北斗衛星導航系統多路徑效應分析

黃勤豪 葉嘉麗 梁炎峰

摘 要：多路徑效應對于衛星導航一直是難以有效克服的問題，近年來一直是國內外相關學者們致力研究的重要課題。本文利用某型高精度監測接收機在（23°17′N，116°40′E）對北斗衛星的觀測數據，分析了北斗系統IGSO、GEO以及MEO這3種類型衛星觀測數據的多路徑效應。結果表明：北斗系統的衛星高度角與其多路徑值成負相關；北斗系統的衛星頻點B1和頻點B2的多路徑值變化情況基本相同；北斗系統的衛星多路徑值在高度角低于30°時波動較大。

關鍵詞：北斗衛星 導航系統 多路徑效應

中圖分類號：P22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（b）-0022-03

Abstract： Multipath effects have been difficult to overcome for satellite navigation in recent years， and it has been an important subject for researchers both at home and abroad. In this paper， using a high precision monitoring receiver （23 degrees 17 '， N， 116， 40'， E） to observe the Beidou satellite data， the multipath effects of the three types of satellite observation data of Beidou system， IGSO， GEO and MEO are analyzed. The results show that the Beidou satellite elevation angle system and its multi path value negative correlation； multi path satellite frequency B1 and frequency B2 Beidou system were basically the same； multi path satellite Beidou system value below 30 degrees fluctuation in altitude.

Key Words：Beidou satellite； Navigation system； Multipath effect

北斗衛星導航觀測誤差源有很多類型，其中電離層誤差、對流層誤差、鐘差和軌道誤差等都通過差分算法或建立模型進行了有效的消除或減弱[1]。然而多路徑效應受周邊環境影響較大，一直以來是高精度導航還不能有效克服的主要誤差之一。目前削弱多路徑效應的方法常用的有選擇性能良好的扼流圈天線和改善周邊環境以及完善接收機算法等。近年來，國內外較多學者一直致力研究多路徑效應的相關課題。劉立龍[2]等分析了GPS系統與北斗系統的衛星多徑效應的一些特征；Axelrod[3]等研究了多路徑效應造成導航衛星的載波相位和偽距的觀測結果出現誤差的原因并提出了修正方法；鮑亞川[4]等進行多徑信號建模及仿真探究了北斗導航衛星的多路徑效應誤差變化的一些規律。本文利用某型高精度監測接收機在（23°17′N，116°40′E）對北斗衛星的觀測數據，分析了北斗系統IGSO、GEO以及MEO這3種類型衛星多路徑效應，總結出一些規律。

1 導航衛星系統多路徑效應原理

理論上，導航信號接收機天線只應該接收導航衛星發射的直射信號，但是，由于周邊環境對導航衛星信號的反射而產生反射信號也被導航信號接收機天線接收。兩者信號造成干涉而引起的導航信號時延即多路徑效應[5]，其原理如圖1所示。

多路徑效應是一種局部存在的效應，它與導航信號接收機天線的周邊環境密切相關。由圖1可知反射信號由反射表面和導航衛星相對位置決定。相對于導航信號接收機天線來說反射表面一般固定的，但衛星是一直在運動，故多路徑效應是時刻在變。

式（1）中，A是直射信號的振幅；p（t）為數據碼和偽碼的和或差；f為直射信號的載波頻率。該信號的第i個反射信號si（t）為：

式（2）中，αi為反射信號的衰減系數，τi為反射信號i對于直射信號的時延；△i為信號在所有反射面反射前與反射后的相位變化之和。式中假設反射信號被導航信號接收機天線收到時載波頻率保持不變仍然為f，也能認為△i包含直射信號和反射信號因多普勒頻差造成的初相的改變。可得出，反射信號i對于直射信號的所有相位變化i為：

由于反射信號對直射信號的干涉，導航信號接收機事實上接收的是疊加信號，故s（t）為：

2 多路徑效應的計算公式

由多路徑效應原理可知，假設頻點B1和頻點B2信號傳播路徑一樣，則多路徑效應的計算公式[6]為：

式（5）（6）中：MP1為頻點B1偽距的多路徑效應，MP2為頻點B2偽距的多路徑效應；P1為頻點B1的偽距，P2為頻點B2的偽距；1為頻點B1的載波相位，2為頻點B2的載波相位；λ1為頻點B1的載波波長，λ2為頻點B2的載波波長；f1為頻點B1的載波頻率，f2為頻點B2的載波頻率；M1為頻點B1的相位多路徑效應，M2為頻點B2的相位多路徑效應；ω1為頻點B1的偽距和相位噪聲，ω2為頻點B2的偽距和相位噪聲。

在計算時已經進行了周跳和鐘差的修復。其中導航信號接收機的相位多路徑效應、偽距與相位噪聲的數值一般在厘米級和毫米級，而其偽距多路徑效應一般在米級[7]。在運用該公式計算時把其相位多路徑效應、偽距和相位噪聲忽略不計。

3 北斗衛星的多路徑效應的分析

本次分析選擇了某型高精度監測接收機數據，觀測地點位于（23°17′N，116°40′E）區域，數據選取了2017年2月17日同一接收機的GEO-6星、IGSO-8星和MEO-12星的數據。進行數據處理后，繪制出該高精度監測接收機的多路徑效應散點圖以及高度角圖。其中IGSO與MEO只保留衛星過境時間的觀測數據，GEO選取了全天的觀測數據。圖2為GEO-6星頻點B1和頻點B2的多路徑效應散點圖及高度角圖，圖3為IGSO-8星頻點B1和頻點B2的多路徑效應散點圖及高度角圖，圖4為MEO-12星頻點B1和頻點B2的多路徑效應散點圖及高度角圖。

通過分析圖2～圖4，此觀測點北斗衛星導航系統多路徑效應的一些規律如下。

（1）北斗系統中GEO衛星可一直進行觀測，IGSO衛星有較短的不可觀測時間，MEO衛星有較長時間不可觀測。

（2）北斗系統中GEO衛星高度角基本無變化，多路徑值均勻分布；IGSO衛星和MEO衛星的高度角變化較大，其多路徑值隨著高度角的變化有所波動，可看出多徑值與衛星高度角成負相關。從其多路徑值分布可知北斗系統中多路徑效應對GEO衛星的影響相對于MEO衛星和IGSO衛星要小。

（3）綜合北斗中MEO衛星和IGSO衛星多路徑值的波動可知，在衛星高度角低于30°時多路徑值分布比較離散；在衛星高度角高于30°時多路徑值分布相對集中。

（4）北斗系統中衛星頻點B1和頻點B2的多路徑值變化情況基本相同。

（5）該高精度監測接收機在此觀測點的多路徑值在±0.1m之間。

4 結語

本文介紹了多路徑效應產生的原理和計算方法，利用某型高精度監測接收機對北斗衛星導航系統IGSO、GEO以及MEO這3種類型衛星的觀測數據進行分析。結果表明：北斗系統衛星的高度角與其多路徑值成負相關；北斗系統中衛星頻點B1和頻點B2的多路徑值變化情況基本相同；北斗系統衛星的多路徑值在高度角低于30°時波動較大；北斗系統中多路徑效應對GEO衛星的影響相對于MEO衛星和IGSO衛星要小。由于此次觀測數據選擇站點的單一性，今后可選擇更多站點的觀測數據進行分析以得出更加嚴謹的結果。另外，對于不同導航信號接收機的多路徑消除算法的分析比對是今后分析的重點。

參考文獻

[1] 李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2005：38-40.

[2] 劉立龍，封海洋，陳偉清，等.GPS與北斗衛星多路徑效應的比對研究[J].城市勘測，2016（1）：5-10.

[3] Axelrod P，Larson K，Jones B.Use of the Correct Satellite Repeat Period to Characterize and Reduce Site-specific Multipath Errors[A].ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division，Long Beach CA[C].2005.

[4] 鮑亞川，蔚保國，秦明峰，等.北斗GEO/IGSO衛星導航信號多徑效應仿真研究[J].系統仿真學報，2017，29（5）：1057-1063.

[5] 郭霞.GPS測量多路徑誤差及其影響規律的研究[J].信息技術與信息化，2015（1）：68-69.

[6] 李國偉，郭金運，原永東，等.GPS測站多路徑效應建模[J].測繪科學，2013，38（3）：7-9.

[7] Hilla S，Cline M.Evaluating pseudorange multipatheffects at stations in the national CORS network[J].GPS Solutions，2004（7）：253-267.