基于前向搜索的GNSS長距多徑信號判別技術

石榮　鄧科

摘 要： 衛星導航接收機中的多徑信號，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，利用衛星導航系統中獨有的直達信號相對于多徑信號具有最超前碼相位的特性，在導航信號捕獲跟蹤之后，繼續通過相關峰前向搜索的方法來判別直達信號與多徑信號，在剔除多徑分量之后獲得準確的偽距測量值。在此基礎上討論了長距多徑信號的搜索區間，給出了新的接收機處理架構，從而為衛星導航中長距多徑信號的去除與精確定位的實施提供了重要參考。

關鍵詞： 長距多徑信號； 最超前碼相位； 前向搜索； 多徑信號判別； 全球衛星導航系統

中圖分類號： TN967.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0159?04

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）

Abstract： The multipath signals coming into GNSS （global navigation satellite system）， especially the long?distance multipath 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 multipath. After the normal capture and tracking procedure， the forward searching for the leading element continues for the new correlation?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.

Keywords： long distance multipath signal； most leading PN code phase； forward searching； multipath signal discrimination； GNSS

0 引 言

衛星導航接收機除了收到來至導航衛星發射的直達信號之外，還會接收到由地面、海面、大型建筑物以及其他障礙物導致的反射、衍射和散射而產生的來自不同方向的多徑信號。根據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。在地面和海面導航應用中，由于環境中的反射體一般距離接收機較近，所以以短距多徑信號為主。但是在航空導航應用中，飛行器上的導航接收機除了會收到機體反射所產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，所以這一經過反射傳播的導航信號就屬于典型的長距多徑信號。

眾所周知，現代衛星導航系統，如GPS，GLONASS，Galileo，BD等，實施導航定位的基礎都是測量接收機到每一顆導航衛星的直線偽距，然后以每一顆導航衛星的當前位置作為基準點，通過定位方程來解算出接收機所在位置處的坐標。如果導航接收機捕獲跟蹤到的信號是直達信號的多徑分量，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，與直達信號之間的時延在一個或幾個擴頻碼片周期范圍，所以會造成偽距測量中相關峰位置發生偏移，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，相關峰位置誤差會高達幾十個甚至上千個擴頻碼片的傳播距離，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上百千米，從而造成定位解算的完全失效。

目前大量的文獻對導航信號接收中的短距多徑效應進行了研究，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。而本文重點針對導航信號接收中的長距多徑效應展開研究，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間范圍與去除方法，并對采取上述技術手段之后所帶來的導航接收機架構上的變化進行了分析，從而為該技術的實際工程應用奠定了基礎。

1 長距多徑信號的判別原理

不失一般性，采用復基帶信號形式進行討論。記接收機收到的直達信號為[SXt，]收到的[M]條多徑信號為：[γi?SXt-τi，][i=1，2，…，M，]其中[τi]表示第[i]條多徑傳播路徑相對于直達信號產生的時延；[γi]為復數，表示第[i]個多徑傳播分量相對于直達信號的相對強度與附加相位值。于是接收機最終接收到的信號[St]可表示成如下形式：

[St=SXt+i=1Mγi?SXt-τi] （1）

實際上衛星導航定位中的多徑效應與移動通信中的多徑效應是有區別的。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，此時就沒有直達信號，所有的信號都是經過反射、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度滿足門限要求，無線通信鏈路仍然是可以建立的。這一強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。

但是在衛星導航定位應用中，根據定位基本原理，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施一定要求導航接收機與導航衛星之間存在視距。所以在此條件下，衛星導航接收中的多徑信號相對于直達信號來說，都不可能超前于直達信號，都具有正的時間延遲。即在式（1）中有下式成立：

[τi>0，i=1，2，…，M] （2）

按照直接序列擴頻信號的偽碼相關接收方法，對信號[St]進行擴頻碼相關運算時，一共會得到[M+1]個相關峰，按照時間順序排列，第1個相關峰一定是直達信號對應的相關峰，而后續的[M]個相關峰對應于多徑信號的相關峰，這些相關峰的時間間隔就是多徑時延[τi。]

由式（2）可知，在衛星導航應用中直達信號相對于其他多徑信號來說，具有在時間上的最超前性，即在偽碼相關運算中，直達信號將具有最超前的碼相位。這一特性是衛星導航應用中判別直達信號與多徑信號的重要準則。按照此準則，每當接收機對一顆導航衛星發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，就是判別當前正在跟蹤的這一信號是直達信號還是多徑信號，只有在確認該信號是來自該導航衛星的直達信號時，才能實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果。

2 長距多徑信號的搜索區間

如前所述，衛星導航中長距多徑信號相對于直達信號來說，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。因為在未受到外界干擾的情況下，長距多徑信號大多是由導航接收機所處環境中的反射傳播效應所造成的[3]。在近地空間的導航應用中，多徑長度與直達路徑長度之間的最大差值出現在如圖1所示的航空導航應用場景中。

圖1中機載導航接收機接收導航衛星發射的導航信號主要有兩條路徑：一條為直達路徑；另一條為經過地球表面反射之后的路徑。在地球球心、接收機和該顆導航衛星三點所決定的平面內，以地球球心為坐標原點，以球心至接收機方向為[x]軸正向，建立如圖1所示的坐標系。設導航衛星的坐標為[xS，yS，]接收機的坐標為[xr，0，]接收機相對于衛星的相對仰角為[α，]導航衛星、地心與接收機之間形成的夾角為[β，]導航衛星相對于地面的軌道高度為[hS，]典型的導航衛星如GPS衛星的軌道高度為20 200 km，地球半徑[R]為6 400 km，實際應用中航空器上的導航接收機距離地面的高度為[hr，]在近地空間中應用的航空器的最大飛行高度一般在20 km以內。于是有如下關系式成立：

[tgα=xS-xryS] （3）

[tg β=ySxS] （4）

[xr=R+hr] （5）

[x2S+y2S=R+hS] （6）

且由下式可以求出在不同仰角[α]條件下，直達路徑長度[Ld：]

[Ldsinα+R+hr2+Ldcosα2=R+hS2] （7）

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

[Lm=xr-xf2+y2f+xS-xf2+yS-yf2] （8）

根據電磁波發生反射的條件，反射點坐標[xf，yf]滿足如下兩式：

[x2f+y2f=R] （9）

[atanyS-yfxS-xf-atanyfxf=atanyfxr-xf+atanyfxf] （10）

式中[atan?]表示反正切函數。由式（9），式（10）可以求解出反射點坐標[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算出當接收仰角[α]從0°變化到90°時，接收機高度[hr]取不同值的情況下，反射路徑和直達路徑的長度之差[ΔL=Lm-Ld，]如圖2所示。

圖2中的4條曲線從下往上分別代表導航接收機距離地面的高度[hr]分別為：1 km，5 km，10，20 km，由此可見隨著高度的增加，反射路徑和直達路徑的長度之差越大。最大路徑差出現在接收機高度為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航應用中，多徑信號相對于直達信號來說，所多出來的最大傳播距離為40 km，對應的最大傳播時延約為133 μs。這一數據就決定了導航接收機在捕獲跟蹤到一顆導航衛星的信號之后，該衛星直達信號的偽碼相位一定位于當前信號時刻至更早的133 μs這一區間所決定的范圍內。如果在這一搜索區間范圍內沒有發現其他的與這顆導航衛星有關的信號相關峰存在，則可以判斷當前所捕獲跟蹤到的信號一定是這顆導航衛星的直達信號。反之，如果在這一搜索區間范圍內還發現有多個與這顆導航衛星有關的信號相關峰存在，則將最超前的一個相關峰對應的信號作為新的捕獲與跟蹤信號，然后再重復上述過程，直到判別出該導航衛星的直達信號為止。獲得直達信號之后便可以進行后續的偽距測量與定位解算，從而得到導航接收機所在的位置坐標。

3 新的導航接收機處理架構

由于在目前的導航接收機設計中，對于同一顆導航衛星的信號接收只分配一個相關接收通道，由該通道進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航衛星的直達信號，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航衛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。所以要實現本文前面所提出的基于前向搜索的長距多徑信號判別，就需要對當前接收機的架構進行改進，單獨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。這一改進并不會造成傳統導航接收機硬件架構的較大變化，只是在處理流程與軟件控制上做了調整。

圖3中的導航信號經過放大變頻至中頻之后進行數字化采樣，中頻采樣信號送入各個正常接收通道進行PN碼的捕獲與跟蹤蹤。最右邊一個判別通道的硬件結構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，正常接收通道已經捕獲并跟蹤上一顆導航衛星的信號，判別通道就在此基礎上，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間內，搜索是否有與該導航衛星信號有關的其他相關峰存在。如果存在，則可以判斷該正常接收通道當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，轉移到判別通道新搜索出的相關峰位置所在處，進行新的捕獲與跟蹤。如果在搜索區間內不存在新的相關峰，則可以判斷當前該正常接收通道中的信號是對應該導航衛星的直達信號，可以進行后續的導航電文解調、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行配對，重復上述工作過程。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信號。

在這一新的接收機處理架構中，長距多徑信號的搜索及相關運算同正常信號捕獲時的搜索及相關運算在硬件處理上是一致的，所以只使用了一個相關接收通道進行輪循處理，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，而且不需要更改當前已有接收機的硬件結構，只需要對軟件進行更新升級，加入新的控制處理流程即可。由于目前常用的導航接收機中相關接收通道的數量一般在8～12個左右，而衛星導航定位的實施至少需要4顆衛星，而比較常見的情況是采用6～7顆仰角條件較好的衛星來實施定位，所以利用目前導航接收機中一個接收通道來進行長距多徑信號的判別是實際可行的。

4 結 語

本文針對衛星導航信號接收中的長距多徑效應問題進行了深入的分析，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的直達信號分量，從而獲得正確的偽距測量值。在此基礎上分析了在實際應用中，通常情況下長距多徑信號的搜索范圍，討論了相關的信號處理方法與工作流程，以及本方法在實現過程中對導航接收機架構上的改進，并指出在保持現有接收機硬件架構基本不變的情況下，通過改變軟件與控制流程即可實現基于前向搜索的長距多徑信號的判別與去除。從而為該方法的實際應用奠定了良好的基礎。

另一方面，長距多徑信號判別技術還可以擴展應用于“抗轉發欺騙干擾”的衛星導航系統中。因為被轉發的導航衛星信號相對于真實直達信號來說在時間上也是滯后的[8]，所以在導航接收機中，被轉發的這一個信號實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前接收機所接收到的信號是一個導航衛星發射的直達信號，還是一個被轉發過的導航欺騙信號，這樣就可以在衛星導航接收機中剔除“轉發欺騙干擾信號”，從而最終使得導航接收機采用真實信號來獲得準確的定位結果，所以本方法也可以極大地提高衛星導航系統的抗轉發欺騙干擾的能力。

參考文獻

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