多径效应11151201

11151201王进1北京航空航天大学GPS定位导航原理与应用课程大作业II学院宇航学院班级111515学号_11151201姓名__王进指导老师_李昭莹刘昊2014年12月29日11151201王进2选题2——关键词：多径效应摘要推导了GPS接收机中多径效应引入的最大载波相位跟踪误差的闭合形式。得到以下结论:当直达信号跟踪误差不超过1码片时,最大载波测相多径误差为1/4周,该值出现在测码伪距多径误差最小的情况下;当直达信号跟踪误差超过或等于1码片时,接收机跟踪多径信号,信号误检发生。本文研究C玲系统中多径效应引起的伪距侧量误差.先分析镜面多径信号的时间延迟和由此引起的频带扩叹,然后研究在用相干和非相干延时锁定环跟踪NP码信号时多径信号对S曲线的影响和由此带来的伪距侧量误差(多径误差),以及减小多径误差的方法.关键词全球定位系统多径效应载波相位伪距误差AbstractTheclosedexpressionformofthemaximumcarrierphasetrackingerrorcausedbymultipatheffectisderivedinthispaperbasedonmultipathsignalcharacteristicsandGPSreceiverworkmechanism.Theconclusionsaredrawn:Whenthecodetrackingerrorofadirectsignalisnomorethanonechipandthecoderangingmultipatherroristheleastamaximum.Carrierphaseerroroccursanditsvalueisaquartercycle.Whenthecodetrackingerrorofadirectsignalisequaltoormorethanonecodechip,themultipathsignalisbeingtrackedandfalsedetectionoccurs.BecausethemaximumcarrierphasemultipatherrorismuchlessthanthemaximumcoderangingmultipatherrorcarrierphasedifferentialtechnologycausesextensiveattentioninGPSapplication,butitisstillamainobstacleinprecisemeasuring.Keywords:globalpositioningsystem,multipatheffect,carrierphase.pseudo-rangeerror0引言GPS接收机所接收的信号有两类：直接到达以及从周围物体反射的信号，这两种信号相叠加，被接收机接收后产生干涉从而影响码和相位的量测，这种效应称为多路径效应。多路径效应是限制GPS定位精度的一个重要原因，由于多径信号的数量与路径无法确定，并且其衰减幅度与延迟时间难以模型化，导致多径效应难以预测，其误差也难以消除，因此如何消除GPS测量定位中的多径误差问题已成为目前GPS应用研究中的热点与难题之一。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多径效应的定义多径效应（multipatheffect）：电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应。在实际的无线电波传播信道中（包括所有波段），常有许多时延不同的传输路径。各条传播路径会随时间变化，参与干涉的各分量场之间的相互关系也就随时间而变化，由此引起合成波场的随机变化，从而形成总的接收场的衰落。因此，多径效应是衰落的重要成因。多径效11151201王进3应对于数字通信、雷达最佳检测等都有着十分严重的影响。2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。（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。3多径效应的模型研究在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[3][4]。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。图1所示。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。11151201王进4结合上述分析和研究的简单模型，对GPS伪卫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。5多径信号特点与误差模型多径效应引起的量测干扰可分为2种类型[1]:①散射多径,是很多延迟信号之和,不存在起决定作用的反射物,它可模拟为包络瑞利分布的噪声通道,它对信号跟踪与量测的影响通常很小;②镜面多径,存在起决定作用的反射面,可模拟为一个或几个伪码调制的延迟信号之和。下面主要对镜面反射进行讨论,不考虑调制数据与噪声,GPS接收机接收到的信号为[2]S(t)=ΣMi=0aiC(t-fi)cos[kIFt+θi]其中:C(t)为GPS信号中伪随机码;kIF为下变频后的载波频率,通常可假定数据已去除;i=0代表“视线”方向直达信号;M为多径信号个数;ai,fi,θi分别表示直达信号或多径信号的幅度、码相位延时及载波相位参数。多径信号总是在直达波信号之后到达接收机天线,由于反射过程中可能的畸变,多径信号的强度通常比直达信号的弱(除非直达信号被遮挡)6多径信号引入的载波相位跟踪误差假定接收机产生的码相位延迟与载波相位估计为f,θ,则直达信号码相位延迟估计误差和载波相位估计误差分别为X0=f-f0,O0=θ-θ0,多径信号相应的码相延迟和载波相位偏差可分别表示为f-fi=f-f0-(fi-f0)=X0-fdi(2)θ-θi=θ-θ0-(θi-θ0)=O0-θdi(3)式中:fdi=fi-f0为多径信号相对于直达信号的码相位延迟;θdi=θi-θ0为多径信号相对于直达信号的载波相位偏差。输入信号与本地载波及伪码信号2cos(k0t)C(t-f)混频后输出信号为P(t)=ΣMi=0aiR(f-fi)cos(kbt+θ-θi)(4)式中:k0为载波本地振荡频率;R(·)为伪随机码自相关函数;kb为基带载波频率估计残差。考虑一个多径信号的情况,将上式展开并进行三角运算(a1≠0),由式(2)～式(4),复合信号变形为P(t)=a0R(f-f0)cos(kbt+θ-θ0)+a1R(f-f1)cos(kbt+θ-θ1)=a0R(X0)cos(kbt+O0)+a1R(X0-fd1)cos(kbt+O0-θd1)=[a0R(X0)cosO0+a1R(X0-fd1)cos(O0-θd1)]cos(kbt)-[a0R(X0)sinO0+a1R(X0-fd1)sin(O0-θd1)]sin(kbt)=TMcos(kbt+ΔhM)(5a)TM=a20R2(X0)+a21R2(X0-fd1)+2a0a1R(X0)R(X0-fd1)cosθd1(5b)ΔhM=T0R(X0)sinO0+a1R(X0-fd1)sin(O0-θd1)T0R(X0)cosO0+a1R(X0-fd1)cos(O0-θd1)5c)11151201王进5载波跟踪环跟踪复合信号变化[3],使得ΔhM=0,即sin(kbt)项系数为0,有a0R(X0)sinO0+a1R(X0-fd1)sin(O0-θd1)=0(6)由上式可以看到码跟踪与载波跟踪的相互依赖性。下面根据延迟锁定环跟踪误差的不同情况,对直达信号的相位跟踪瞬态误差进行分析。为简单起见,先假定多径反射不改变信号的极化特性。情况1首先考虑直达信号跟踪误差不超过1码片的情况,此时R(X0)≠0,环路跟踪的是直达信号而不是多径信号。进一步对式(6)进行分解,可获得直达信号的相位跟踪误差的正切函数tanO0=sinO0cosO0=a1R(X0-fd1)sinθd1a0R(X0)+a1R(X0-fd1)coθd1(7)由于R(X0)≠0,可以令U=a1R(X0-fd1)/[a0R(X0)](8)U为多径信号引入的衰变因子,它表示相关处理后多径信号相对于直达信号的幅度电平衰减。由式(7)、式(8)可得多径信号引入的直达信号载波相位跟踪误差O0=arctanUsinθd11+Ucosθd1(9)由上式可知,载波相位跟踪误差为U,θd1的函数。现在来分析一下载波相位量测中的最大跟踪误差。以θd1为变量对式(9)求导并令其等于0,有dO0dθd1=Uco