基于三频信噪比的北斗多路径检测

尹子明，陈明剑，刘天恒，闫建巧，汪 威

（1.解放军信息工程大学 导航与空天目标工程学院，河南 郑州 450001）

基于三频信噪比的北斗多路径检测

尹子明1，陈明剑1，刘天恒1，闫建巧1，汪 威1

（1.解放军信息工程大学 导航与空天目标工程学院，河南 郑州 450001）

在观测导航卫星信号时，根据多路径信号相对于直接信号的滞后情况，多路径干扰对载波、伪距观测值产生影响，同时对信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）会产生相似的影响。由于载波相位滞后大小与频率相关，同样信噪比在每个频率上的扰动是也不同的。提出一种利用在观测环境良好的情况下获得的信噪比差分结果建立一个统计阈值，通过比较测量过程中信噪比的差分值与该阈值的大小关系来检测北斗多路径的方法。静态测量和动态测量实验表明，该方法对于检验多路径影响具有较高的准确性和可行性。

信噪比；多路径；北斗

中国独立研发的北斗卫星导航系统（Beidou navigation satellite system，BDS）已经实现了对东南亚地区的导航定位服务全覆盖。卫星数量的增加、卫星信号频率的增加以及卫星信号合成方式的优化等因素使静态和动态测量精度不断提高。北斗导航定位中大部分的误差可以通过改进仪器、建模、滤波和差分等技术进行有效的改正，但对于多路径的处理效果并不十分理想。因此，在卫星测量和导航应用中多路径仍然是一个大的误差来源。基于三频信噪比的北斗多路径检测能够有效地对多路径影响进行检测。它的工作原理是同一路径的多路径干扰对于不同频率的信号影响是不同的[1]。实验表明它对于动态和静态观测都具有很好的适应性。

1 现在的多路径抑制技术

目前，多路径抑制主要技术可以分为3类：基于天线的，基于接收器的和基于导航数据处理的技术，许多种多路径抑制技术已经有了很好的发展和应用。

首先，天线系统可以通过增加抑径板或抑径圈、扼流圈等来抑制地面反射或低仰角散射的卫星信号干扰直接进入天线的信号，天线的增益模式可以设计成只接收右旋圆极化信号来抑制多路径信号[2]。同样，通过使用阵列天线利用空余自由度也可以有效地抑制多路径信号。然而，这就需要将复杂且笨重的设备附加到用户的天线上，所以该方法对于对许多应用来说是不可行的。接收机的多径抑制技术一般通过接收机的设计增加码鉴别器的分辨率，使它更容易区分直接和反射信号。双三角和选通相关等技术都减少了大路径延迟的多径干扰的码跟踪误差[3]。在数据解算过程中也可以削弱多路径误差。多路径信号会产生不一致的位置解，因此，在数据解算时仅使用位置解一致的信号[4]。每一种技术都在一定程度上削弱了多路径对导航定位结果的影响，但它们对于复杂多变的观测环境的适应能力都还有所欠缺，抑制效果不理想。而基于三频信噪比的北斗多路径检测方法能够适应各种复杂的观测环境。

2 利用信噪比检测多路径

2.1 伪距多路径误差

伪距多路径反映天线周围各种反射、散射、衍射等非直接信号的叠加影响，它受到天线周围环境、卫星高度角等因素的影响。多路径效应不仅具有一定周期性，而且具有随机噪声的一些特征，无法将其与噪声完全分开。多路径效应对伪距测量的影响更大，可以用处理后载波来替代站星距离，因此伪距多路径效应可以用伪距、载波相位观测值和整周模糊度来表示[5]：

式中，MP1、MP2、MP3表示频点B1、B2、B3伪距的多路径效应；P1、P2、P3表示伪距；φ1、φ2、φ3表示载波相位观测值；N1、N2、N3代表整周模糊度；f1、f2、f3为频点B1、B2、B3的频率。

2.2 多路径与SNR的相关性

信噪比通常是通过测量噪声信号的幅度换算出来的。GNSS接收机的输出信噪比通常是载波功率与噪声密度比的近似，即C/N0。SNR主要受卫星发射机增益SS，地面接收机增益SR，接收机与卫星之间的几何距离r，电离层介质衰减SI，接收机处的仰角SA等5个方面的影响[6-7]。由此可以得出：

式中，SS和SR为常量；SVI为卫星信号垂直穿过电离层时对信噪比的衰减；α为卫星的高度角。由式（5）可知，在忽略多路径信号影响的情况下，接收机接收的卫星信号的SNR主要与卫星信号的频率和卫星的高度角有关。

而在实际测量过程中，GNSS接收机接收到的卫星信号是直接信号、多路径信号以及其他噪声信号的合成信号。信号可以表示为：

式中，r为信号振幅；Ae为信号相位；jφ为单位复数。

式中，rc是接收机接收到的合成信号；rd是直接信号；rm是相关码后的反射信号（多路径信号）；Aα天线增益，与接收机与卫星之间的相对位置等因素有关；δφ为多路径信号对直接信号的相位的偏移量[7]。

由式（7）和式（8）可得：

由于每一条多路径信号的功率相比较直接信号都比较小，即αi较小，所以：

由式（10）可知，不同观测环境的多路径信号对于直接卫星信号的振幅和相位会产生不同的影响，导致接收机测量的信号比、载波、伪距值发生偏移。载波相位、伪距误差变化的周期与SNR的变化周期是相同的。多路径信号能够对直接信号产生影响，信噪比会随着多径信号的变化而变化。信噪比震荡变化的幅度、载波相位多路径误差、伪距多路径误差都取决于多路径的相位延迟以及直接信号和多径信号的能量强度。

多路径信号是导致SNR偏离正常值的原因之一，卫星功率变化、其他电磁信号干扰等因素也会导致SNR偏离正常值。但卫星功率变化、衰减等因素对某颗卫星发出的所有信号有类似的影响，而干涉、干扰等对同一卫星发出的不同频率的信号有不同的影响。因此，多路径信号对直接信号产生的多路径影响与直接信号的频率相关，并且多路径影响对同一时间不同频率的载波相位、伪距和SNR观测值的影响是不同的。这是能够根据SNR实时检测多路径延迟的依据。

2.3 多径检测器

在实际观测环境中难以获取不含多路径影响的载波相位、伪距和SNR观测值，因此本方法将利用良好观测环境下采集的数据来建立多路径影响检测控制器[8]。由上文可知，多路径信号对同一卫星发出的不同频率的信号有不同的影响，所以可以利用同一观测时刻不同频率的SNR差分值来建立统计量S，如式（11）。用良好观测环境下采集的SNR值计算统计量S，T为良好观测条件下的S的3倍标准差，作为外业数据采集时检测多路径的影响的阈值T。阈值T的大小主要与卫星以及卫星高度角有关。

式中，S1、S2、S3分别为频点B1、B2、B3的信噪比，为在良好环境下观测到的卫星高度角为θ时S1-S2、S1-S3的统计拟合值。

3 实例分析

3.1 建立检测器

本次实验所采用的设备为中海达 VNET 8，卫星截止高度角为5°。使用在良好观测环境下1 d的观测数据计算用于检测多路径影响的统计量S，作为检验多径影响的阈值T。本文以C14号卫星为例，计算及其标准差。通过多项式拟合可得：

多项式对C14号卫星的原始SNR数据的拟合情况如图 1所示。由式（11）、（12）以及（13）可得用于检验的阈值3σ。

式中，θPRN为卫星号为PRN的卫星高度角，单位为（°）。图2反映了C14号卫星信噪比差分量S与阈值比较情况以及与多路径的对比情况。

图1 多项式拟合数据情况

图2 良好观测环境下阈值检验情况

图3 测量作业观测环境下阈值检验情况

3.2 静态数据分析

静态数据采集是在龙海地区，从图 3可以看出，测站所在位置多路径干扰较高，且有较强的电磁干扰。在前6 000 s，多路径值振荡变化范围比较大，受到的多径干扰较大。这是由于卫星的高度角比较小。后来，卫星上升到较高的高度角，多路径的影响也迅速变小。但在第8 000 s左右的一段时间内伪距多路径值出现了较大的偏移，这可能是由于受到了电磁干扰等因素的影响。

从图 3可以看出，基于信噪比的检测统计和多路径值的大小变化有很强的相关性。在前4 000 s多路径值较大，检测量S大部分都大于阈值3σ。在第5 000 s左右，卫星高度角较高，大于40°，在5 100 s附近多路径仍出现了较大幅度的偏移，信噪比的检测统计量也出现较大值，这是由其他电磁信号干扰导致的。因此，该方法能够较好地检验多路径对于观测数据的影响，但对于区分影响卫星数据测量结果的因素还具有一定的局限性。

3.3 动态数据分析

许多全球导航卫星系统的应用对实时动态定位、导航提出了更多的需求和要求。因此，基于三频信噪比的北斗多路径检测也在动态情况下进行测试实验。此次实验是在信息工程大学校区内由北到南进行动态测试，速度约为10 km/h，经过宿舍楼、草坪、教学楼、人工湖等，该路线包含了各种高多路径观测环境和良好观测环境。

对C04、C09卫星建立同样的阈值T。北斗卫星C09、C14高度角变化范围在40°到70°，而C04的高度角较低，只有26°左右。从图 4、5、6可以看出，C04的多路径影响总体要比C09和C14的都要大，同样信噪比的统计量分布也更分散。

C04、C09、C14分别为GEO、IGSO、MEO卫星，从图 4、5、6可以看出，在2 500 s到3 500 s这段时间内有较为严重的失锁现象，这在MP值和信噪比统计量上都能够体现在出来。在时间为1 000 s、2 400 s、3 700 s和5 000 s时检测统计量S和多路径MP的峰值是一致的。通过对北斗导航系统中各种类型的卫星数据进行分析说明，该方法对于动态检测测量环境对观测数据质量的影响是可行的。

图4 C04实时信噪比检测情况

图5 C09实时信噪比检测情况

图6 C14实时信噪比检测情况

4 结 语

本文研究的多路径检测方法的原理是在测量的过程中多路径干扰对于不同频率同一时刻的信噪比、载波相位多路径、伪距多路径的影响存在差异。通过静态测量和动态测量过程中的数据进行分析，说明该方法对于检验BDS各类型卫星的数据信号的多路径影响具有较高的准确性和可行性，能够适用于各种观测环境的多路径影响检测，反映包含反射、散射等多种形式的多径信号影响，同时也能够反映电磁干扰信号对于测量结果的影响。

当多路径影响被检测到，应该削弱或消除它对数据解算结果的影响。检测结果可以作为在数据处理过程中设置观测值权重的依据，这不仅取决于其受多路径影响的严重性，还取决于来自其他卫星可用信号的质量。因此如何减少或消除异常数据对数据解算结果的影响是以后研究的重要问题。

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P228

B

1672-4623（2017）02-0026-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.008

2015-12-07。

项目来源：装备预研基金资助项目（9140A24011314JB52001）。

尹子明，硕士生，研究方向为高精度卫星导航定位技术及应用。