农业GPS定位中的多径抑制算法研究

李欣，杨华，杨怀卿

(山西农业大学 信息科学与工程学院，山西 太谷 030801)



农业GPS定位中的多径抑制算法研究

李欣，杨华，杨怀卿

(山西农业大学 信息科学与工程学院，山西 太谷 030801)

[目的]随着我国现代化精细农业的快速发展，应用于农业的GPS定位精度要求日益提高，由于多径信号的不确定性，传统跟踪环路不能准确估计多径信号参数，也不能有效抑制多径干扰。[方法]因此，本文利用多径信号估计与消除技术抑制多径干扰，在跟踪环中引入自适应滤波器估计多径信号参数，准确计算码延迟和幅度衰减。[结果]构建多径信号抑制模块消除多径干扰，可获得直达信号的码延迟和载波相位。试验分析表明，本文提出的多径干扰抑制算法能够准确估计多径信号参数，有效抑制多径干扰。[结论]改进后的GPS接收机可以增强卫星定位精度，满足现代化农业提出的科学种田、精确管理的定位需求。

全球卫星定位系统； 多径干扰； 抑制； 算法

随着全球定位系统(GPS)接收机在现代化精细农业中的不断应用，用户在播种、施肥、洒药、收获、整地、起垄等农机作业中对接收机性能的要求也不断提升[1,2]。提高GPS定位精度，在现代化农机作业中能够有效控制生产成本，进而提高收益[3]。卫星信号在传输过程中受复杂外界环境的影响，会发生反射、散射等现象，产生多径效应。多径信号比直达信号传输距离更长，损失能量更多，是影响接收机定位精度的主要因素之一。

传统抑制多径干扰的主要方法是对跟踪环路的结构和算法进行改进[4～6]。跟踪环路改进算法对多径抑制具有较好的实时性和稳定性。窄相关技术[7]，与标准相关器相比，对中长延迟多径的抑制效果明显提升。但是，由于器件性能和资源的限制，相关器间隔不能无限制减小，使得窄相关技术抑制多径的性能还有待提升。Strobe相关器技术[8]采用4个相关器，与窄相关技术相比具有更好的多径抑制能力。多径估计延迟锁定环技术[9]在计算过程中不需要使用先验信息，理论上几乎完全抑制多径信号。但这种方法需要大量的相关器，且实现过程中计算量较大。Bhuiyan等[10]于2009年提出了减小搜索空间的最大似然延迟估计器(RSSML)技术，但该技术对存储参考相关函数的内存需求大。

为了满足现代化精细农业对全球卫星导航系统定位精度和连续定位导航的要求，本文提出了基于最小二乘法(RLS)的多径信号估计与消除算法。首先通过分析GPS信号的传播特点建立多径信号模型；然后提出基于RLS的自适应多径信号参数估计与消除技术；最后通过中频信号采样仪接收导航卫星信号数据来验证提出的多径抑制算法的有效性。研究结果表明，本文提出的缩进抑制算法，能有效抑制多径干扰，减小多径误差，提高GPS接收机定位精度，满足现代化精细农业对定位精度和连续定位的要求。

1 多径信号估计模型

多径信号估计模型主要分为多径信号参数估计模块和多径信号消除模块，如图1所示。在传统延迟锁定环(DLL)中，多径干扰会造成过零点漂移，导致S曲线失真和伪距误差。由于多径信号传输路径不同，直达信号与反射、散射信号之间存在相对相位延迟和幅度差异，因此，递归最小二乘法(RLS)适合作为多径信号参数估计模块，检测码延迟和幅度衰减。根据反射信号与直达信号比值(M/D)，确定各路反射信号的权值，并对各路反射信号进行加权求和，重建多径信号。利用多径信号消除模块消除多径干扰。

图1 自适应多径抑制环路Fig.1 Self-adaptive Multipath suppression circuit

通常假设多径误差主要由反射信号引起，将对跟踪误差影响很小的散射信号忽略为噪声。当存在N路多径信号时，经过接收机射频前端下变频之后的中频信号多径信号rM(t)可以由式(1)求得。其中，i=0时表示直达信号，从1到M表示m路多径信号。由于卫星信号与接收机天线的相对运动，接收机收到的多径信号，其幅度、时延、相位都是时变的，而载波相位θmi的变化会引起载波频率增加一个误差分量。

(1)

其中，αi表示接收信号的振幅；c(t)表示伪随机码；ωc表示载波角频率；τi表示多径信号时延；θmi表示第i个信号的载波相位；n(t)表示噪声。

2 多径信号估计与消除

2.1 自适应多径参数估计算法

中频信号经过载波环去载波后，M路多径信号组成的复合信号如式(2)所示。多径参数估计模块需要估计多径信号的ax,i=[ax,1ax,2…ax,m]和τi=[τ1τ2…τm]，如图2所示。多径参数估计模块具有两路输入，去载波后的I/Q支路信号作为估计信号输入，码跟踪环NCO产生的本地C/A码作为参考信号输入。参考信号由式(3)表示。

(2)

(3)

(4)

(5)

根据最小二乘准则J=E{|S(n)-wH(n)r(n)|2}，可以得到参数估计最优解。

(6)

式(2)经数字中频信号去载波后由式(4)和式(5)表示，作为自适应滤波器的输入。经过自适应滤波器和通过抽头权重，hi被估计出来。

图2 RLS自适应算法Fig.2 RLS adaptive algorithm

2.2 多径信号消除

由上述算法得到的估计最优解作为多径信号参数重建接收信号，需要考虑的因素有：

(1)反射信号幅值大小和码鉴别器输出值呈正相关[6]，反射信号的幅值越大，码鉴别器输出的结果也就越大，与实际码相位之间的差值也越大。因此，设定衰减系数β，如果αi<βα0，则此路多径信号对鉴别器输出结果影响很小，在重建多径信号时可以忽略此路信号。

(2)当反射信号与直射信号之间的相对延时大于或等于1.5×Tc时，直射信号与反射信号之间的相关性将消失，反射信号将不会产生码跟踪误差。

根据多径信号参数估计器得到的延迟参数，多径重建模块重复产生每一路反射信号码相位延迟的E/L如图3所示。

图3 多径信号重建Fig.3 Multipath signal reconstruction

估计延迟波形的相关值如式(7)所示。接收机接收信号减多径估计信号，一方面可以消除混合信号包含的多径信号，另一方面也能提高直达信号的比例，提高信噪比。

(7)

如果多径估计模块能够提供精准的多径参数近似估计值，则：

(8)

相应的多径消除模块能够完全消除多径干扰，提高信噪比，使后续处理只针对直达信号，从而进一步提高码相位测距精度。

3 仿真分析

为了验证本文所设计的跟踪环路有效性，从多径抑制和定位精度两方面进行对比试验。试验参数设置如下：接收端采样频率5 MHz，即在1ms的C/A码周期内共有5 000个采样点；数字中频1.25 MHz；码片延迟为503个采样点。捕获成功后，进入跟踪环路的初始频率2 KHz，捕获码片延迟为505个采样点，仿真M/D为-5.8 dB。

本文对比分析了传统跟踪环路和改进跟踪环路由于多径干扰引起的码跟踪误差，如图4所示。从图4中可以看出，多径干扰对传统的跟踪环路造成了较大的码跟踪误差，而本文改进的跟踪环路在多径干扰环境下，码跟踪误差降低了0.09个码片。因此，本文提出的改进算法能够有效降低码跟踪误差，抑制多径干扰。

图4 码跟踪误差分析Fig.4 Code tracking error analysis

图5和图6分别为传统跟踪环相关器与改进算法相关器的输出。在6 s～10 s间加入根据所跟踪卫星IF数据产生的NLOS模拟信号。NLOS信号比直达信号延迟0.8码片，M/D为-5.8 dB。从图5可以看出，异常情况主要发生在有NLOS接收的时间段内。在超前、滞后、即时三组相关器中，即时相关器输出的相关值最高。因此，难以从传统跟踪架构的相关器输出检测到NLOS信号。

图5 传统跟踪环相关器输出Fig.5 Traditional tracking loop correlator output

图6 改进算法相关器输出Fig.6 Improved algorithm correlator output

由图6可知，在接收信号中存在多径干扰时，码鉴别器输出很大负值，而且在滞后相关器输出存在最大值。因此，通过这两个现象可知，接收信号存在多径干扰。

另外，本文还分析了强干扰环境下，传统跟踪环路和改进跟踪算法由于多径干扰引起的载波相位误差。当M/D为-5.8 dB时，本文提出的算法与标准相关器、窄相关器和strobe相关器进行了对比，结果如图7所示。

图7 载波相位误差对比分析(M/D=-5.8dB)Fig.7 Improved algorithm correlator output

通过对比图7中四种算法相位误差可知，本文提出的改进算法能够更有效抑制多径干扰。因此，在遮挡严重的环境下，应用此跟踪环路，有利于提高伪距、伪距率测量精度，其定位精度优于传统跟踪环路。

图8为前文所述四种算法定位误差均方根(RMS)图。比较可知，存在多径干扰的情况下，本文提出的算法，其定位误差最小且定位性能优于传统接收机，说明该算法可行。

图8 定位误差RMS值Fig.8 RMS value of positioning error

4 结论

针对多径干扰影响定位精度的问题，本文提出了一种自适应多径参数估计与消除技术，对多径干扰在码延迟误差、载波相位误差估计的同时消除多径干扰。仿真结果分析表明，本文提出的跟踪环路改进算法能够有效抑制多径干扰。

(1)该算法通过对码跟踪误差估计与消除实现了对多径干扰的有效抑制，将多径引起的误差限制在0.2个码片。

(2)通过与标准相关器、Strobe相关器和窄相关器的对比试验，本文提出的算法定位误差最小。试验结果表明改进的GPS接收机能够有效抑制多径干扰，配合差分GPS导航设备具有更高的定位精度，而且投资较低、安装方便、操作灵活，更满足现代化农业要求的科学种田、精确管理的需求。

[1]孙小明.浅谈卫星定位导航系统延伸功能在农业生产中的应用[J]. 农业机械, 2016(8):96-98.

[2]惠华.卫星定位导航自动驾驶系统在精河县农业生产中的应用[J]. 农家顾问, 2014(11):99.

[3]赵宏亮. 现代化农业中GPS卫星定位和自动导航系统的应用[J]. 新农村:黑龙江, 2013(4):33.

[4]Miura S, Kamijo S. GPS Error Correction by Multipath Adaptation[J]. International Journal of Intelligent Transportation Systems Research, 2015, 13(1):1-8.

[5]相飞. 卫星导航接收机干扰及多径抑制方法研究[D]. 西安:西安电子科技大学, 2013.

[6]崔玥. 卫星导航系统接收机抗干扰技术研究[D]. 天津:天津大学, 2012.

[7]Dierendonck A J, Fenton P, Ford T. Theory and Performance of Narrow Correlator Spacing in a GPS Receiver[J]. Navigation, 1992, 39(3):265-283.

[8]Garin L, Diggelen F V, Rousseau J M. Strobe and Edge Correlator Multipath Mitigation for Code[C]// Proceedings of ION GPS-96. 1996:657-664.

[9]Nee R D J V, Siereveld J, Fenton P C, et al. The multipath estimating delay lock loop: approaching theoretical accuracy limits[C]//Position Location and Navigation Symposium. IEEE, 1994:246-251.

[10]Bhuiyan M Z H, Lohan E S. Advanced Multipath Mitigation Techniques for Satellite-Based Positioning Applications[J]. International Journal of Navigation and Observation, 2010(3):1254-1255.

(编辑：李晓斌)

Multipath suppression algorithm research in agricultural GPS positioning

Li Xin, Yang Hua, Yang Huaiqing

(CollegeofInformationScienceandEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801，China)

[Objective]With the rapid development of modern fine agriculture, the precision of GPS positioning applied in agriculture is increasing. Due to the uncertain multipath signal, the traditional tracking loop cannot accurately estimate the multipath signal parameters and cannot effectively suppress multipath interference.[Methods]Therefore, this paper used multipath signal estimation and elimination technology to suppress multipath interference, and introduced adaptive filter to estimate multipath signal parameters in tracking loop to calculate code delay and amplitude attenuation accurately.[Result]The multipath signal suppression module wss constructed to eliminate multipath interference and obtained the code delay and carrier phase of the direct signal. The experimentalresult showed that the multipath interference suppression algorithm of this paper proposed could accurately estimate the multipath signal parameters and effectively suppressed multipath interference.[Conclusion]The improved GPS receiver could enhance the satellite positioning accuracy， and meet the requirement of science farming and precise management of modern agriculture.

Global satellite navigation system, Multipath interference, Suppression, Algorithm

2017-05-05

2017-06-05

李欣(1988-)，男(汉)，山西太原人，助教，硕士，研究方向：无线传感器网络、卫星信号处理

国家自然科学基金资助项目(31671571)

P228.4

A

1671-8151(2017)09-0674-05