衛(wèi)星定位系統(tǒng)多徑抑制技術(shù)探討范文

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一、多徑快速抑制的主要研究內(nèi)容

本課題研究的多徑快速抑制技術(shù)將把無需估計多徑參數(shù)與需要多徑參數(shù)兩類各自孤立的方式結(jié)合起來，取長補短。在算法設(shè)計上實現(xiàn)創(chuàng)新與優(yōu)化，研究實現(xiàn)基帶處理的核心技術(shù)和多系統(tǒng)聯(lián)合定位處理的核心算法、高精度數(shù)據(jù)處理的核心算法，研制實時動態(tài)(RTK)軟件等。本項目前期通過在接收機的跟蹤環(huán)層面研究多徑抑制技術(shù)，在衛(wèi)星定位導航多徑關(guān)鍵技術(shù)的研究上取得了多項進展:理論上，算法研究完成了多徑的精確抑制、陣列天線下的多徑利用等，下一步是研究多徑的快速抑制算法、室內(nèi)環(huán)境下的多徑利用算法;工程上，本項目經(jīng)過一年半的外場跑車實驗和室內(nèi)定位實驗，為下一步的更深層次的研究積累了經(jīng)驗。下一步是研究多徑的快速抑制接收機，并進一步提高定位精度，為工程測量、精細農(nóng)業(yè)、抗震救災等提供技術(shù)支持。本項目研究的重點在環(huán)路層面的多徑快速抑制，提高多徑抑制的實時性。包括:①研究單模單頻下的多徑快速抑制技術(shù);②研究單模多頻下的多徑快速抑制技術(shù);③研究多模多頻下的多徑快速抑制技術(shù)。以上每種技術(shù)細分為靜態(tài)抑制和動態(tài)抑制兩個方面。在碼環(huán)、載波跟蹤環(huán)中設(shè)計實現(xiàn)二級混合抑制架構(gòu)。在現(xiàn)已掌握的多模多頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)能快速抑制多徑的定位技術(shù)，做成多徑快速抑制的高精度接收機，突破關(guān)鍵技術(shù)，提高已有產(chǎn)品的性能，以實現(xiàn)產(chǎn)品升級換代。工程實現(xiàn)后可用于精密測量測繪、車輛精確定位、結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測、山體滑坡預測、戰(zhàn)場精確打擊等環(huán)境。所研發(fā)的樣機包括:①低端樣機采用單模多頻，并采用抗窄帶干擾技術(shù)，價格低廉，適于個人使用;②中端樣機采用部分衛(wèi)星系統(tǒng)的觀測量:當某個系統(tǒng)的某個頻點被干擾時，采用頻點切換或系統(tǒng)切換技術(shù)以避開干擾，獲得中等精度的導航定位結(jié)果，包括高精度測量型和高動態(tài)型;③高端樣機利用所有衛(wèi)星系統(tǒng)的所有頻點觀測量進行數(shù)據(jù)融合處理獲得最高精度的導航定位結(jié)果，包括:高精度測量型(用于監(jiān)測站或臨時基站、大壩監(jiān)測等高精度定位要求場合)、高精度高動態(tài)型(用于飛機進場等需要高精度導航的運動載體上，也可用于動態(tài)定向測姿)。多模多頻下的多徑快速抑制的高精度接收機的主要應用有:①導航:船舶遠洋導航、飛機航路引導和進場降落、汽車自主導航、地面車輛跟蹤和城市智能交通管理、緊急救生等領(lǐng)域。②高精度定位:大地測量、工程測量、航空攝影測量、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學、GIS精確位置數(shù)據(jù)的獲取、工程機械控制、森林防火、精細農(nóng)業(yè)、抗震救災等多種學科和領(lǐng)域。

二、研究方法與技術(shù)路線

在項目研究中，在大量調(diào)研和歸納基礎(chǔ)上，根據(jù)研究內(nèi)容和研究目標制定總體研究思路，針對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行理論和技術(shù)攻關(guān)，對跟蹤環(huán)路部分進行理論計算與分析，通過計算機仿真和實驗系統(tǒng)的方式驗證總體方案和關(guān)鍵技術(shù)突破的有效性，擬提出優(yōu)化方案并進行驗證，得出驗證試驗報告。結(jié)合理論分析與應用實踐，以實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破為重點，引領(lǐng)項目的整體研究進程。研究多模多頻衛(wèi)星導航基帶信號處理技術(shù)，并利用大規(guī)模可編程FPGA芯片及高速DSP器件搭建多模多頻基帶信號處理原型電路，驗證多模多頻衛(wèi)星導航信號捕獲跟蹤、高精度觀測量提取、多徑快速抑制技術(shù)、多模多頻數(shù)據(jù)融合定位算法等技術(shù)。多模多頻高精度接收機具備BD2(B1/B2/B3)、GPS(L1/L2/L5)、GLONASS(L1/L2)三種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，多個頻點衛(wèi)星導航信號的接收和處理能力，通過數(shù)據(jù)融合解算實現(xiàn)多模多頻單點定位。具體技術(shù)如下:①捷聯(lián)慣導輔助高動態(tài)GNSS定位技術(shù)由于衛(wèi)星或載體運動時會在接收信號頻率上產(chǎn)生較大的漂移，衛(wèi)星接收終端如何對有較大頻偏的衛(wèi)星信號進行快速的捕獲和可靠的跟蹤解調(diào)是其研究的重要課題。

為了縮小多普勒頻率搜索范圍、減小捕獲時間、提高接收機捕獲性能，研究使用多種輔助(衛(wèi)星歷書和星歷輔助、GNSS/SINS估計的多普勒頻率輔助、位置和時間輔助)來進行GNSS接收機時域相干捕獲。對外部輔助源輔助的GNSS接收機時域相干捕獲算法的性能進行性能分析。課題組采取如圖1所示的方案來實現(xiàn):a、時頻域聯(lián)合快速信號捕獲技術(shù)課題組提出一種時頻域聯(lián)合快速信號捕獲算法，該算法在時域利用并行相關(guān)，并結(jié)合頻域分析方法，能夠快速捕獲高動態(tài)高多普勒變化下的衛(wèi)星信號，并同時給出衛(wèi)星信號的多普勒頻移值。該方案具有良好的性能，適應用于信噪比較低、頻率偏移較大的情況下，多普勒頻移的估計范圍和精度可控。b、載波跟蹤與偽碼跟蹤載波恢復電路采用FLL與PLL環(huán)相結(jié)合的跟蹤算法。在高動態(tài)情況下，利用FLL直接跟蹤衛(wèi)星信號的載波頻率，將剩余的多普勒頻移牽引到PLL環(huán)跟蹤的線性范圍內(nèi)。在穩(wěn)態(tài)或低動態(tài)情況下，斷開FLL，利用PLL環(huán)實現(xiàn)對信號載波的相位跟蹤。隨著高動態(tài)與低動態(tài)的相互交換，接收終端的載波跟蹤采取FLL與PLL的交替工作模式。碼跟蹤環(huán)能夠跟蹤輸入信號的擴頻碼，其跟蹤精度由環(huán)路帶寬保證。由于高動態(tài)加速度的影響，碼跟蹤環(huán)輸出將產(chǎn)生動態(tài)應力誤差，給信號解調(diào)帶來較大的解擴損失。為保證偽碼的良好跟蹤，課題組采用載波環(huán)輔助碼環(huán)技術(shù)。該技術(shù)能夠去掉碼環(huán)的動態(tài)應力誤差，提高了偽碼跟蹤精度，減小了信號解擴損失。②多徑快速抑制技術(shù)在接收機中主要考慮信號環(huán)路處理和導航數(shù)據(jù)處理:a、信號環(huán)路處理分兩類:一類是無需估計多徑參數(shù)(比如窄相關(guān)器、Strobe相關(guān)器等)，另一類是需要對多徑參數(shù)進行估計(比如MEDLL算法等)。窄相關(guān)器使遲早信號超前或滯后準時信號的寬度小于1/2個碼寬，將相關(guān)能量集中于信號的上升沿或下降沿，從而更好地消除多徑影響。Strobe相關(guān)器采用窄相關(guān)和寬相關(guān)相結(jié)合的模式，使得多徑帶來的碼跟蹤誤差在很大的多徑延遲范圍內(nèi)都為零。多徑估計延遲鎖定環(huán)(MEDLL)性能優(yōu)于窄相關(guān)器和Strobe相關(guān)器。

定位精度改善大約90%。前期工作中課題組提出了TK－PS－MEDLL算法，性能優(yōu)于現(xiàn)有算法，提高了多徑的估計精度和速度。下一步將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進行改進，以進一步提高多徑抑制的實時性。b、導航數(shù)據(jù)處理一方面是抗多徑選星定位。由于用戶可見導航星的空間分布不同，多徑的參數(shù)也不一樣，使多個觀測量中的誤差大小存在著很大差異，因此GNSS可利用特有的選星過程來抗多徑。另一方面是分析GNSS信號的信噪比。通過分析GNSS信號的信噪比來識別并去除產(chǎn)生多徑效應的誤差源。通過分析GNSS數(shù)據(jù)的信噪比，可以獲得一個研究多徑效應的模型，多徑效應能通過這個模型來糾正。基于信噪比技術(shù)修正差分相位測量值中的多徑誤差，該方法能減少多徑誤差50%以上。③慣導輔助的多徑估計技術(shù)課題組前期采用相干和非相干積累結(jié)合的方法捕獲信號，對捕獲系統(tǒng)參數(shù)已進行了優(yōu)化設(shè)計，利用SINS輔助對頻偏和多譜勒頻移進行補償以減少它們對積累增益的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計一種估計衛(wèi)星多徑信號的算法，該算法用以提高接收機的靈敏度，步驟如圖2:④高精度偽距測量技術(shù)高精度偽距測量是保證用戶設(shè)備高精度定位的基礎(chǔ)，偽距測量精度取決于本地偽碼精密跟蹤衛(wèi)星偽碼的程度。偽碼跟蹤電路采用窄相關(guān)Δ/N延遲碼鎖定環(huán)，能夠良好跟蹤衛(wèi)星信號的擴頻碼。碼跟蹤環(huán)測距的主要誤差包括碼跟蹤隨機抖動誤差和由于多普勒變化引起的動態(tài)應力誤差。本方案中優(yōu)化鑒相器模型，優(yōu)化設(shè)計環(huán)路帶寬，極大減小碼跟蹤隨機抖動誤差，同時采用了載波環(huán)輔助碼環(huán)技術(shù)，抵消碼環(huán)上的多普勒頻率變化率的影響，使得輔助后動態(tài)應力誤差極小，最終RNSS測距精度可控制在1ns內(nèi)。偽碼跟蹤電路原理框圖如圖3所示。⑤多模多頻數(shù)據(jù)融合處理高精度定位技術(shù)偽距融合時多模多頻解算的定位原理基本上與單模式系統(tǒng)(如GPS系統(tǒng))的定位原理相同，但需要設(shè)計信息融合算法。偽距融合多模多頻解算框圖如圖4所示。對于不同系統(tǒng)衛(wèi)星的偽距權(quán)重可以根據(jù)信號的偽碼精度確定初始單位權(quán)重。利用后驗估計方法，估計不同模式之間觀測值的方差、協(xié)方差陣，然后進行參數(shù)估計，重新定權(quán)。雖然參加解算衛(wèi)星越多，GDOP越小，解算精度越高，但是過度的冗余信息并不能提高太多的定位精度，反而會帶來巨大的計算量，增加接收機的計算負擔。因此有必要從可見衛(wèi)星中快速有效地選出定位精度最好的衛(wèi)星組合。課題組擬采用加權(quán)GDOP方法來實現(xiàn)衛(wèi)星優(yōu)選。在多模多頻高精度接收機的基礎(chǔ)上，采用模塊設(shè)計，實現(xiàn)多功能通用型RTK軟件。RTK實現(xiàn)實時定位測速，差分定位精度可達厘米級，也可定向測姿:輸出航向角、俯仰角、橫滾角、基線長度，并能實時給出移動站航跡，支持多達10個基線同時解算。

三、目前的創(chuàng)新進展

1、提出了TK－PS－MEDLL新算法。該算法結(jié)合了TK算法和MEDLL算法各自的優(yōu)點，利用TK算法對多徑的多項參數(shù)進行預估計，再用課題組所提出的修正MEDLL算法進行精確估計，提高了多徑的估計精度和速度。大量實驗結(jié)果表明，靜態(tài)多徑的抑制已獲成功，但抑制多徑的算法實時性有待提高;2、提出了TK－APME新算法。該算法對短延時多徑的抑制效果優(yōu)于現(xiàn)有的算法。提高了多徑的抑制效果，有利于高精度定位;3、捷聯(lián)慣導輔助GNSS衛(wèi)星導航的技術(shù)獲得突破。利用捷聯(lián)慣導在GNSS衛(wèi)星信號捕獲、跟蹤等環(huán)節(jié)進行輔助，提高了高動態(tài)環(huán)境中的定位導航能力、多徑抑制能力。

作者：唐斌鄭曉霞楊曉波單位：四川省高校校企聯(lián)合航空電子技術(shù)應用技術(shù)創(chuàng)新基地MOTOROLA(中國)電子有限公司成都第二分公司電子科技大學電子科學與技術(shù)博士后流動站