基于GPS 伪卫星的多径效应分析与研究

1、基于GPS 伪卫星的多径效应分析与研究张 雷，王建宇，舒 嵘，戴 宁（中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083）摘要：采用伪卫星技术增强GPS 定位系统来提高定位性能是伪卫星定位应用的一个研究热点。在对GPS 伪卫星应用中出现的多径效应做较为详细的特点分析后，开展了伪卫星信号多径效应的模型研究及其理论分析。在结合GPS 与伪卫星联合定位的试验结果表明，采用本文提出的算法与传统技术方法相结合，可以较好地改善伪卫星应用中的多径效应。关键词:全球定位系统; 伪卫星; 多径效应中图分类号：TN929.532 文献标识码：AAnalysis and Research on the Multipa

2、th Effect of the GPS PseudolitesZHANG Lei，WANG Jian-yu，SHU Rong，DAI Ning(Chinese Academy of Sciences, Shanghai Institute of Technical Physics, Shanghai 200083, ChinaAbstract: It is the key research field that the pseudolite is integrated with GPS in order to improve the positioning performance. In t

3、his paper, firstly the features of the multipath effect in the GPS pseudolite applications are introduced detailedly, and then the models research and their theory are brought forward in the pseudolite signals transmitting. After the integration of GPS and pseudolite, the experiment results show tha

4、t it is a better method of combining the algorithms with the traditional techniques to ameliorate the multipath effect.Key words：GPS; pseudolite; multipath effect0 引 言在某些特殊场所（如室内、城市巷井等）接收GPS 信号是很困难的，近年来采用GPS 伪卫星技术来弥补可见卫星数目达到导航定位的应用要求。在GPS 与伪卫星联合应用中会出现许多新的问题，诸如多径效应、远近效应和时间同步等1。其中，多径效应是由于卫星信号的多路径传播所引起

5、的，即接收机天线在接收过程中收到的不止是直接波信号，还有周围各种介质的一次或多次的反射波信号。这些信号和直接传播过来的信号产生干涉，使得观测值偏离真实值，从而引起的干涉时延效应称作为多径效应。与GPS 信号一样，GPS伪卫星信号在传播过程中也会不可避免地出现多路径效应，而且更难消除。1 多径效应的特征对GPS 卫星而言，传输的多径分量一般较小。由于来自于GPS 参考站和接收机到某一特定卫星的单位矢量基本上相同，可采用差分技术将多径效应直接消除。但对伪卫星，其多径效应的处理方法不尽相同。因为伪卫星信号与GPS 信号相比，多径效应具有如下特征2：（1）GPS多径信号通常是来自低于天线的发射面形成多

6、径干扰信号，而伪卫星信号的多径效应一般是来自高于天线的发射面形成的发射信号，甚至还来自于伪卫星本身。因此，接收机天线对GPS 信号而言，可以屏蔽一些多径干扰，但一般不能屏蔽伪卫星信号的多径干扰。作者简介：张雷(1978年12月）,男,博士,江苏海门人,主要从事定位工程与空间信息研究技术 基金项目：上海市国际合作基金项目，伪卫星技术的国际引进及其一体化定位的技术开发，No.075907042，申请人：舒嵘，张雷；中国科学院知识创新工程青年人才领域前沿项目，伪卫星系统的设计与应用研究，No.07K2141W09，申请人：张雷；（2）与GPS 相比，接收机到伪卫星的仰角较小，因此来自伪卫星的多径效应

7、要比GPS 信号严重的多。GPS测量中低仰角（10或15）通常被剔除，以用来减少多径效应和比较严重的对流层时延问题，而伪卫星则不能做此技术处理。（3）GPS伪卫星一般固定在已知位置（预先要精确测定），因此如果接收机也是静止不动的，那么它的多径效应会形成不易消除的偏差。不像GPS 卫星信号那样，多径效应一般可以得到平均而被减少到某一程度。（4）伪卫星一般位于地面，而GPS 卫星则位于空间，因此来自于GPS 传播信号的多径效应要比来自于伪卫星的要小的多。因为相距遥远的太空意味着任何多径效应在发射信号过程中会产生缓慢变化的偏差，这些多径信号在空间观察点上与高度成一定的相关性。2 多径效应的模型研究在

8、GPS 伪卫星导航定位中，观测数据质量将受到严重的多径误差影响。由于伪卫星一般处于低仰角(低于15，其信号受地面物体的影响将极为严重，即易受多径误差影响。尤其是在室内，伪卫星信号易受到如墙壁之类物体的强反射34。在静态系统中，由于伪卫星、基站、移动站之间相对位置保持不变，所以可将多径效应看作是未知的恒定参数，通过一定的方法预先估计，从而可以削弱或消除。但是在动态系统中，由于伪卫星、基站、移动站之间几何位置是变化的，预先无法进行估计，很难对其消除。因此，削弱乃至消除多径效应成为伪卫星导航定位技术应用的问题关键。本文对其进行建模分析，从理论上探索能改善多径效应的算法，从而提高GPS 与伪卫星联合应

9、用的性能。多径信号主要有两种，一种是光滑平面的反射，另一种是随机的漫反射5。但干扰最严重的是随机的漫反射。为了简化研究问题的复杂性而便于建模，本文仅考虑平面反射引入的多径。为了在一个动态环境下对多径信号进行分析，考虑一个直接信号与一个来自于光滑反射平面的非直接信号的多径信号来建立模型。伪卫星以一定速率在平台上做圆周运动时，多径分量的反射点、多径与直射的时延差及相位差也随着变化，特别是相位变化更快。这样，在接收端通过对数据进行平滑滤波等一系列的处理，就可以达到减轻多径干扰的效果。伪卫星在运动中，一个简单多径信号的几何描述如下图1 所示。图1 多径信号产生的几何模型图其中， (t r o 是伪卫星

10、到用户接收机的直接路径； (1t r m 是伪卫星到反射点的路径； (2t r m 是用户接收机到反射点的路径。3 多径效应的理论分析针对伪卫星多径信号的模型，可以得出作圆周运动的伪卫星轨迹方程6，如下所示：221 ( ( ( (t y t y t x t r i p p m += （1）222( ( (t y t x t r i u m += （2）220( ( (t x t x t x r p p u += （3） 0 (=t x i （4）0 (=t y u （5）( ( ( (t x t x t x t y t y p u u p i += （6）222 ( (L n t y m t

11、x p p =+ （7）式中各参数的物理意义如下： (t x p 、 (t y p 分别为伪卫星的坐标； (t x u 、 (t y u 分别为用户接收机所处位置的坐标； (t x i 、 (t y i 分别为多径信号经反射面时反射点的位置坐标；m、n 分别为已知轨迹圆圆心的平面位置坐标。显然， (1t r m 与 (2t r m 两者之和是伪卫星经反射面后到达接收机的多路径。对于相位差 (t d 可以用周波来定义，即：021 ( ( (r t r t r t d m m = （8）直接信号的路径信号强度 (0t G 可以被定义为一个相关位置的函数，如下所示：( ( (2002000t r t

12、 r t G t G o = （9）假设反射率系数为，直接路径信号和反射路径信号形成一个幅度为 (t A ，相位为 (t B 的混合波，也即是多径信号：(2cos(21( ( (t d t A t A direct += （10）(2cos(1 (2sin(arctan (t d t d t B += （11） 其中式（10）是在 2( (S t A direct =时成立的方程。通过以上分析，可以认为伪卫星和接收机都处以静止状态时，多径信号带来的偏差是个固定的常数，多径效应将不能随着时间而减小。而当伪卫星处于动态环境中，也即伪卫星在建立的模型中作圆周运动，随着伪卫星的运动，伪卫星的坐标在不断

13、的变化。多径信号的相位差 (t d 在不断的变化，接收端多径信号的幅度和相位在动态环境中不断变化，其中多径信号的相位变化更快。这样，接收端在进行数据处理时，多径的均值和方差可以得到平均或抵消，再经过平滑处理等能使得多径效应带来的干扰和误差大大减小。4 实验研究在实验中，将GPS 伪卫星系统放置在开旷的室外，发射-80dBm（即10-8mW）的信号。用户接收机信号在远离伪卫星1km 处做静态和简单的运动。在实验的当时当地由于PRN 值为27的那颗GPS 卫星处于可视的临界状态，便将GPS 伪卫星设置成该信号来弥补GPS 卫星的可视数目和改善其几何分布。结合上述分析和研究的简单模型，对GPS 伪卫

14、星或用户接收机做简单的运动或静态实验，只要满足发射功率、相对距离和周围环境的一般特性，就能较好的得到GPS 和伪卫星联合应用的信号，而由多径效应造成的误差或信号缺失情况并非很严重。图2所示是采用u-center 接收软件而得到的GPS 卫星和伪卫星信号的捕获与跟踪情况。图中绿色表示的是GPS 信号处于被捕获跟踪和解算，而蓝色表示GPS 伪卫星信号只处于捕获状态，但其信号强度（载噪比）与若干颗GPS卫星信号相当。 图2 GPS与伪卫星联合实验的信号接收图5 结束语总之，来自伪卫星信号的多径效应比来自GPS 卫星信号的多径效应要强的多，而且更难消除。尤其在静止环境中，这种多径效应不可能通过差分来消

15、除。基于本文提出的多径效应模型及对其理论研究，并结合传统的多径效应解决技术1，如天线上抗多径、数据滤波与自适应处理抗多径、时空组合抗多径和选星抗多径等，进行了GPS 和伪卫星的联合实验，实验效果显示只要采用本模型研究的结论和传统的消除方法结合就能有效地改善应用中的伪卫星多径效应。本文作者的创新点是：结合伪卫星应用中的多径效应进行模型研究与分析，指出相对静止或运动中的多径效应对定位应用的干扰影响；在GPS 和伪卫星的联合应用中，捕获伪卫星并对其进行多径效应的对比分析。参 考 文 献:1 张雷，王建宇，戴宁. TDMA在伪卫星远近效应中的分析与研究J. 微计算机信息，2008年第4-1期：P230-2322 王玮. 基于北斗/伪卫星/惯性的精确导航定位系统的研究D.西安:西北工业大学, 2005.3 Kaplan D. 邱致和, 王万意译. GPS原理与应用M.北京:电子工业出版社, 2002.4 Wang J. Pseudolite applications in positioning and navigation progress and problemJ. Journal of Gl