改进的MEDLL技术在多径误差估计中的应用

2019-08-28张梦尧陈熙源

导航定位学报 2019年3期

张梦尧，陈熙源

张梦尧，陈熙源

（东南大学仪器科学与工程学院/微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室，南京 210096）

针对高精度卫星导航和定位应用中易出现多路径误差的问题，在分析多径效应形成和模型基础上，提出基于改进多路径延迟锁定环（MEDLL）技术的多径误差消除方法：设定接收信号中最大路径路数，并进行余量估计；然后通过估计出多路径信号的路数、幅值误差、传播延时和相位偏移，得到直达信号。实验结果表明，在同等定位精度要求条件下，该方法相对传统的MEDLL技术可有效提高直达信号估计效率，缩短所需时间。

北斗卫星导航系统；多路径效应；多路径消除延迟锁定技术；余量估计；仿真验证

0 引言

北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）作为我国的重要空间基础设施，不仅着眼于我国国防安全、经济建设、社会发展等方面，更秉承着“服务全球，造福人类”的原则，目前已经实现了与美国全球定位系统（global position system, GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）的兼容与互操作。计划于2020年建成世界一流的BDS，为全球提供服务[1]。

而随着军用和民用领域对BDS的需求不断增大，对其性能也提出了更高的要求。为实现高精度应用，消除测量误差是尤为关键的。

按照误差来源进行分类，BDS的测量误差可分为3类：第一类是与系统有关的信号衰减；第二类是与信号传播有关的误差；第三类是与用户环境有关的误差，如不同程度的多路径误差、电磁干扰等[2]。其中，大部分误差可通过差分的方式或建立误差模型来消除或减小，而由于多路径误差随环境不断变化，难以通过以上方法得到改善[3]。于是，多路径效应造成的误差已成为BDS高精度应用中的重要误差来源之一。

在消除或抑制多路径效应方面，早在20世纪70年代初就有学者开始进行研究。1973年，文献[4]所做的工作一般被认为是多路径研究的基石。在这之后，人们逐渐认识到多路径误差在卫星导航系统中至关重要，于是展开了一系列的研究。

在接收机信号处理方面，多年来，NovAtel公司持续发展全球卫星导航系统的信号处理技术来对抗多路径信号的干扰，主要包括多径消除技术（mutipath eliminating technique, MET）[5]、窄相关器技术（narrow correlator）[6]、脉冲间隙相关器技术（pluse aperture correlator, PAC）[7]、多径消除延迟锁定环（multipath elimination delay locked loop, MEDLL）[8-10]、Vision相关器[10]等。另外，多路径干扰的抑制方法还有修正相关器参考波形法、前沿技术、基于码滤波的多路径效应抑制技术等。

在数据后处理技术上，目前主要使用的方法有滑动平均法[11]、信噪比法[12]、多路径效应重复性法、反射信号计算法[13]等。

本文采用多路径消除延迟锁定环技术，在设定最大多路径路数的情况下进行余量估计，重建直达信号，灵活性高。

1 多路径误差

1.1 多路径效应的形成

多路径效应指的是接收机天线附近（如建筑物、树木等）发生卫星信号的反射，使得接收机接收到除了直达信号，还包括该直达信号的一个或多个反射波的现象（如图1所示）。甚至直达信号被阻碍，接收机只接收到多径信号的情况也是存在的[14]。

与其他类型的误差不同，多路径在不同时间、不同环境下通常表现出不同的特征，即便是同一个多路径，对于不同设计的接收机也可能有着不同程度的影响。

另外，多路径具有空间相关性弱而时间相关性强的特点，因而不同接收机之间的接收机噪声不具有任何相关性。因此，差分的方式不但无法改善多路径效应对测量值的影响，反而可能增大误差。

图1 多路径效应示意

所以，码环和载波环的多路径效应研究在高精度应用中具有很重要的价值。

1.2 多路径效应的模型

多路径效应的危害体现在会使相关函数失真，从而降低了码相位（以及伪距）的测量精度，有时强有时弱的叠加波信号，还可导致码相位失锁和卫星信号失锁。

2 多路径消除延迟锁定环技术

2.1 算法原理

多径信号会使得相关函数曲线失真，叠加后的相关函数曲线量出现畸变。而多径消除延迟锁定环技术（MEDLL）指的是使用多个相关器来处理信号进而得到多个相关函数的采样值[16]。

2.2 改进算法流程

图2 MEDLL算法流程

3 实验与结果分析

3.1 多路径信号个数的计算

由于接收信号中所包含的多路径信号路数未知，所以在该算法中首先需要估计多路径信号的路数。使用Hilbert变换求取最大路数的过程如图3所示。

图3 使用Hilbert求取最大路数

式中为延迟窗口。

3.2 仿真结果

构造直达信号和多路径信号，进行MEDLL多路径分解。以下采用3路多路径信号为例。

图4 相关函数曲线

图5 误差对相关函数值的影响

图6 3路多路径情况下的相关函数曲线

图7 一路多路径信号仿真

图8 2路多路径信号仿真

图9 3路多路径信号仿真

4 结束语

在利用北斗卫星导航系统进行高精度定位和导航应用中，解决多路径效应是至关重要的。本文利用多径延迟锁定环技术，从含有多路径信号的接收信号将直达信号及其残差平方和估计出来。仿真结果表明，该方法能够在较高的精度下达到估计直达信号的要求。研究结果可为多路径消除工作的展开提供参考。

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Application of improved MEDLL technique in multipath error estimation

ZHANG Mengyao, CHEN Xiyuan

（School of Instrument Science and Engineering/Key Laboratory of Micro-Inertial Instrument and Advanced Navigation Technology of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China）

Aiming at the problem that it is susceptible to multipath errors for the application of accurate satellite navigation and positioning, the paper proposed a multipath error elimination method based on improved MEDLL (multipath elimination delay locked loop) technology with the analysis of multipath effect formation and model: the maximum number of paths in the received signal was set, and the allowance estimation approach was performed; then the direct signal was obtained by estimating the path number, amplitude error, propagation delay and phase offset of the multipath signals. Experimental result showed that compared with the traditional MEDLL technology, the proposed method could effectively improve the estimation efficiency of the direct signals and shorten the required time under the same positioning accuracy requirements.

BeiDou navigation satellite system; multipath effect; multipath elimination delay locked loop; allowance estimation; simulation verification

P228

2095-4999(2019)03-0096-06

2018-05-31

国家自然科学基金项目（51375087）；江苏省科技成果转化专项资金项目（BA2016139）。

张梦尧（1994—），女，河北沧州人，硕士生，研究方向为GNSS接收机算法等。

陈熙源（1969—），男，安徽怀宁人，博士，教授，博士生导师，研究方向为卫星导航和组合导航算法。

张梦尧，陈熙源.改进的MEDLL技术在多径误差估计中的应用[J].导航定位学报,2019,7(3):96-101.（ZHANG Mengyao, CHEN Xiyuan.Application of improved MEDLL technique in multipath error estimation[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(3):96-101.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190316.