伪卫星室内多径信号特性分析

张　衡，李雅宁，甘兴利，祝瑞辉，黄　璐

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

0　引言

在GNSS导航信号受到遮挡严重的区域，伪卫星定位技术可以有效改善用户接收机的定位精度。但是在实际工作中，由于伪卫星自身及所处位置周围环境的影响，伪卫星信号的多径效应问题一直不容忽视[1-3]。马煦、田冰和张磊等人对多径问题进行了简单分析，但伪卫星设备固定在选择好的已知位置上，其产生的多路径信号通常很难进行减缓消除[4，5]，而且随着伪卫星与接收机之间位置的不同，周围环境的变化或人与动物的附近活动等，多路径的影响结果存在很大差异[6-8]。现有的多径抑制技术如国防科大、西工大等主要针对卫星信号[9-11]，关于伪卫星的多径抑制技术有AOA技术[12]、多天线技术、实时差分技术、载波相位检测技术[13-15]和滤波技术[16]等，但均主要针对室外伪卫星定位，在室内更为复杂的信号环境中还未涉及。

因此，以室内信号的传播特性为出发点，针对室内多种典型环境下的伪卫星信号多径特性进行分析，并对结果进行比较，对明确未来的多径消除重点与策略具有重要意义。

1　多径特性

通常，接收机在接收卫星信号时，收到的不只有来自卫星的直播信号，还有经过周围各种介质N次反射后的信号。这些信号会干扰接收机信号使测量值产生多径偏差，其反射信号对真实信号的干扰大小随周围环境的变化而变化，一般难以人为控制[6-10]。由于伪卫星自身的一些特性，与GNSS卫星导航系统相比，多径效应相对更加复杂，主要特性如下：

① 伪卫星设备安装位置比较固定，不会实时变动，其多径信号具有较强的相关性。此时，如果接收机进行单点静态定位，多径信号通常会造成一个常值偏差且很难消除。

② 多径来源复杂。Ford等研究者的研究表明，接收机接收到的多径信号主要来源于2个方面：一是伪卫星信号传播过程中存在的反射、折射和衍射等形成的干扰；二是来源于伪卫星天线自身，并非全部伪卫星信号都能到达接收机，仍有极小部分的电磁波会被自身反射到接收机，造成接收机的接收信号发生畸变。

③ 信号功率强。由于伪卫星与接收机之间的间距相对较近，因此伪卫星的多径干扰比GNSS卫星信号强得多，相对更难消除。

2　场景建模与测试分析

针对上述介绍的伪卫星多径效应的复杂性，利用Wireless Insite电磁仿真软件强大的信号传播仿真能力，对室内的多种场景进行建模仿真，具体分析多场景下的伪卫星信号的多径特性。

2.1　办公室场景

办公室场景描述的是空间尺度较小的室内场景，现以办公室这一典型应用环境为例，对其进行环境建模。各项参数设置如下：每间办公室长8 m，宽7 m，高3 m，屋顶和隔墙的材质设为石膏板，屋内办公桌材质设为金属，屋内隔间材质为塑料，沙发靠椅材质设为纺织物，窗户材质设为玻璃(其中，墙壁材质为混凝土，介电常数为5，电导率为0.015；书桌材质为金属，介电常数与电导率为∞；沙发桌椅材质为纺织物，介电常数为2，电导率为0)；伪卫星收发天线类型为全向天线，极化方式为右旋圆极化；场景内无其他障碍物，在忽略人员移动的情况下，环境布设视为恒定。简化的办公室模型俯视图和三维空间场景如图1所示。

伪卫星发射点的高度与屋顶一致，设为3 m。发射的信号为正弦信号，频率为1 575.42 MHz。伪卫星信号发射功率设为4 dBm。

图1　办公室场景

为了得到一般统计规律，接收点的设置理应遍历模型空间，但受仿真条件的限制，不能逐个点进行讨论，现分别选取3个典型位置：同一屋内同一隔间、同一屋内不同隔间(软分隔)和隔壁屋内(硬分隔)进行仿真计算，如图2、图3和图4所示。考虑到人体手持接收装置的高度，4个接收点高度均设为1 m。

对比RX1、RX2和RX3处的到达射线情况可以看出，接收点RX1、RX2处的到达多径数量繁多，并且随着距离的增大，多径数量有减少的趋势；Rx3处到达射线数量大幅度减少并且能量微弱。隔墙对于伪卫星信号的阻碍作用是非常显著的，因此伪卫星应用于室内定位时应尽量确保参与定位的伪卫星设备与待定位区域在同一室内，从而避免墙壁对信号带来极大衰减。

2.2　大厅、走廊场景

大厅、走廊场景描述的是空间尺度较大的室内场景。各项参数设置如下：大厅长25 m，宽16 m，高3 m，屋顶和隔墙的材质设为石膏板，屋内办公桌材质设为金属，屋内隔间材质为塑料，沙发靠椅材质设为纺织物，窗户材质为玻璃，材质与2.1节相同；伪卫星收发天线类型为全向天线，极化方式为右旋圆极化；场景内无其他障碍物，在忽略人员移动的情况下，环境布设视为恒定。

伪卫星布设在大厅的4个角，发射点的高度与屋顶一致，设为3 m。发射的信号为正弦信号，频率为1 575.42 Mhz。伪卫星信号发射功率设为4 dBm。

图2　RX1接收的多径信号

图3　RX2接收的多径信号

图4　RX3接收的多径信号

接收机位置点现分别选取3个典型位置(如图5中黑色圆点所示)进行仿真计算，考虑到人体手持接收装置的高度，4个接收点高度均设为1 m。现以Rx1和位于大厅中间的Rx2两点作为代表进行分析。

图5　大厅、走廊场景

针对4颗伪卫星到达Rx1接收机的路径传播信号如图6所示。由图6可知，接收机处的多径现象相对复杂，反射和衍射点主要集中在接收机附近区域。当接收机接收到的直射信号Pd和间接信号Pid强度较为明显时，通常可以通过一定技术识别出直射信号。Rx1 Pm的概率密度率分布如图7所示，图7中依次列出了每颗伪卫星在接收机Rx1处的直射信号与间接信号强度差Pm的概率分布图，假设当差为4 dB时可以将直射信号识别出，则由图7中阴影区域的概率值发现，从信号强度上难以识别的多径信号仅占10%左右。

图6　Rx1接收的多径信号

图7　Rx1 Pm的概率密度率分布

同样，与上述类似，Rx2接收的多径信号图如图8所示。图中Rx2处的多径信号尽管也相对复杂，但到达Rx2处的多径信号功率整体偏低。Rx2 Pm的概率分布如图9所示，需要区分的多径信号相对较少，仅占整体多径信号的2%左右。

图8　Rx2接收的多径信号

图9　Rx2 Pm的概率分布

2.3　场景实测分析

为了进一步验证多径信号对测量值的影响，场景设置如下：伪卫星同时播发L1、B1信号，功率为66 dBm，室内人员正常来回走动，环境布设基本恒定。Rx1点多径对测量值影响如图10所示。

图10　Rx1点多径对测量值影响

由图10可得，Rx1点接收到的多个信号的测量值受多径影响大致在±2 m范围内，与Rx2相比波动范围较大。由仿真分析可得，应该是Rx1放置在墙角处，受墙的反射信号较强且比较复杂，同时办公人员距离较近，办公人员的走动造成多径对测量值的影响。

Rx2点多径对测量值影响如图11所示。由图11可以发现，多径影响明显好于Rx2，测量误差最大波动在±1 m。分析原因，Rx2位于大厅中间走廊位置，四周相对空旷，通过墙体等反射的多径信号强度相对较弱，对对直射信号的影响较小。

图11　Rx2点多径对测量值影响

6个测试点的测量误差均方值如表1所示。可以发现，在实测过程中，室内的多径影响测量误差与室外测试相差不大，在某些测试区域甚至优于室外的多径影响误差值。

表1不同场景的多径的平均值统计表

位置与环境RMS/m实验台工作桌面0.518 5实验台仪器桌面0.310 5实验室窗口位置0.795 3实验大厅中间走廊位置0.374 0实验楼室外楼顶测试0.217 9实验楼室外楼顶接天上信号测试0.453 8

3　结束语

通过分析上述多种场景下伪卫星多径信号传播特性，可以得出以下结论：① 室内环境的复杂性是多径信号更为严重的主要原因，但由于多次的折射、反射等，多径信号衰减很快，绝大多数多径信号可以消除，不会对接收机产生影响；② 多径影响的大小与室内位置点附近的环境有关，应当针对不同的环境采取不同的多径减缓措施；③ 接收机多径抑制技术的研究应当集中在小概率发生的部分。

本文的研究指出了室内伪卫星抗多径技术的工作重点和实现室内高精度定位的可行性。对于当前的室内外无缝定位建设具有重要意义。同时，为适应任何复杂环境下的多径影响，如何实现很难识别的小部分多径信号消除是当前研究面临的重要问题。