基于地圖擬合的GNSS接收機抗多徑干擾技術(shù)

何通 劉怡俊

摘要：通過對衛(wèi)星導(dǎo)航的多徑效應(yīng)的誤差來源和定位精度分析，結(jié)合地圖擬合在衛(wèi)星導(dǎo)航方面的應(yīng)用，提出了一種基于地圖擬合的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機多徑抑制技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合多徑抑制技術(shù)和地圖擬合，可以極大地提高GNSS接收機定位的精確性，明顯使定位的誤差變小。

關(guān)鍵詞：信號誤差源；地圖擬合；定位精度；抗多徑技術(shù)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0261-02

1 引言

GNSS系統(tǒng)起源于20世紀90年代，為了打破美國在衛(wèi)星相關(guān)市場的壟斷地位，獲取巨大的市場利潤，歐盟開始了對GNSS系統(tǒng)的研究。GNSS系統(tǒng)在國際上取得了很大的市場份額，并稱為與美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)以及中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全球四大導(dǎo)航系統(tǒng)。所謂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要根據(jù)接收機接收到的定位信息，從目標的一個位置按照預(yù)定位置導(dǎo)航到另一個位置的系統(tǒng)。然而GNSS的定位精度收到很多因素的影響，例如時鐘誤差、在傳播過程中對流層和電離層的延時以及多徑效應(yīng)引起的誤差等，前兩種誤差可以以通過一些數(shù)學方法進行消除如差分和建模，稱為系統(tǒng)誤差，但是多徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差由于一些特性的影響，不能通過上述的數(shù)學方法進行消除，成為高精度測量的最主要誤差。

地圖擬合是一種基于軟件的修正技術(shù)。地圖擬合是指GNSS接收機先從衛(wèi)星接收定位信息之后，從電子地圖的數(shù)據(jù)庫中提取有關(guān)的道路信息，然后將接收到的定位信息和提取的道路信息通過擬合算法對其進行實時修正，從而提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。地圖擬合是導(dǎo)航系統(tǒng)的有機組成部分。但是現(xiàn)有的導(dǎo)航技術(shù)不夠完善，其定位精度仍然存在較大誤差，所以引入地圖擬合技術(shù)對提高定位精度有著非常重大的意義。

2 多徑信號及抑制技術(shù)的研究

多徑效應(yīng)主要是由于衛(wèi)星本身、空間傳播、地表環(huán)境等因子的共同作用下，使衛(wèi)星信號除了直射信號外，還產(chǎn)生了反射和散射，而這些信號共同組成合成信號，被接收機接收，進而產(chǎn)生多徑。

2.1 多徑信號的模型

接收機接收的信號是合成信號，合成信號包括直射信號、反射或折射信號等多徑信號等其他信號，此處只考慮多徑信號。多徑信號存在延時、相移和衰落，導(dǎo)致偽碼跟蹤誤差。存在多徑時，接收信號[y（t）]的模型為：

[y（t）=i=1NRi（t）D（t-τi（t））C（t-τi（t））cos（2π（f0+vi（t））+?i（t）+n（t））] （2-1）

2.2 多徑抑制技術(shù)

2.2.1 EML多徑抑制法

超前滯后延遲鎖定環(huán)（EML）主要由3個相關(guān)器組成，即超前相關(guān)器E、滯后相關(guān)器L和即時環(huán)路相關(guān)器P。一般情況下設(shè)置E與L在兩側(cè)對稱，二者間距一般為一個碼片，P位于二者的中心；這種方法的誤差大小一般是通過設(shè)置的間距來影響的。

2.2.2 ELS多徑抑制法

超前滯后斜率鎖定環(huán)（ELS）根據(jù)前后斜率不同，而提出的方法，分別在波峰兩側(cè)設(shè)置兩組相關(guān)器，這兩組相關(guān)器對稱分布，根據(jù)相關(guān)器輸出的值分別測出兩側(cè)的斜率，比較出差異值，根據(jù)差異值算出誤差，來達到減小誤差的目的。

這種方法可以分別設(shè)置一組窄距相關(guān)器和一組寬距相關(guān)器，設(shè)置如下：[E1]與[L1]是窄距相關(guān)器，距離為2[d1]，[E2]與[L2]是寬距相關(guān)器，距離為2[d2]，取[d2] = 2[d1]。

3 地圖擬合技術(shù)的研究

3.1 地圖擬合算法處理過程

在本設(shè)計中地圖擬合算法是由確定可能范圍、挑選擬合路徑、計算修正結(jié)果和獲取擬合路段四個處理階段組成。可能包含真實車輛位置的范圍稱為可能范圍。在此范圍內(nèi)的路段稱為候選路段。擬合路段是從候選路段中挑選出可能性最大的行駛路段，主要是根據(jù)候選路段與車輛軌跡的相似度。計算出在該路段中可能性最大的位置，根據(jù)計算結(jié)果修正定位輸出，從而獲取最佳擬合路段，具體過程如圖1所示。

3.2 地圖擬合技術(shù)研究

3.2.1 基于概率統(tǒng)計的擬合算法

可能包含真實車輛位置的范圍稱為可能范圍，在這個范圍中，并根據(jù)概率統(tǒng)計理論，把可能范圍定位誤差的表示方法是橢圓法。范圍路段的選擇是在數(shù)字地圖的數(shù)據(jù)庫中，選擇橢圓范圍內(nèi)的路段，分別計算出GNSS定位點與該范圍路段之間的距離，對這些距離值進行比較，從而可以得到一條最短距離路段，則該路段為該點的擬合路段，該路段的中點就是擬合點，從而確定擬合道路。

3.2.2 基于曲線擬合的地圖擬合算法

首先選擇若干個原始數(shù)據(jù)并進行累加處理，然后再對這些數(shù)據(jù)進行曲線擬合處理，可以確定一條擬合直線。根據(jù)路徑的擬合度設(shè)定一個閾值，計算各個候選路段的斜率，并且計算出擬合直線和各候選路段的差值，取所有低于閾值并且最小的那個差值，并取該差值最小的候選路段，即為當前的擬合路段，確定最佳的擬合道路。

3.2.3 基于權(quán)重的地圖擬合算法

根據(jù)車輛在某路段行駛的歷史信息，可以得到3個行駛信息，行駛信息如下：當前定位點距候選路段的投影距離、車輛當前行駛方向與候選路段方向的夾角及候選路段與前一擬合路段的幾何拓撲關(guān)系。該部分利用前兩個行駛信息，將GNSS定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成道路網(wǎng)絡(luò)的弧的權(quán)重，根據(jù)候選路段弧的權(quán)重大小來確定車輛當前行駛的道路，從而確定最佳擬合路徑。

3.2.4 基于卡爾曼濾波的地圖擬合算法

該算法是根據(jù)二階馬爾可夫原理，在二維坐標系中，分別用該方程描述在兩個坐標軸的定位誤差，具體描述如下：在該方程中，把定位誤差作為系統(tǒng)的兩個觀測量，根據(jù)觀測量建立相應(yīng)的狀態(tài)方程；此時需要結(jié)合其他擬合方法，根據(jù)其他方法得到的最佳擬合位置，在道路的垂直方向上，可以計算出誤差測量值，作為系統(tǒng)的觀測序列，建立觀測方程；根據(jù)狀態(tài)方程和觀測方程，按照卡爾曼濾波方程，根據(jù)其解算順序，得出最優(yōu)估計值，利用坐標轉(zhuǎn)換，把坐標軸方向的最優(yōu)估計值轉(zhuǎn)化成垂直路段方向和平行路段方向的誤差最優(yōu)估計值，進而確定最佳擬合路徑。

4 基于地圖擬合的衛(wèi)星導(dǎo)航抗多徑技術(shù)

本設(shè)計采用的是HRC多徑抑制法和綜合地圖擬合算法來實現(xiàn)的，其基本原理就是基于HRC多徑抑制法的接收機接收并處理衛(wèi)星的接收信號，并且輸出處理后的衛(wèi)星信號；然后HRC多徑抑制模塊把處理后的信號發(fā)送給地圖擬合模塊，地圖擬合模塊需要根據(jù)接收到的定位信息，確定誤差區(qū)域，利用綜合地圖擬合算法選取擬合路段，此處綜合地圖擬合算法采用的是基于網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系的概率統(tǒng)計和卡爾曼濾波地圖擬合算法，計算出修正結(jié)果，完成地圖匹配，減小定位誤差。

4.1 地圖擬合模塊

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的車輛在行駛過程中，根據(jù)其是行車狀態(tài)，可以將地圖擬合算法分為搜索、行駛、切換、處理四個狀態(tài)。

具體處理如下：搜索即對道路信息進行搜索，可以對道路進行二級篩選，根據(jù)篩選的結(jié)果快速匹配道路；切換即在導(dǎo)航過程中對道路的切換，在這個環(huán)節(jié)中可以根據(jù)道路拓撲信息進行道路切換，然后根據(jù)車輛在行駛過程中車速的狀態(tài)，在進行道路的最優(yōu)化選擇時采用基于概率統(tǒng)計的地圖擬合算法。行駛即是車輛的正常行駛，在該狀態(tài)中基于卡爾曼濾波的地圖擬合算法，對車輛的定位點分別進行垂直和平行道路上的誤差進行估計，以獲得最佳擬合結(jié)果。處理包括異常和停車兩個部分，對異常的處理結(jié)果是先采用插值法，對異常點進行估計，之后需要對路徑進行重新搜索，直至搜索到正確擬合路徑；對停車狀態(tài)的處理就是根據(jù)定位結(jié)果保持原擬合位置不移動。

由于基于卡爾曼濾波的地圖擬合算法在計算過程中過程比較冗雜，耗時比較長，鑒于此，現(xiàn)將原算法進行改進：將GNSS的定位誤差由二階馬爾可夫過程等效為一階馬爾可夫過程，這樣的計算量就會大大降低，定位誤差也可以取得比較好的結(jié)果，大大提高了定位的實時性。

5 結(jié)論

本設(shè)計采用的是HRC多徑抑制法和綜合地圖擬合算法來實現(xiàn)的，通過分別分析多徑抑制技術(shù)和地圖擬合算法技術(shù)，根據(jù)其優(yōu)缺點和可實現(xiàn)性，把HRC抑制技術(shù)和綜合地圖擬合技術(shù)結(jié)合起來，可以大幅度地減小定位誤差。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】