GPS车辆定位导航系统中多路径效应的误差分析

  车载定位导航系统是集中应用了自动车辆定位技术、地理信息系统与数据库技术、计算机技术、多媒体技术、无线通信技术的高科技综合系统,为车辆驾驶员提供自动车辆定位、行车路线设计、路径引导服务、综合信息服务、无线通信等功能。提供车辆的位置、速度和航向等信息是车辆导航定位系统的首要功能。对任何性能良好的车辆定位导航系统来说，精度可靠的车辆定位是实现导航功能的前提和基础。
    在车辆定位导航系统中，GPS定位误差的性质与其他GPS应用中的误差有所不同。因为车辆主要在高楼林立、林荫道纵横的城市环境中运行，所以城市当中的电磁环境会严重的干扰GPS信号而使定位误差增大，同时GPS接收机将遭遇非常复杂的，且变化无常的多路径。在存在恶劣多路径的环境下，多路径定位误差可高达几十米，甚至上百米。因此在车辆导航定位中，多路径误差就成为一个必须考虑的误差源。
1　多路径误差的原理及特性
1.1　多路径误差的原理
    GPS信号接收机所测得的站星距离，应该是GPS信号接收天线相位中心至GPS卫星发射天线相位中心的距离。接收的GPS信号理论上应该是从GPS卫星发射天线相位中心直接到达GPS信号接收天线相位中心，称之为直接波。实际上除了直接波还有：地面反射波,星体反射波，介质散射波等几种间接波。GPS信号从高空通过电离层和对流层而到达地面时包括了直接从GPS卫星到达用户接收天线的直接波以及经过反射和散射而到达用户接收天线的间接波。GPS信号接收机所观测的GPS信号是直接波和间接波的合成波。所谓的“多路径误差”就是间接波对直接波的破坏性干涉而引起的站星距离误差。这种由多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。
    在GPS信号接收天线接收的间接波中以地面反射波为主，现以地面反射为例来说明这种组合。若天线收到卫星的信号为S，同时收到经地面反射后的反射波信号S′。显然这两种信号所经过的路径不同，其路径差值称为程差，用Δ来表示，
Δ=GA-OA=GA（1-cos2θ）=■（1-cos2θ）=2Hsinθ    （１）
    式中，H为天线离地面的高度，反射波和直接波间相位延迟θ，为
θ＝Δ×■＝４πＨ sinθ÷λ                          （２）
式中λ为载波的波长。
    由于反射波一部分能量被反射面吸收、GPS接收天线为右旋圆极化结构，有抑制反射波的功能，所以反射波除了存在相位延迟外，信号强度一般也会减少。
1.2　多路径误差的特性
    经过一系列的研究和实验,我们发现多路径效应有如下一些特点：
    （１）无论是码观测值还是载波相位观测值,都受多路径误差的影响,其中码观测值的多路径影响更为复杂些。其误差大约是载波相位多路径影响的几百倍。
    （２）在静态的测量中,多路径误差对伪距观测的影响在良好条件下约为1.3m,在反射很强的环境条件下约为4-5m,严重时还将引起信号失锁。多路径效应对载波相位观测值的影响造成相位偏差,给距离观测带入大约5cm的显著周期性偏差,而高程影响可以达到±15cm。
    （３）多路径误差包括常数部分和周期性部分,其中常数部分在观测时间段内一直存在,无法削弱和消除,周期性部分可通过延长观测时间予以削弱和消除。
2　多路径效应的消减方法
2.1　传统的技术
1）接收机的方案
    多路径误差在很大程度上取决于接收机的方案。若给定一组多路径参数，相干延迟锁相环(DLL)的平均多路径误差比非相干延迟锁相环(DLL)的小。当多路径的相对相位变化率与码跟踪环带宽相比很大时，相干（DLL）误差确实平均为零。
2）采用相关器窄间隔的方案
    在非相干DLL中采用超前和滞后相关器窄间隔的方法。利用小部分的相关函数(在峰值周围)来构成鉴相器，可使最大多路径误差减少10倍，并可完全消除相对延迟大约在一个码位或更大的多路径。
3）采用抗多路经天线
    在某些天线设计中，通过增益方向图的赋形，使天线自身具有部分多路径抑制性能。当用户天线离地面有一定高度时，来自导航星的直达信号都从天线的主瓣上入射，而由地面引入的多路径干扰主要从天线的旁瓣入射，基于直达信号与多路径干扰的到达角不一样，使用抗多路径天线是一种比较简单的方法。这种抗多路径天线的主瓣增益相对较高，而旁瓣尽量小，使等效反射系数很小，达到抗多路径的目的，适用于地面或海面反射的多路径干扰环境。
4）采用空域和时域自适应天线阵列
    该方法虽能抑制多路径效应，但有时多路径误差可达几十米，即使使用目前性能最优的接收机也难以消除如此大的多路径误差。
5）采用加权几何精度因子选星的方法
    采用加权几何精度因子选星方法并采用定位误差方差最小原则，构造不同加权的GDOP值，尽量不用那些多路径误差可能相对较大的观测方程。这种方法可以明显减小多路径对定位误差的影响。综合定位误差可减小到三分之一以下。
2.2　现代新技术
1）多路径估计技术和多路径估计延迟锁定环技术
2）利用信噪比SNR消弱多路径效应
    通过分析GPS信号的信噪比SNR（Signal-to-Noise Ratio）利用频率特性来消弱多路径效应。该方法从接收机接收的信噪比中包含了载波相位多路径的影响出发，通过分离多路径信号成分和直达信号成分，得到多路径对直达信号的影响量。来改正载波相位（下转第81页）（上接第82页）观测量，达到消除或减弱多路径的目的。
3）数字波束形成（DBF）技术与传统技术的结合
    在天线部分应用自适应DBF算法,干扰信号基本被消除,但多路径信号残余较多,尤其是当卫星处于较低的高度角时,可能会发生多路径信号、电子干扰与卫星信号来自同一方向的情况,此时DBF天线更难以消除多路径号和带内干扰,需要在后处理中加入时域滤波和频域滤波等技术。
2.3　适用于车载定位导航中的技术
    在城市环境下，行驶的车辆所遭受的多路径随着位置的变化而变化。多路径干扰随空间和时间的变化而在不断的变化，用单一的抗多路径天线空域处理或自适应滤波的时域处理方法都难以获得理想效果，结合空域和时域两个方面的思想，用时空自适应阵列处理应是一种比较好的选择。
    在城市或者郊区，多路径效应很明显且复杂多变，多路径干扰主要是长程和短程混合信号，这时需要基于导航信号的DBF+时域处理+频域处理的多维技术。此外，削弱多路径效应的方法还有:利用非线性估计理论,用扩展的Kalman滤波技术、用相位平滑技术、利用信噪比等一些技术。
3　结束语
    车辆定位导航系统是智能运输系统中当前需求较为迫切、应用比较广泛的一个重要的应用系统，是国际上公认的解决城市交通问题的有效途径之一。而如何提高车辆定位的精度也是车辆定位系统中需要迫切解决的事情。多路径效应是影响车辆精密定位的最大障碍，如何消除或减弱多路径效应的影响已成为国内外学者研究的热点问题，随着GPS接收机性能的提高，新技术手段的应用，多路径效应产生的误差定可以找到有效的消除或减弱的方法，从而提高GPS车载导航的定位精度。