偽衛星室內多徑信號特性分析

張　衡，李雅寧，甘興利，祝瑞輝，黃　璐

(衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0　引言

在GNSS導航信號受到遮擋嚴重的區域，偽衛星定位技術可以有效改善用戶接收機的定位精度。但是在實際工作中，由于偽衛星自身及所處位置周圍環境的影響，偽衛星信號的多徑效應問題一直不容忽視[1-3]。馬煦、田冰和張磊等人對多徑問題進行了簡單分析，但偽衛星設備固定在選擇好的已知位置上，其產生的多路徑信號通常很難進行減緩消除[4，5]，而且隨著偽衛星與接收機之間位置的不同，周圍環境的變化或人與動物的附近活動等，多路徑的影響結果存在很大差異[6-8]。現有的多徑抑制技術如國防科大、西工大等主要針對衛星信號[9-11]，關于偽衛星的多徑抑制技術有AOA技術[12]、多天線技術、實時差分技術、載波相位檢測技術[13-15]和濾波技術[16]等，但均主要針對室外偽衛星定位，在室內更為復雜的信號環境中還未涉及。

因此，以室內信號的傳播特性為出發點，針對室內多種典型環境下的偽衛星信號多徑特性進行分析，并對結果進行比較，對明確未來的多徑消除重點與策略具有重要意義。

1　多徑特性

通常，接收機在接收衛星信號時，收到的不只有來自衛星的直播信號，還有經過周圍各種介質N次反射后的信號。這些信號會干擾接收機信號使測量值產生多徑偏差，其反射信號對真實信號的干擾大小隨周圍環境的變化而變化，一般難以人為控制[6-10]。由于偽衛星自身的一些特性，與GNSS衛星導航系統相比，多徑效應相對更加復雜，主要特性如下：

① 偽衛星設備安裝位置比較固定，不會實時變動，其多徑信號具有較強的相關性。此時，如果接收機進行單點靜態定位，多徑信號通常會造成一個常值偏差且很難消除。

② 多徑來源復雜。Ford等研究者的研究表明，接收機接收到的多徑信號主要來源于2個方面：一是偽衛星信號傳播過程中存在的反射、折射和衍射等形成的干擾；二是來源于偽衛星天線自身，并非全部偽衛星信號都能到達接收機，仍有極小部分的電磁波會被自身反射到接收機，造成接收機的接收信號發生畸變。

③ 信號功率強。由于偽衛星與接收機之間的間距相對較近，因此偽衛星的多徑干擾比GNSS衛星信號強得多，相對更難消除。

2　場景建模與測試分析

針對上述介紹的偽衛星多徑效應的復雜性，利用Wireless Insite電磁仿真軟件強大的信號傳播仿真能力，對室內的多種場景進行建模仿真，具體分析多場景下的偽衛星信號的多徑特性。

2.1　辦公室場景

辦公室場景描述的是空間尺度較小的室內場景，現以辦公室這一典型應用環境為例，對其進行環境建模。各項參數設置如下：每間辦公室長8 m，寬7 m，高3 m，屋頂和隔墻的材質設為石膏板，屋內辦公桌材質設為金屬，屋內隔間材質為塑料，沙發靠椅材質設為紡織物，窗戶材質設為玻璃(其中，墻壁材質為混凝土，介電常數為5，電導率為0.015；書桌材質為金屬，介電常數與電導率為∞；沙發桌椅材質為紡織物，介電常數為2，電導率為0)；偽衛星收發天線類型為全向天線，極化方式為右旋圓極化；場景內無其他障礙物，在忽略人員移動的情況下，環境布設視為恒定。簡化的辦公室模型俯視圖和三維空間場景如圖1所示。

偽衛星發射點的高度與屋頂一致，設為3 m。發射的信號為正弦信號，頻率為1 575.42 MHz。偽衛星信號發射功率設為4 dBm。

圖1　辦公室場景

為了得到一般統計規律，接收點的設置理應遍歷模型空間，但受仿真條件的限制，不能逐個點進行討論，現分別選取3個典型位置：同一屋內同一隔間、同一屋內不同隔間(軟分隔)和隔壁屋內(硬分隔)進行仿真計算，如圖2、圖3和圖4所示。考慮到人體手持接收裝置的高度，4個接收點高度均設為1 m。

對比RX1、RX2和RX3處的到達射線情況可以看出，接收點RX1、RX2處的到達多徑數量繁多，并且隨著距離的增大，多徑數量有減少的趨勢；Rx3處到達射線數量大幅度減少并且能量微弱。隔墻對于偽衛星信號的阻礙作用是非常顯著的，因此偽衛星應用于室內定位時應盡量確保參與定位的偽衛星設備與待定位區域在同一室內，從而避免墻壁對信號帶來極大衰減。

2.2　大廳、走廊場景

大廳、走廊場景描述的是空間尺度較大的室內場景。各項參數設置如下：大廳長25 m，寬16 m，高3 m，屋頂和隔墻的材質設為石膏板，屋內辦公桌材質設為金屬，屋內隔間材質為塑料，沙發靠椅材質設為紡織物，窗戶材質為玻璃，材質與2.1節相同；偽衛星收發天線類型為全向天線，極化方式為右旋圓極化；場景內無其他障礙物，在忽略人員移動的情況下，環境布設視為恒定。

偽衛星布設在大廳的4個角，發射點的高度與屋頂一致，設為3 m。發射的信號為正弦信號，頻率為1 575.42 Mhz。偽衛星信號發射功率設為4 dBm。

圖2　RX1接收的多徑信號

圖3　RX2接收的多徑信號

圖4　RX3接收的多徑信號

接收機位置點現分別選取3個典型位置(如圖5中黑色圓點所示)進行仿真計算，考慮到人體手持接收裝置的高度，4個接收點高度均設為1 m。現以Rx1和位于大廳中間的Rx2兩點作為代表進行分析。

圖5　大廳、走廊場景

針對4顆偽衛星到達Rx1接收機的路徑傳播信號如圖6所示。由圖6可知，接收機處的多徑現象相對復雜，反射和衍射點主要集中在接收機附近區域。當接收機接收到的直射信號Pd和間接信號Pid強度較為明顯時，通常可以通過一定技術識別出直射信號。Rx1 Pm的概率密度率分布如圖7所示，圖7中依次列出了每顆偽衛星在接收機Rx1處的直射信號與間接信號強度差Pm的概率分布圖，假設當差為4 dB時可以將直射信號識別出，則由圖7中陰影區域的概率值發現，從信號強度上難以識別的多徑信號僅占10%左右。

圖6　Rx1接收的多徑信號

圖7　Rx1 Pm的概率密度率分布

同樣，與上述類似，Rx2接收的多徑信號圖如圖8所示。圖中Rx2處的多徑信號盡管也相對復雜，但到達Rx2處的多徑信號功率整體偏低。Rx2 Pm的概率分布如圖9所示，需要區分的多徑信號相對較少，僅占整體多徑信號的2%左右。

圖8　Rx2接收的多徑信號

圖9　Rx2 Pm的概率分布

2.3　場景實測分析

為了進一步驗證多徑信號對測量值的影響，場景設置如下：偽衛星同時播發L1、B1信號，功率為66 dBm，室內人員正常來回走動，環境布設基本恒定。Rx1點多徑對測量值影響如圖10所示。

圖10　Rx1點多徑對測量值影響

由圖10可得，Rx1點接收到的多個信號的測量值受多徑影響大致在±2 m范圍內，與Rx2相比波動范圍較大。由仿真分析可得，應該是Rx1放置在墻角處，受墻的反射信號較強且比較復雜，同時辦公人員距離較近，辦公人員的走動造成多徑對測量值的影響。

Rx2點多徑對測量值影響如圖11所示。由圖11可以發現，多徑影響明顯好于Rx2，測量誤差最大波動在±1 m。分析原因，Rx2位于大廳中間走廊位置，四周相對空曠，通過墻體等反射的多徑信號強度相對較弱，對對直射信號的影響較小。

圖11　Rx2點多徑對測量值影響

6個測試點的測量誤差均方值如表1所示。可以發現，在實測過程中，室內的多徑影響測量誤差與室外測試相差不大，在某些測試區域甚至優于室外的多徑影響誤差值。

表1不同場景的多徑的平均值統計表

位置與環境RMS/m實驗臺工作桌面0.518 5實驗臺儀器桌面0.310 5實驗室窗口位置0.795 3實驗大廳中間走廊位置0.374 0實驗樓室外樓頂測試0.217 9實驗樓室外樓頂接天上信號測試0.453 8

3　結束語

通過分析上述多種場景下偽衛星多徑信號傳播特性，可以得出以下結論：① 室內環境的復雜性是多徑信號更為嚴重的主要原因，但由于多次的折射、反射等，多徑信號衰減很快，絕大多數多徑信號可以消除，不會對接收機產生影響；② 多徑影響的大小與室內位置點附近的環境有關，應當針對不同的環境采取不同的多徑減緩措施；③ 接收機多徑抑制技術的研究應當集中在小概率發生的部分。

本文的研究指出了室內偽衛星抗多徑技術的工作重點和實現室內高精度定位的可行性。對于當前的室內外無縫定位建設具有重要意義。同時，為適應任何復雜環境下的多徑影響，如何實現很難識別的小部分多徑信號消除是當前研究面臨的重要問題。