(hào)強(qiáng)度會(huì)受到非視距接收、多徑、衰落等因素的影響。在高動(dòng)態(tài)的環(huán)境中，由于多徑、非視距和衰落等因素，信號(hào)強(qiáng)度可能會(huì)隨機(jī)波動(dòng)，這使得接收機(jī)鎖定衛(wèi)星變得困難。SI可表示為

式中：Pmax和Pmin分別為接收信號(hào)的最大和最小功率電平［8］。只要SI大于某一水平，就有可能發(fā)生失鎖事件。因此，SI可用于確定特定衛(wèi)星信號(hào)失去鎖定的次數(shù)和連續(xù)性因子δ，δ表示為

式中：VStotal表示可見(jiàn)衛(wèi)星的總數(shù)，BSloss表示發(fā)生失鎖事件的衛(wèi)星總數(shù)。當(dāng)(VStotal-BSloss)＜N時(shí)，GNSS 服務(wù)將發(fā)生中斷。

2.3 精度和準(zhǔn)確度測(cè)量

GNSS 接收機(jī)的效率由其提供的精度和準(zhǔn)確度來(lái)評(píng)估。準(zhǔn)確度是指接近真實(shí)位置的程度，而精度是指接近平均值或真實(shí)位置的程度。

對(duì)于靜態(tài)GNSS 接收機(jī)，報(bào)告位置一般分散在某個(gè)區(qū)域，這種分散是由于測(cè)量誤差造成的。準(zhǔn)確度和精度是用來(lái)分析接收機(jī)效率的關(guān)鍵參數(shù)。在本文中，所使用的準(zhǔn)確度和精度測(cè)量如下所述。

2.3.1 準(zhǔn)確度評(píng)估

為了分析和量化GNSS 性能，使用置信區(qū)域來(lái)測(cè)量準(zhǔn)確度。在本文中，使用CEP 和DRMS 兩個(gè)因素來(lái)估計(jì)準(zhǔn)確度。

（1）CEP。CEP 是在以天線真實(shí)位置為圓心的圓內(nèi)，偏離圓心概率為50%的二維點(diǎn)位離散分布度量。CEP 表示為

式中：σx表示估計(jì)位置坐標(biāo)(x,y)的標(biāo)準(zhǔn)差。

（2）DRMS。DRMS 是一種二維準(zhǔn)確度評(píng)估度量，預(yù)計(jì)65%的測(cè)量位置位于置信區(qū)域內(nèi)，DRMS表示為

式中：σ2表示估計(jì)位置坐標(biāo)(x,y)的方差。置信區(qū)域半徑高度依賴(lài)于定位誤差，隨著誤差增加，半徑會(huì)增大，導(dǎo)致準(zhǔn)確度降低。

2.3.2 精度稀釋

GNSS 接收機(jī)報(bào)告位置的精度可能會(huì)受到衛(wèi)星幾何的影響，在軌衛(wèi)星的數(shù)量和幾何位置會(huì)導(dǎo)致位置不確定性，一般采用DOP 來(lái)量化。位置DOP（Position Dilution of Precision，PDOP）是指由衛(wèi)星的相對(duì)位置和衛(wèi)星的幾何形狀引起的定位誤差。PDOP 值小于1，意味著良好的衛(wèi)星幾何形狀。隨著PDOP 值開(kāi)始增加，誤差也開(kāi)始增大。PDOP 可表示為

3 自適應(yīng)GNSS 接收機(jī)設(shè)計(jì)

在大多數(shù)情況下，GNSS 系統(tǒng)可以提供可接受的定位精度。然而，在高動(dòng)態(tài)多徑等環(huán)境中，不同工作條件下GNSS 的性能具有較大差異。盡管組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以在一定程度上提高系統(tǒng)可用性和準(zhǔn)確性，但不能保證無(wú)處不在的定位和導(dǎo)航。因此，必須設(shè)計(jì)出一種可靠的模型來(lái)進(jìn)一步提高GNSS 接收機(jī)性能。當(dāng)前，對(duì)于提高GNSS 接收機(jī)性能的常見(jiàn)方法有：

（1）通過(guò)增加在軌衛(wèi)星數(shù)量來(lái)顯著提高城市地區(qū)PNT 服務(wù)的可用性，但對(duì)于高度退化環(huán)境效果并不大；

（2）通過(guò)最小化MP/NLOS 對(duì)定位精度的影響，將MP/NLOS 信號(hào)視為干擾，降低在天線或接收機(jī)側(cè)的影響權(quán)重，可在一定程度上提高定位精度，但在衛(wèi)星可用性有限的密集多徑環(huán)境中可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)中斷。

大多數(shù)研究方法主要依靠信號(hào)強(qiáng)度、衛(wèi)星可用性及DOP 等信號(hào)特征來(lái)表征環(huán)境，但在多星座多頻率（Multi-constellation Multi-frequency，MCMF）情況下，信號(hào)強(qiáng)度對(duì)環(huán)境檢測(cè)效果有限，其原因有：MP或NLOS 對(duì)信號(hào)強(qiáng)度影響較大；在多星座的情況下，在信號(hào)級(jí)監(jiān)測(cè)大量衛(wèi)星會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)荷；信號(hào)強(qiáng)度受到接收機(jī)效率、天線仰角等很多因素影響。因此，使用MCMF 系統(tǒng)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度并非合適的選擇。

本文提出一種基于復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)導(dǎo)航算法，以提高定位的可用性和準(zhǔn)確性。該算法基于環(huán)境檢測(cè)和特征描述，使用MCMF 接收機(jī)配置進(jìn)行測(cè)試。自適應(yīng)導(dǎo)航算法與以往模型之間的主要區(qū)別在于，其沒(méi)有將信號(hào)強(qiáng)度用作環(huán)境檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，而是使用可用性和準(zhǔn)確性度量來(lái)進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)和表征。自適應(yīng)導(dǎo)航算法所使用的因素包括衛(wèi)星可用性、阻塞系數(shù)、連續(xù)性系數(shù)以及PDOP?；趶?fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)導(dǎo)航算法工作流和GNSS 接收機(jī)設(shè)計(jì)方案分別如圖2 和3 所示。

圖2 基于復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)導(dǎo)航算法工作流

4 結(jié)語(yǔ)

為了克服多星座GNSS 的可用性、準(zhǔn)確性和精度問(wèn)題，本文提出了一種自適應(yīng)導(dǎo)航算法。該算法基于信號(hào)特征模型來(lái)識(shí)別低多徑、中多徑和高多徑環(huán)境以及阻塞系數(shù)。然后將所提出的自適應(yīng)導(dǎo)航算法合并到GNSS 接收機(jī)中，根據(jù)檢測(cè)環(huán)境的最低性能水平指標(biāo)來(lái)更新跟蹤環(huán)路參數(shù)，從而提高衛(wèi)星在高動(dòng)態(tài)多徑環(huán)境中的可用性、準(zhǔn)確度和精度，同時(shí)不會(huì)在處理能力或額外成本方面給接收機(jī)帶來(lái)任何額外負(fù)擔(dān)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

圖3 GNSS 接收機(jī)設(shè)計(jì)方案