一種單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法，包括：接收機(jī)接收原始數(shù)據(jù)；原始數(shù)據(jù)包括偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值；將偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值組合，得到有偏的偽距/載波相位觀測(cè)值；計(jì)算多歷元的有偏的偽距/載波相位觀測(cè)值的均值，得到無(wú)偏的碼減相位偏差組合觀測(cè)值的時(shí)間序列；采用傅里葉變換方法分析提取無(wú)偏的碼減相位偏差組合觀測(cè)值時(shí)間序列的頻譜信息；對(duì)頻譜信息分析，得到多路徑效應(yīng)的頻率分布；對(duì)無(wú)偏的碼減相位偏差組合觀測(cè)值進(jìn)行多級(jí)小波分解和小波重構(gòu)，得到多路徑效應(yīng)估值；偽距觀測(cè)值與多路徑效應(yīng)估值進(jìn)行求差，得到多路徑緩解后的偽距觀測(cè)值。本方法有效降低多路徑效應(yīng)影響，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法。【背景技術(shù)】
[0002]早在二十世紀(jì)七十年代GPS系統(tǒng)的研制和論證階段，多路徑效應(yīng)對(duì)定位的影響就被列為論證因素之一明確提出。多路徑效應(yīng)是指:GPS衛(wèi)星定位信號(hào)在其發(fā)射和傳播過(guò)程中由于受到環(huán)境因素的影響而導(dǎo)致接收信號(hào)中帶入周?chē)h(huán)境造成的反射或繞射信號(hào)，這種信號(hào)畸變致使GPS信號(hào)的極化方式和延遲發(fā)生變化，從而產(chǎn)生定位偏差甚至信號(hào)失鎖，從而構(gòu)成衛(wèi)星定位中的多路徑效應(yīng)。
[0003]多路徑效應(yīng)主要具有以下特點(diǎn):(I)多路徑效應(yīng)為一時(shí)空環(huán)境效應(yīng):多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生可以理解為一時(shí)空環(huán)境效應(yīng)。其與衛(wèi)星相對(duì)于地物的空間位置及地物均有關(guān)系。地物所造成的多路徑效應(yīng)影響與地物對(duì)GPS信號(hào)的反射能力又有關(guān)。反射能力常以地物的反射系數(shù)表示，此時(shí)地物為GPS信號(hào)傳播的一種介質(zhì)。反射物的反射系數(shù)被定義為反射波場(chǎng)強(qiáng)與入射波場(chǎng)強(qiáng)之比，GPS定位信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)出到達(dá)地面接收天線時(shí)，球面波之等位面的局部球面可看成平面，即球面波可當(dāng)成平面波處理。由多路徑誤差的形成機(jī)理可知，在適當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，其均值將愈來(lái)愈小。(2)多路徑效應(yīng)的影響與接收機(jī)的抑制能力有關(guān):由于不同工作原理工作的GPS接收機(jī)跟蹤和鎖定GPS衛(wèi)星信號(hào)的過(guò)程也有所不同，從而導(dǎo)致接收機(jī)輸出的觀測(cè)量受到的多路徑效應(yīng)的影響也不相同。因此，除觀測(cè)環(huán)境外，GPS接收機(jī)內(nèi)部工作機(jī)理與多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生是密不可分的。另外，GPS接收天線也是接收系統(tǒng)中的重要單元，其性能直接影響到對(duì)多路徑效應(yīng)的克服能力。(3)靜態(tài)時(shí)的多路徑效應(yīng)具有重復(fù)性:由第一特點(diǎn)可以理解到，在靜態(tài)情況下，衛(wèi)星空間結(jié)構(gòu)相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)是依衛(wèi)星的運(yùn)行周期而重復(fù)的，因此產(chǎn)生多路徑的場(chǎng)景也是重復(fù)的，這直接導(dǎo)致多路徑效應(yīng)具有的重復(fù)性。(4)多路徑效應(yīng)的影響在量值上具有一定的范圍:GPS接收機(jī)在對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)比對(duì)和跟蹤鎖定時(shí)決定了多路徑效應(yīng)的最終產(chǎn)生具有量值上的范圍，即理論上碼偽距不會(huì)超過(guò)一個(gè)碼元的寬度，而相位不會(huì)超過(guò)四分之一個(gè)載波波長(zhǎng)。(5)多路徑效應(yīng)具有一定的頻率行為:當(dāng)產(chǎn)生多路徑的場(chǎng)景一定時(shí)，反射介質(zhì)的反射特性也一定，多路徑信號(hào)隨著衛(wèi)星的運(yùn)行而不斷改變其入射角。
[0004]據(jù)美國(guó)Ohio大學(xué)的研究，GPS C/A碼多路徑誤差最大可達(dá)150米，精碼也達(dá)10米，實(shí)用中的大地型GPS接收機(jī)在水面上的偽距多路徑影響可達(dá)7米。這足以危機(jī)定位的精度和可靠性，直接影響著諸如飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)，航天器對(duì)接等重大任務(wù)的順利進(jìn)行。澳大利亞Queensland大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航中心的研究(A.Walker, 1999)表明地物反射特性不同，定位結(jié)果也存在差異，例如雨天和晴天的GPS觀測(cè)量的信噪比差一倍，多路徑效應(yīng)的幅值明顯增大，因而直接影響諸如精密形變監(jiān)測(cè)和板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等的結(jié)果，甚至可導(dǎo)致形變趨勢(shì)解譯和預(yù)報(bào)的失誤。加拿大的Georgiadou和Kleusberg早在1988年就得出在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位方式下，城市環(huán)境限制了點(diǎn)位的選擇，并導(dǎo)致載波相位觀測(cè)量因多路徑效應(yīng)而受到污染，致使在快速靜態(tài)定位中，基線收斂速度慢一倍；動(dòng)態(tài)情況下，水平位置有5cm誤差，高程分量大于IOcm的誤差。因此多路徑效應(yīng)探測(cè)與環(huán)境的探測(cè)與環(huán)境是十分必要的。
[0005]目前對(duì)多路徑效應(yīng)的研究可分為硬件研究和軟件研究?jī)纱蠓较颍罢邭w結(jié)為定位衛(wèi)星系統(tǒng)自身的改進(jìn)及GPS接收機(jī)和接收天線的改進(jìn)，后者則為定位和處理方法的消除措施的研究。而這兩者之間又是相互促進(jìn)和相互補(bǔ)充的，尤其是算法的研究可以彌補(bǔ)硬件設(shè)計(jì)的限制和不足，并可通過(guò)軟件的固化深化硬件的發(fā)展。(I)硬件研究:在多路徑效應(yīng)消除或緩解的硬件研究中，主要通過(guò)使用新型(微帶式天線，扼流圈，空腔支承)天線和改進(jìn)的信號(hào)跟蹤環(huán)消弱多路徑效應(yīng)，例如用具有各路徑估計(jì)性能的鎖相環(huán)。其主要技術(shù)有:窄相關(guān)技術(shù)，多路徑消減技術(shù)以及消減多路徑的延遲鎖相環(huán)。其中，前兩種技術(shù)只考慮了 DLL中的多路徑影響，因此這兩種方法只能改善偽距觀測(cè)值中多路徑的影響；而第三種方法同時(shí)處理了 DLL和PLL中的多路徑的影響，可有效地消減偽距和相位觀測(cè)值中的多路徑效應(yīng)的影響，但這種技術(shù)計(jì)算量較大，對(duì)硬件的要求較高。(2)軟件研究:1)在多路徑建模方面，Hajj早在1990年就提出了建立多路徑效應(yīng)模型的基本原理。即對(duì)具體的接收機(jī)天線及其所處的環(huán)境，根據(jù)電磁波傳播理論，基于對(duì)特定天線的天線增益，天線周?chē)镔|(zhì)的反射屬性及對(duì)天線的幾何關(guān)系的了解，模擬電磁波射線的傳播軌跡，并通過(guò)一定的算法得出多路徑效應(yīng)誤差的振幅和相位，并在載波觀測(cè)量上進(jìn)行改正，從而減少多路徑誤差的影響。Gomez(1995)和Irish (1998)分別通過(guò)建立多路徑與接收機(jī)與跟蹤衛(wèi)星之間的方位角、衛(wèi)星高度角的函數(shù)模型改正每一顆衛(wèi)星的多路徑影響。2)在利用信噪比信息消除多路徑誤差研究方面，Comp (1996)提出了一種消除多路徑誤差的思路。由于信噪比與相位殘差相比，對(duì)天線姿態(tài)有較小的敏感性，則可以通過(guò)對(duì)每顆衛(wèi)星接收信號(hào)的信噪比率進(jìn)行分析，從而估計(jì)出多路徑對(duì)信號(hào)的影響程度，通過(guò)一定的方法，從復(fù)合信號(hào)中分離出多路徑的影響，得到“干凈”的觀測(cè)值，消除多路徑對(duì)GPS觀測(cè)量的影響。楊天石博士從接收機(jī)接收的信噪比中包含了載波相位多路徑的影響出發(fā)，通過(guò)分離多路徑信號(hào)成分和直達(dá)信號(hào)成分，得到多路徑對(duì)直達(dá)信號(hào)的影響量，進(jìn)而改正載波相位觀測(cè)量，從而達(dá)到消除或減弱多路徑的目的，實(shí)踐證明能取得一定的效果。3)在小波分析提取多路徑信號(hào)方面，黃丁發(fā)教授利用離散小波變換，將振動(dòng)狀態(tài)下的多路徑與實(shí)際結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行分離，有效的提取了多路徑效應(yīng)誤差；周冬梅等針對(duì)小波變換的傳統(tǒng)算法模型在提取坐標(biāo)中多路徑誤差方面的不足，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并利用改進(jìn)后的算法提取坐標(biāo)中的多路徑誤差，計(jì)算出多路徑誤差的互相關(guān)系數(shù)、濾波后的坐標(biāo)系列及坐標(biāo)間的互相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明改進(jìn)后的算法能有效地提取出坐標(biāo)中的多路徑誤差，達(dá)到理想的濾波效果。
[0006]從以上內(nèi)容可知，在采用硬件進(jìn)行多路徑抑制時(shí)，可以抑制部分多路徑效應(yīng)的影響，但仍有部分多路徑效應(yīng)不能消除，因此多路徑效應(yīng)仍會(huì)對(duì)GNSS觀測(cè)值的數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響。而在采用軟件進(jìn)行多路徑抑制時(shí)，現(xiàn)有的多路徑效應(yīng)的處理方法大多是對(duì)后處理結(jié)果的殘差進(jìn)行多路徑效應(yīng)提取，不是真正意義上的多路徑效應(yīng)的提取，特別在實(shí)時(shí)應(yīng)用中上述方法存在著難以修復(fù)的缺陷，進(jìn)而難以有效緩解多路徑效應(yīng)，提高GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法，為一種真正意義上的多路徑效應(yīng)的提取方法，進(jìn)而有效降低多路徑效應(yīng)的影響，提高GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0009]本發(fā)明提供一種單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法，包括以下步驟:
[0010]SI，GNSS接收機(jī)按一定的數(shù)據(jù)采樣率接收GNSS原始數(shù)據(jù)；其中，所述GNSS原始數(shù)據(jù)包括GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航星歷和衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)；所述衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)包括偽距觀測(cè)值Pm和載波相位觀測(cè)值cPk
[0011]S2，通過(guò)公式1，將所述偽距觀測(cè)值Pn^P所述載波相位觀測(cè)值cPk進(jìn)行組合，得到
有偏的偽距/載波相位觀測(cè)值CmCbiased, k ；
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法，其特征在于，包括以下步驟: SI，GNSS接收機(jī)按一定的數(shù)據(jù)采樣率接收GNSS原始數(shù)據(jù)；其中，所述GNSS原始數(shù)據(jù)包括GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航星歷和衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)；所述衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)包括偽距觀測(cè)值Pn^P載波相位觀測(cè)僅iPk5 S2，通過(guò)公式1，將所述偽距觀測(cè)值Pn^P所述載波相位觀測(cè)值tPk:進(jìn)行組合，得到有偏的偽距/載波相位觀測(cè)值CmCbi_“ ；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法，其特征在于，S4中，采用公式4對(duì)所述無(wú)偏的碼減相位偏差組合觀測(cè)值時(shí)間序列進(jìn)行離散傅里葉變換:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法，其特征在于，設(shè)經(jīng)S5后，得到當(dāng)前序列中多路徑效應(yīng)的頻率分布為O~fHz ;則根據(jù)該頻率分布信息，采用公式6進(jìn)行小波分解:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法，其特征在于，S6中，通過(guò)公式7計(jì)算多路徑效應(yīng)估值.LwaveSmooth.
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單頻多路徑效應(yīng)探測(cè)與緩解方法，其特征在于，S7中，通過(guò)公式8計(jì)算多路徑緩解后的偽距觀測(cè)值PWaveSmMth:
【文檔編號(hào)】G01S19/22GK103901442SQ201410095456
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】谷守周, 秘金鐘, 方書(shū)山, 王霞迎, 朱燕俊, 宋傳峰 申請(qǐng)人:中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院