李巖，董瑋，徐鵬程，渠謹(jǐn)黛，郭宏偉，谷淼

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011）

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，相對(duì)于其他導(dǎo)航系統(tǒng)，其擁有全天候、高精度、連續(xù)、實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。隨著車輛智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展，GNSS成為人們高效出行不可或缺的工具。

導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)行的軌道主要分布在中軌道和高軌道，衛(wèi)星距離地面的距離至少2萬(wàn)千米，衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射功率會(huì)受到電池功率和壽命的影響，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)傳輸?shù)降孛鏁r(shí)非常微弱，極易受到電磁射頻的干擾。其中，多徑干擾是一種在日常生活中普遍存在的干擾，由于其普遍性和特殊性，抑制多徑干擾的難度比較大。在水泥地面、水面等表面平整且開闊的反射物，多徑信號(hào)多以鏡面反射為主；在城市、峽谷、森林等環(huán)境中，多徑信號(hào)多以散射信號(hào)為主；在存在多徑干擾的環(huán)境中，GNSS接收模塊會(huì)同時(shí)收到衛(wèi)星直達(dá)的傳輸信號(hào)和多徑反射信號(hào)，接收模塊環(huán)路的鑒相特性會(huì)隨之變化，導(dǎo)致GNSS接收模塊產(chǎn)生定位誤差，影響定位精度。多徑信號(hào)會(huì)隨著外部環(huán)境的變化而變化，很難通過(guò)軟件建模方式或者差分處理方式進(jìn)行完全抑制。因此研究GNSS多徑抑制技術(shù)對(duì)于提升衛(wèi)星導(dǎo)航高精定位性能具有重大意義。

首先本文介紹了GNSS多徑信號(hào)產(chǎn)生原因及其特點(diǎn)，然后對(duì)導(dǎo)航信號(hào)體制設(shè)計(jì)、天線端抑制多徑技術(shù)及接收端處理抑制多徑技術(shù)等3種主要多徑抑制的方法進(jìn)行研究，最后結(jié)合當(dāng)前實(shí)際對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，為更深入開展GNSS多徑研究提供一定的參考。

1 多徑信號(hào)產(chǎn)生及特點(diǎn)

多徑信號(hào)是指GNSS衛(wèi)星無(wú)線電信號(hào)經(jīng)物體反射或散射后經(jīng)接收天線傳輸?shù)浇邮漳K的衛(wèi)星信號(hào)。多徑效應(yīng)是指衛(wèi)星無(wú)線電信號(hào)從定位衛(wèi)星途徑大氣層、山巒、建筑等會(huì)對(duì)電波造成反射的路徑到達(dá)接收機(jī)天線的傳播現(xiàn)象。

衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)反射或散射到達(dá)接收模塊天線，各路信號(hào)雖然發(fā)射時(shí)刻相同，但由于傳輸路徑不同，故到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間會(huì)有所差異，故相對(duì)于衛(wèi)星直達(dá)信號(hào)，多徑信號(hào)一般會(huì)有延遲。根據(jù)多徑信號(hào)不同生成原理可將多徑信號(hào)劃分為鏡面反射多徑和漫反射多徑。鏡面反射多徑是指將物體反射表面可看做鏡面，到達(dá)物體表面的信號(hào)將分量反射出去；慢反射多徑是指物體表面凸凹不平看做粗糙面，衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)粗糙表面后，散射到不同方向，在實(shí)際生活中，衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)植物、墻壁和衣物等物品的反射均可歸為漫反射。多徑信號(hào)具有以下特點(diǎn)。

1）多徑信號(hào)的幅度小于直達(dá)信號(hào)，即相對(duì)幅度的范圍在0~1之間。多徑信號(hào)產(chǎn)生原理是天空的衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)轿矬w上，經(jīng)過(guò)物體反射或散射后產(chǎn)生，在這個(gè)過(guò)程中衛(wèi)星信號(hào)功率會(huì)衰減，因此衛(wèi)星直達(dá)信號(hào)的功率及幅度大于多徑信號(hào)。

2）多徑信號(hào)存在一定的延遲。多徑信號(hào)相對(duì)于直達(dá)信號(hào)，其在傳輸路徑上花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。

2 抑制多徑技術(shù)回顧

抑制多徑技術(shù)研究方向分為3個(gè)方面：①在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段進(jìn)行多徑抑制技術(shù)研究；②在接收天線端研究抑制多徑技術(shù)；③在衛(wèi)星信號(hào)接收端研究抑制多徑技術(shù)。衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段多徑技術(shù)研究主要采用改變衛(wèi)星信號(hào)特性的方式來(lái)降低多徑誤差，如改變信號(hào)調(diào)制方式、載波頻率、擴(kuò)頻碼等。接收天線端抑制多徑技術(shù)研究主要采用改變天線結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)天線性能等方式。衛(wèi)星信號(hào)接收端抑制多徑技術(shù)研究主要采用更改接收機(jī)內(nèi)部電路環(huán)路、提高多徑抑制算法等方面進(jìn)行研究。

2.1 衛(wèi)星信號(hào)端多徑抑制技術(shù)

衛(wèi)星信號(hào)的特性會(huì)影響多徑誤差，傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)如GPS信號(hào)采用BPSK調(diào)制，隨著衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，新的GNSS調(diào)試方式變化為BOC、MBOC、AltBOC等。相對(duì)于傳統(tǒng)信號(hào)調(diào)制方式，新的調(diào)試方式針對(duì)多徑抑制算法更加完善和成熟。

毛虎等通過(guò)分析L1/E1/B1等頻段衛(wèi)星信號(hào)的測(cè)距碼和載波信號(hào)對(duì)多徑的影響，通過(guò)提高BOC調(diào)制信號(hào)及其衍生的副載波信號(hào)的頻率、相位及測(cè)距碼速率，可有效降低多徑造成的跟蹤誤差。符強(qiáng)等根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)BOC調(diào)制的特性，通過(guò)對(duì)重構(gòu)子互相關(guān)函數(shù)的無(wú)模糊度跟蹤方法的研究，有效提高了衛(wèi)星信號(hào)的抗多徑性能。Dempster等人通過(guò)改進(jìn)gated-BOC-PRN方法，對(duì)衛(wèi)星BOC信號(hào)的碼片邊緣進(jìn)行閘波信號(hào)處理，從而有效地提高衛(wèi)星信號(hào)的多徑抑制能力。

2.2 接收天線端抑制多徑技術(shù)

接收天線端抑制多徑技術(shù)主要是通過(guò)優(yōu)化天線自身特性、改變天線陣列結(jié)構(gòu)和增加天線數(shù)量等3種方法進(jìn)行研究，這類技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于天線成本低，易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)在于對(duì)來(lái)自天線上方的多徑信號(hào)無(wú)法有效抑制，故具有一定的局限性。

王雅芳等設(shè)計(jì)了一種微帶天線，此天線攜帶扼流圈，輻射片上加載的矩形方塊用于調(diào)諧天線諧振頻率，通過(guò)這種設(shè)計(jì)在減小天線輻射的有效口徑的同時(shí)也縮小了天線尺寸，減小了天線定方向的增益，從而有效抑制了多徑現(xiàn)象。尚曉輝等通過(guò)研究天線陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、陣列天線互藕效應(yīng)及通道失配等因素對(duì)天線抗干擾的影響，對(duì)接收模塊的天線陣列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出7陣元抗干擾陣列天線，此天線可有效抑制多徑干擾影響。進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化天線方向圖，減少對(duì)地面發(fā)射信號(hào)的接收，從而降低了多徑現(xiàn)象。馮起等提出了一種天線的自適應(yīng)算法，該算法將數(shù)字與模擬相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)功率倒置，通過(guò)這種方法可以減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度，改天線系統(tǒng)可有效提高接收機(jī)抗干擾能力。鄧志鑫等對(duì)SMI算法進(jìn)行改進(jìn)，并提出一種線性化迭代的權(quán)值更新算法，該算法可減低迭代次數(shù)從而大大降低了計(jì)算的復(fù)雜度，從而為抗干擾導(dǎo)航終端提供參考。李?yuàn)^翔等提出了基于稀疏陣列的虛擬域子空間聯(lián)合抗干擾算法，通過(guò)該算法構(gòu)建虛擬的均勻天線，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的精確估計(jì)，將此算法結(jié)合自適應(yīng)波束形成技術(shù)可對(duì)干擾進(jìn)行有效抑制。MARAIS等增加接收天線的數(shù)量，通過(guò)空間分集來(lái)檢測(cè)、估計(jì)和削弱多徑信號(hào)的影響。齊運(yùn)馳等提出了一種基于差分進(jìn)化算法的偽距定位方法，通過(guò)增加天線數(shù)量有效提高了定位性能，從而減低定位誤差，減少多徑信號(hào)的影響。

2.3 衛(wèi)星信號(hào)接收端抑制多徑技術(shù)

衛(wèi)星信號(hào)接收端抑制多徑技術(shù)主要從數(shù)據(jù)后處理技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等兩方面入手，數(shù)字后處理技術(shù)是依據(jù)多徑的頻率和周期等特性通過(guò)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，降低多徑影響，其優(yōu)點(diǎn)是不用改變接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)為沒(méi)有從根本上解決多徑信號(hào)的影響且應(yīng)用條件有限，穩(wěn)定性差。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)主要是通過(guò)改變接收機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式來(lái)減低多徑信號(hào)的影響，對(duì)其研究主要分為兩個(gè)方向，即非參量式和參量式。非參量式是通過(guò)改變GNSS接收機(jī)的環(huán)路結(jié)構(gòu)和鑒別器來(lái)降低多徑信號(hào)影響。參量式是通過(guò)改變相關(guān)器個(gè)數(shù)和觀測(cè)量大小，對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評(píng)估，進(jìn)而降低多徑信號(hào)的影響。

賈瓊瓊等基于RELAX算法提出了一種低復(fù)雜度多徑干擾抑制算法，通過(guò)該算法可有效篩選出衛(wèi)星直達(dá)接收模塊的信號(hào)和衛(wèi)星經(jīng)過(guò)多徑反射到接收模塊的信號(hào)，運(yùn)用線性約束最小方差準(zhǔn)則，增益衛(wèi)星直達(dá)信號(hào)的強(qiáng)度，試驗(yàn)證明該算法可有效抑制多徑干擾。葛寶爽等提出了一種GNSS多徑誤差抑制方案，此方案包括自適應(yīng)卡爾曼濾波器和衛(wèi)星多徑信號(hào)誤差卡方檢測(cè)器等兩部分，卡方檢驗(yàn)器通過(guò)判斷測(cè)量的信息零均值特性是否喪失從而估算出多徑誤差，自適應(yīng)卡爾曼濾波器根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)的冗余評(píng)估當(dāng)前測(cè)量噪聲的協(xié)方差矩陣，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)權(quán)重增加濾波性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)該方案可有效抑制多徑誤差。

張之探等利用窄相關(guān)技術(shù)，通過(guò)設(shè)定門限后，跟蹤環(huán)路階段不同導(dǎo)致相干積分時(shí)間變化的策略，提出自適應(yīng)載波環(huán)路跟蹤方法，進(jìn)而提高了衛(wèi)星定位接收模塊關(guān)于弱信號(hào)的跟蹤能力，有效抑制了多徑現(xiàn)象。高科等利用衛(wèi)星信號(hào)的多門延遲特性和衛(wèi)星坐標(biāo)的曲線擬合技術(shù)，重構(gòu)了偽碼的自相關(guān)函數(shù)，精確解析出了衛(wèi)星直達(dá)信號(hào)位置，進(jìn)一步通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)直達(dá)信號(hào)位置和接收模塊碼跟蹤環(huán)路的衛(wèi)星信號(hào)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，利用兩者的定位偏差提高接收機(jī)的抗多徑抑制能力。高源等提出一種可變間距采樣的多徑估計(jì)方法，通過(guò)對(duì)變化的間距進(jìn)行采樣，使其采樣位置靠近GNSS衛(wèi)星直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)的峰值，進(jìn)一步提升了多徑測(cè)算準(zhǔn)確度，在相關(guān)器的個(gè)數(shù)相同情況下，采用此方法可有效抑制多徑現(xiàn)象。

魏國(guó)慶等在Teager-Kaiser算法和多徑估計(jì)延遲鎖定環(huán)算法的基礎(chǔ)上，提出一種GPS多徑抑制的改進(jìn)算法，即將TK算子和MELL結(jié)合起來(lái)，從整體上估計(jì)多徑信號(hào)和直達(dá)信號(hào)，從而在接收模塊中識(shí)別并分離出多徑信號(hào)，從而提高衛(wèi)星接收端的抗多徑的性能。陳強(qiáng)等提出粒子波作為一種基于蒙特卡洛方法的貝葉斯計(jì)算法，相對(duì)于傳統(tǒng)窄相關(guān)方法，此種算法在魯棒性較好且運(yùn)算量較小的同時(shí)可有效抑制多徑問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

總體看來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者近年來(lái)對(duì)GNSS多徑抑制技術(shù)進(jìn)行了各個(gè)方面和維度的研究，取得了豐碩的結(jié)果。隨著全球?qū)Ш较到y(tǒng)的完善和成型，導(dǎo)航高精定位的研究受到了科研人員的重視，在導(dǎo)航精度的研究中導(dǎo)航信號(hào)多徑抑制技術(shù)是繞不開的課題。

截止目前，GNSS多徑抑制技術(shù)主要通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)端、接收天線端和衛(wèi)星信號(hào)接收端等3個(gè)方面進(jìn)行多徑技術(shù)抑制研究。隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制方式研究重點(diǎn)逐漸從BPSK調(diào)制多徑抑制技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)锽OC、MBOC及AltBOC調(diào)制多徑抑制技術(shù)研究，無(wú)論是BPSK調(diào)試還是BOC、MBOC及AltBOC調(diào)試都無(wú)法通過(guò)改變衛(wèi)星信號(hào)特性來(lái)解決多徑抑制問(wèn)題。天線抑制多徑技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)朝著天線微型化、多陣列的方向發(fā)展。接收端抑制多徑技術(shù)主要趨勢(shì)是通過(guò)對(duì)多徑估算的算法研究來(lái)減低多徑影響，其中最具有代表的算法是多徑估計(jì)延遲鎖定環(huán)路算法（MEDLL），MEDLL算法可以估算出接收信號(hào)中的直射分量和多徑分量的碼相位和載波相位，但是其需要較高的信號(hào)采樣率和更多的相關(guān)器，這就造成系統(tǒng)復(fù)雜度高且計(jì)算消耗大，故后期的研究方向?yàn)闇p低算法復(fù)雜度，提高算法適應(yīng)性。隨著對(duì)高精定位要求越來(lái)越高，開展多徑抑制技術(shù)的研究將成為一個(gè)重要方面。