GNSS接收機抗多徑技術*

(解放軍61081部隊，北京 100094)

1 引 言

多徑干擾信號是影響全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收機觀測數據質量的主要因素之一,不僅會使調制到導航信號上的偽碼和導航數據失真，而且還會使載波相位發生畸變；多徑信號直接影響GNSS接收機的偽碼測距、載波相位和多普勒等觀測數據的測量精度，導致觀測數據質量降低；在最壞的情況下，多路徑信號甚至會導致接收機跟蹤環路的失鎖。為降低多徑干擾信號對觀測數據的影響，GNSS接收機需采取一定多徑抑制措施。在射頻端可采用扼流圈或烽火輪技術的抗多徑天線抑制低仰角多徑信號的入射，在基帶信號處理端可采用如窄相關、MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)、PAC(Pulse Aperture Correlator)等多徑抑制算法抑制多徑誤差。但是，這些技術對短延遲多徑信號的抑制效果都不是很理想。

2 多徑信號特性

多徑信號是指GNSS接收機在接收衛星發射的直達導航信號的同時還接收到其它各種間接信號，間接信號對直達信號的干涉會導致接收機測量誤差，這種間接信號即為多徑信號。多徑信號主要由地面和天線周圍物體的反射、導航衛星星體反射、因大氣層傳播介質散射三方面形成，在這3種多徑信號中，以地面和天線周圍物體反射的多徑信號為主，本文主要討論此類多徑信號。

對于偽距測量，多徑信號會使相關函數發生變形，影響GNSS接收機的準確測量。在沒有多徑信號影響，接收機只接收直達信號的情況下，接收機相關函數是一個典型的對稱等腰三角形。當存在多徑信號時，在相關函數上會產生副峰，導致早相關器和晚相關器采樣點的中心可能并不是信號到達的真正時間。一般來說，多徑信號對偽距測量的影響主要取決于多徑信號相對直達信號的延遲、幅度和相位參數。通常情況下，多徑信號是經過地面或周圍物體反射后進入接收機的，因此，多徑信號相對于直達信號都存在一定的時間延遲，并且信號幅度會減弱。但多徑信號相對直達信號的相位關系卻是隨機的：同相或反相。從相位關系的角度分析，當多徑信號與直達信號同相時，此多徑信號就會對直達信號產生相長性干擾，使直達信號增強，多徑信號造成的延遲相關峰會疊加到直接峰上；當多徑信號與直達信號反相時，多徑信號對直達信號產生相消性干擾，削減直達信號，則直接峰要減去多徑信號造成的延遲相關峰。文獻[1]表明，當天線場站環境較好時，多徑信號對偽距測量造成的誤差為1 m左右；當天線場站環境較差時，由于多徑信號較為嚴重，可能會造成超過5 m的偽距測量誤差。

對于載波相位測量，假設接收機僅收到兩個信號：一個是直達信號，一個是相位偏移ΔΦ和振幅衰減α(α<1)的多徑信號。根據文獻[1]，由多徑效應引起的載波相位測量誤差可簡化為

(1)

從式(1)可知，在最壞情況下載波相位測量誤差δφ=90°。因此，在多徑信號幅度小于直接信號時，由多徑效應引起的載波相位測量誤差不會超過載波的1/4周期，即多徑造成在載波相位測量誤差最大僅為5 cm左右，小于由多徑造成的偽距測量誤差兩個數量級，相對于多徑信號對偽距測量的影響，多徑對載波相位測量的影響可以忽略不計。

3 抗多徑技術

為提高GNSS接收機的測量精度，減小多徑效應對接收機觀測數據的影響，接收機主要從兩個方面著手：抗多徑天線，通過有效設計天線提高高仰角增益，降低低仰角增益；基帶信號處理，對多徑誤差造成的畸變相關峰進行適當修正或盡可能減少相關峰的畸變。

3.1 抗多徑天線

GNSS接收天線常用的抗多徑技術主要包括扼流圈(Choke Ring)技術和烽火輪(Pinwheel)技術。

ChokeRing技術是專門為抑制多徑干擾信號對正常信號的影響而設計的一種天線結構，要求天線與扼流圈統一設計，天線安裝在扼流圈上。扼流圈是依靠入射波和反射波等幅反相來抵消多徑信號的，扼流圈的深度與頻率成反比。單頻扼流圈僅對單頻的多徑信號起到最佳的抑制作用，而對相隔較遠的其它頻段多徑信號則抑制效果較差。如：單頻扼流圈在1.2 GHz頻段上的抗多徑能力最大可達40 dB，而在1.5 GHz頻段上的最大抑制僅能達到25 dB。要在多個頻率上同時獲得較好的抗多徑能力，需設計新型的多頻扼流圈，相對較為復雜。

Pinwheel技術是Novtel公司的技術專利[4]，起初應用于GPS接收天線設計中。Pinwheel技術的原理是接收天線饋電點的設計上采用多饋源陣列設計方案。天線饋電點是指天線與低噪放(LNA)模塊的電氣連接點。普通的天線都是一個天線只有一個饋電點，此種天線相位中心穩定性差，抗多徑能力較差。采用Pinwheel技術將天線設計為多個(如12個)饋源接收RF信號，通過饋源的優化排列，使得接收兩個頻段信號的物理相位和電氣相位中心能夠同軸，使接收信號的相位偏差幾乎為0，達到抑制多徑干擾信號的目的。同時，由于兩個頻段信號具有穩定的同一個相位中心，因此，采用Pinwheel技術的天線還具備較好的相位中心穩定性的特點。但實際上Pinwheel技術的抗多徑能力有限，還需要與扼流圈配合使用才能保證最佳的抗多徑效果。

除以上兩種抗多徑天線技術，在理論研究的方法中也有用多個天線組成觀測陣列，通過數據后處理來實現對多徑信號的抑制，但工程應用的可行性不高。

3.2 基帶信號處理

1991年，A.J. VAN Dierendonck博士提出了窄相關技術，NovAtel公司利用此項專利技術不僅使GPS接收機測距精度得到提高，也明顯改善了接收機的抗多徑能力。隨后相繼出現的多徑抑制效果更好的新技術，如MEDLL、PAC以及Strobe等，都是以窄相關技術為基礎改進而來的。

3.2.1窄相關技術

傳統接收機延遲鎖定環路(DLL)中，遲-早相關電路的碼元寬度等于偽碼的碼元寬度，即相關間距為1.0 chip。遲-早信號分別超前、滯后準時信號半個碼元，遲-早相關的能量表明準時信號與導航信號“對齊”程度，當兩者能量差為零時，準時相關信號的時延與導航信號時延相同，獲得偽距值。

相對于傳統接收機DLL環中采用1.0 chip的相關間距，減小其間距有著明顯的優點，尤其是在低速率偽碼(如1.023 MHz或2.046 MHz)的碼跟蹤應用中，可以減小由噪聲和多徑所帶來的誤差。一般來說，相關間距d<1.0 chip稱為窄相關，多徑誤差減小是因為窄相關的非相干DLL環不易受延遲的多徑信號影響。圖1給出了不同相關間距下的偽距多徑誤差包絡曲線，可見，當減小相關間距時，多徑最大誤差不斷減小，這說明窄相關對于碼相位具有多徑抑制作用。相關間距0.1 chip時，環路對延遲大于1.05 chip和小于0.1 chip的多徑信號不敏感，對于延遲在0.1～1.0 chip范圍內的多徑信號，最大誤差不會超過某一個固定值(該值為原1.0 chip相關間距時的最大誤差的1/10)。事實上，延遲在1+d/2以上的多徑信號對環路基本無影響。

圖1 偽距多徑誤差包絡曲線

3.2.2MEDLL技術

MEDLL技術是NovAtel公司1995年提出并應用到廣域增強系統(WAAS)接收機的專利技術，它是能夠同時檢測和消除多徑的優秀算法，不僅能提供高精度的測量數據，也能用于導航信號質量的監測，給出整個相關函數的采樣。

MEDLL是建立在統計理論基礎上的一種抗多徑技術。如圖2所示，MEDLL采用多個相關器得到相關函數的多個采樣值，然后根據最大似然準則進行迭代計算。理論上，如果接收機受到M個多徑信號的影響，就需要進行M次迭代計算，但在實際環境中，事實上并不知道存在多少個多徑信號，而且M也不是一個常數。為避免處理時間過長，可以人為地限定M值的大小；在實際測量環境中，盡管會存在多個多徑信號，但只有其中的1～2路占主導作用的多徑信號對測量影響較為嚴重，因此，實際操作過程中M值一般取值為3或4。在迭代計算的過程中，MEDLL將多徑信號考慮在內，利用并行通道的窄相關采樣，估計出直接信號和多徑信號的幅度、延遲和相位，分析延遲最小的信號，認為是直接信號，其它較大延遲的信號認為是多徑信號分量被消除。

圖2 MEDLL并行處理通道與多徑誤差包絡曲線

由于需要處理的信息較多，MEDLL技術的實時性較差，這就決定了MEDLL只能應用于多徑變化較為緩慢的場合，如GNSS系統監測站中的監測接收機等。另外，MEDLL技術也可用于監測環境中的多徑情況，作為多徑監測儀使用。

3.2.3Strobe相關技術

Strobe相關技術是Astech公司提出的專利技術，相對于窄相關技術只改變傳統GNSS接收機早-遲兩個相關器的相關間隔，Strobe相關器則采用了4個相關器，鑒相器也做了相應的改變。如圖3所示，Strobe鑒相器有兩組相關器,其中一組為窄相關，另一組為寬相關，寬相關的早-遲相關器間隔為窄相關的2倍。假設E1-L1相關器組的早-遲相關間隔為d，則E2-L2相關器組的相關間隔就為2d。相關器輸出的鑒相函數可以看作是2組超前減滯后窄相關器的線性函數，可以通過這2組窄相關器的相關函數來推導Strobe鑒相函數。延遲大于相關函數的有效區域多徑信號不會對相關函數起作用，也就是延遲小于相關函數的有效區域多徑信號才會引起鑒相誤差。由于Strobe鑒相器是2組窄相關器相關函數的線性函數，可以消除更多的多徑信號。

圖3 Strobe相關器示意圖與多徑誤差包絡曲線

與窄相關技術類似，對于Strobe相關器，多徑引起的碼相跟蹤誤差與相關器的相關間隔d、多徑信號的延遲、相位和幅度參數有關，相關間隔d越小，多徑誤差越小，但相關間隔也不能無限地變窄；Strobe相關器比窄相關技術有更強的多徑抑制能力，其一個突出特點是當相對延遲在d≤τ≤Tc-d范圍內時，多徑誤差為0，而在此范圍內的窄相關則具有最大的多徑誤差。

3.2.4PAC技術

PAC技術是NovAtel公司的專利技術，是通過補償相關三角形的不對稱性來實現的一種窄相關技術。實際上，PAC技術與Strobe相關技術的基本思想是一致的，也是利用2組相關器來實現的，通過2個超前相關器、2個滯后相關器和1個即時相關器聯合實現對畸變的相關峰進行補償。其相關器示意圖和多徑誤差包絡曲線與Strobe相關技術相同。

3.2.5幾種技術的抗多徑效果比較

從抗多徑效果來看，Strobe相關技術、PAC技術與MEDLL技術性能接近，但MEDLL技術能夠提供更多的測量信息，這些信息對于監測接收機是非有用的。MEDLL技術可以給出整個相關函數的采樣，以判定信號是否受到干擾。通過直接信號、多徑信號的估計值和殘差，可以判斷存在多少個多徑信號、多徑反射點概率位置等，這樣就便于選擇合適的天線安放位置。當然，MEDLL也不能完全消除多徑影響，尤其是對于那些短延遲(小于0.1 chip，對于2.046 MHz碼來說約為15 m)的多徑信號是很難估計的。對于短延遲的多徑信號，無論是窄相關、Strobe相關，還是MEDLL技術，都沒有起到改善作用，而短延遲的多徑信號對載波相位測量的影響恰恰較為嚴重，這一點是信號處理多徑抑制技術的局限性。

4 結束語

高精度的GNSS接收機往往會同時采用抗多徑天線和信號處理的方法，這樣可以更好地抑制多徑信號(包括短延遲多徑信號)，但目前還沒有一種技術能夠非常好地解決接收機面臨的多徑誤差問題。

多徑信號產生的根本原因是GNSS信號的反射，因此，解決接收機多徑誤差最有效和最基本的措施還是選擇良好的天線安裝場地，盡可能地減少多徑信號。天線安裝場地應遠離平靜的水面、高大的建筑物或其它對電磁波有較強反射的物體；相反，天線安裝應選擇草叢、深耕田地、稠密森林或其它高度適當的有植被的地面，可以較好地吸收電磁波，減少信號的反射形成多徑。

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