基于地图拟合的GNSS接收机抗多径干扰技术

何通 刘怡俊

摘要：通过对卫星导航的多径效应的误差来源和定位精度分析，结合地图拟合在卫星导航方面的应用，提出了一种基于地图拟合的卫星导航接收机多径抑制技术。该技术结合多径抑制技术和地图拟合，可以极大地提高GNSS接收机定位的精确性，明显使定位的误差变小。

关键词：信号误差源；地图拟合；定位精度；抗多径技术

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0261-02

1 引言

GNSS系统起源于20世纪90年代，为了打破美国在卫星相关市场的垄断地位，获取巨大的市场利润，欧盟开始了对GNSS系统的研究。GNSS系统在国际上取得了很大的市场份额，并称为与美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统以及中国的北斗导航系统的全球四大导航系统。所谓卫星导航系统主要根据接收机接收到的定位信息，从目标的一个位置按照预定位置导航到另一个位置的系统。然而GNSS的定位精度收到很多因素的影响，例如时钟误差、在传播过程中对流层和电离层的延时以及多径效应引起的误差等，前两种误差可以以通过一些数学方法进行消除如差分和建模，称为系统误差，但是多径效应产生的误差由于一些特性的影响，不能通过上述的数学方法进行消除，成为高精度测量的最主要误差。

地图拟合是一种基于软件的修正技术。地图拟合是指GNSS接收机先从卫星接收定位信息之后，从电子地图的数据库中提取有关的道路信息，然后将接收到的定位信息和提取的道路信息通过拟合算法对其进行实时修正，从而提高卫星导航系统的定位精度。地图拟合是导航系统的有机组成部分。但是现有的导航技术不够完善，其定位精度仍然存在较大误差，所以引入地图拟合技术对提高定位精度有着非常重大的意义。

2 多径信号及抑制技术的研究

多径效应主要是由于卫星本身、空间传播、地表环境等因子的共同作用下，使卫星信号除了直射信号外，还产生了反射和散射，而这些信号共同组成合成信号，被接收机接收，进而产生多径。

2.1 多径信号的模型

接收机接收的信号是合成信号，合成信号包括直射信号、反射或折射信号等多径信号等其他信号，此处只考虑多径信号。多径信号存在延时、相移和衰落，导致伪码跟踪误差。存在多径时，接收信号[y（t）]的模型为：

[y（t）=i=1NRi（t）D（t-τi（t））C（t-τi（t））cos（2π（f0+vi（t））+?i（t）+n（t））] （2-1）

2.2 多径抑制技术

2.2.1 EML多径抑制法

超前滞后延迟锁定环（EML）主要由3个相关器组成，即超前相关器E、滞后相关器L和即时环路相关器P。一般情况下设置E与L在两侧对称，二者间距一般为一个码片，P位于二者的中心；这种方法的误差大小一般是通过设置的间距来影响的。

2.2.2 ELS多径抑制法

超前滞后斜率锁定环（ELS）根据前后斜率不同，而提出的方法，分别在波峰两侧设置两组相关器，这两组相关器对称分布，根据相关器输出的值分别测出两侧的斜率，比较出差异值，根据差异值算出误差，来达到减小误差的目的。

这种方法可以分别设置一组窄距相关器和一组宽距相关器，设置如下：[E1]与[L1]是窄距相关器，距离为2[d1]，[E2]与[L2]是宽距相关器，距离为2[d2]，取[d2] = 2[d1]。

3 地图拟合技术的研究

3.1 地图拟合算法处理过程

在本设计中地图拟合算法是由确定可能范围、挑选拟合路径、计算修正结果和获取拟合路段四个处理阶段组成。可能包含真实车辆位置的范围称为可能范围。在此范围内的路段称为候选路段。拟合路段是从候选路段中挑选出可能性最大的行驶路段，主要是根据候选路段与车辆轨迹的相似度。计算出在该路段中可能性最大的位置，根据计算结果修正定位输出，从而获取最佳拟合路段，具体过程如图1所示。

3.2 地图拟合技术研究

3.2.1 基于概率统计的拟合算法

可能包含真实车辆位置的范围称为可能范围，在这个范围中，并根据概率统计理论，把可能范围定位误差的表示方法是椭圆法。范围路段的选择是在数字地图的数据库中，选择椭圆范围内的路段，分别计算出GNSS定位点与该范围路段之间的距离，对这些距离值进行比较，从而可以得到一条最短距离路段，则该路段为该点的拟合路段，该路段的中点就是拟合点，从而确定拟合道路。

3.2.2 基于曲线拟合的地图拟合算法

首先选择若干个原始数据并进行累加处理，然后再对这些数据进行曲线拟合處理，可以确定一条拟合直线。根据路径的拟合度设定一个阈值，计算各个候选路段的斜率，并且计算出拟合直线和各候选路段的差值，取所有低于阈值并且最小的那个差值，并取该差值最小的候选路段，即为当前的拟合路段，确定最佳的拟合道路。

3.2.3 基于权重的地图拟合算法

根据车辆在某路段行驶的历史信息，可以得到3个行驶信息，行驶信息如下：当前定位点距候选路段的投影距离、车辆当前行驶方向与候选路段方向的夹角及候选路段与前一拟合路段的几何拓扑关系。该部分利用前两个行驶信息，将GNSS定位数据转换成道路网络的弧的权重，根据候选路段弧的权重大小来确定车辆当前行驶的道路，从而确定最佳拟合路径。

3.2.4 基于卡尔曼滤波的地图拟合算法

该算法是根据二阶马尔可夫原理，在二维坐标系中，分别用该方程描述在两个坐标轴的定位误差，具体描述如下：在该方程中，把定位误差作为系统的两个观测量，根据观测量建立相应的状态方程；此时需要结合其他拟合方法，根据其他方法得到的最佳拟合位置，在道路的垂直方向上，可以计算出误差测量值，作为系统的观测序列，建立观测方程；根据状态方程和观测方程，按照卡尔曼滤波方程，根据其解算顺序，得出最优估计值，利用坐标转换，把坐标轴方向的最优估计值转化成垂直路段方向和平行路段方向的误差最优估计值，进而确定最佳拟合路径。

4 基于地图拟合的卫星导航抗多径技术

本设计采用的是HRC多径抑制法和综合地图拟合算法来实现的，其基本原理就是基于HRC多径抑制法的接收机接收并处理卫星的接收信号，并且输出处理后的卫星信号；然后HRC多径抑制模块把处理后的信号发送给地图拟合模块，地图拟合模块需要根据接收到的定位信息，确定误差区域，利用综合地图拟合算法选取拟合路段，此处综合地图拟合算法采用的是基于网络拓扑关系的概率统计和卡尔曼滤波地图拟合算法，计算出修正结果，完成地图匹配，减小定位误差。

4.1 地图拟合模块

基于卫星导航的车辆在行驶过程中，根据其是行车状态，可以将地图拟合算法分为搜索、行驶、切换、处理四个状态。

具体处理如下：搜索即对道路信息进行搜索，可以对道路进行二级筛选，根据筛选的结果快速匹配道路；切换即在导航过程中对道路的切换，在这个环节中可以根据道路拓扑信息进行道路切换，然后根据车辆在行驶过程中车速的状态，在进行道路的最优化选择时采用基于概率统计的地图拟合算法。行驶即是车辆的正常行驶，在该状态中基于卡尔曼滤波的地图拟合算法，对车辆的定位点分别进行垂直和平行道路上的误差进行估计，以获得最佳拟合结果。处理包括异常和停车两个部分，对异常的处理结果是先采用插值法，对异常点进行估计，之后需要对路径进行重新搜索，直至搜索到正确拟合路径；对停车状态的处理就是根据定位结果保持原拟合位置不移动。

由于基于卡尔曼滤波的地图拟合算法在计算过程中过程比较冗杂，耗时比较长，鉴于此，现将原算法进行改进：将GNSS的定位误差由二阶马尔可夫过程等效为一阶马尔可夫过程，这样的计算量就会大大降低，定位误差也可以取得比较好的结果，大大提高了定位的实时性。

5 结论

本设计采用的是HRC多径抑制法和综合地图拟合算法来实现的，通过分别分析多径抑制技术和地图拟合算法技术，根据其优缺点和可实现性，把HRC抑制技术和综合地图拟合技术结合起来，可以大幅度地减小定位误差。

参考文献：

[1] 魏红. 基于GPS的地圖匹配算法研究[D].上海交通大学，2014.

[2] 李聪. 地图匹配算法设计与实现[D].北京交通大学，2011.

[3] 吴鹏. 卫星导航系统GEO卫星多径机理与多径抑制方法研究[D].西北工业大学，2017.

[4] 徐成涛. 基于统计模型的多径误差评估和现代导航信号多径抑制技术研究[D].国防科学技术大学，2016.

【通联编辑：光文玲】