GNSS抑制多径技术研究进展

李岩，董玮，徐鹏程，渠谨黛，郭宏伟，谷淼

（中国第一汽车集团有限公司，吉林 长春 130011）

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）已广泛应用于工业生产和日常生活中，相对于其他导航系统，其拥有全天候、高精度、连续、实时等优点。随着车辆智能网联技术的快速发展，GNSS成为人们高效出行不可或缺的工具。

导航卫星运行的轨道主要分布在中轨道和高轨道，卫星距离地面的距离至少2万千米，卫星信号发射功率会受到电池功率和寿命的影响，卫星导航信号传输到地面时非常微弱，极易受到电磁射频的干扰。其中，多径干扰是一种在日常生活中普遍存在的干扰，由于其普遍性和特殊性，抑制多径干扰的难度比较大。在水泥地面、水面等表面平整且开阔的反射物，多径信号多以镜面反射为主；在城市、峡谷、森林等环境中，多径信号多以散射信号为主；在存在多径干扰的环境中，GNSS接收模块会同时收到卫星直达的传输信号和多径反射信号，接收模块环路的鉴相特性会随之变化，导致GNSS接收模块产生定位误差，影响定位精度。多径信号会随着外部环境的变化而变化，很难通过软件建模方式或者差分处理方式进行完全抑制。因此研究GNSS多径抑制技术对于提升卫星导航高精定位性能具有重大意义。

首先本文介绍了GNSS多径信号产生原因及其特点，然后对导航信号体制设计、天线端抑制多径技术及接收端处理抑制多径技术等3种主要多径抑制的方法进行研究，最后结合当前实际对未来发展趋势进行展望，为更深入开展GNSS多径研究提供一定的参考。

1 多径信号产生及特点

多径信号是指GNSS卫星无线电信号经物体反射或散射后经接收天线传输到接收模块的卫星信号。多径效应是指卫星无线电信号从定位卫星途径大气层、山峦、建筑等会对电波造成反射的路径到达接收机天线的传播现象。

卫星信号经过反射或散射到达接收模块天线，各路信号虽然发射时刻相同，但由于传输路径不同，故到达接收机的时间会有所差异，故相对于卫星直达信号，多径信号一般会有延迟。根据多径信号不同生成原理可将多径信号划分为镜面反射多径和漫反射多径。镜面反射多径是指将物体反射表面可看做镜面，到达物体表面的信号将分量反射出去；慢反射多径是指物体表面凸凹不平看做粗糙面，卫星信号经过粗糙表面后，散射到不同方向，在实际生活中，卫星信号经植物、墙壁和衣物等物品的反射均可归为漫反射。多径信号具有以下特点。

1）多径信号的幅度小于直达信号，即相对幅度的范围在0~1之间。多径信号产生原理是天空的卫星信号传输到物体上，经过物体反射或散射后产生，在这个过程中卫星信号功率会衰减，因此卫星直达信号的功率及幅度大于多径信号。

2）多径信号存在一定的延迟。多径信号相对于直达信号，其在传输路径上花费的时间较长。

2 抑制多径技术回顾

抑制多径技术研究方向分为3个方面：①在卫星设计阶段进行多径抑制技术研究；②在接收天线端研究抑制多径技术；③在卫星信号接收端研究抑制多径技术。卫星设计阶段多径技术研究主要采用改变卫星信号特性的方式来降低多径误差，如改变信号调制方式、载波频率、扩频码等。接收天线端抑制多径技术研究主要采用改变天线结构、增强天线性能等方式。卫星信号接收端抑制多径技术研究主要采用更改接收机内部电路环路、提高多径抑制算法等方面进行研究。

2.1 卫星信号端多径抑制技术

卫星信号的特性会影响多径误差，传统卫星导航信号如GPS信号采用BPSK调制，随着卫星技术发展，新的GNSS调试方式变化为BOC、MBOC、AltBOC等。相对于传统信号调制方式，新的调试方式针对多径抑制算法更加完善和成熟。

毛虎等通过分析L1/E1/B1等频段卫星信号的测距码和载波信号对多径的影响，通过提高BOC调制信号及其衍生的副载波信号的频率、相位及测距码速率，可有效降低多径造成的跟踪误差。符强等根据卫星信号BOC调制的特性，通过对重构子互相关函数的无模糊度跟踪方法的研究，有效提高了卫星信号的抗多径性能。Dempster等人通过改进gated-BOC-PRN方法，对卫星BOC信号的码片边缘进行闸波信号处理，从而有效地提高卫星信号的多径抑制能力。

2.2 接收天线端抑制多径技术

接收天线端抑制多径技术主要是通过优化天线自身特性、改变天线阵列结构和增加天线数量等3种方法进行研究，这类技术优点在于天线成本低，易于实现，缺点在于对来自天线上方的多径信号无法有效抑制，故具有一定的局限性。

王雅芳等设计了一种微带天线，此天线携带扼流圈，辐射片上加载的矩形方块用于调谐天线谐振频率，通过这种设计在减小天线辐射的有效口径的同时也缩小了天线尺寸，减小了天线定方向的增益，从而有效抑制了多径现象。尚晓辉等通过研究天线阵列的拓扑结构、阵列天线互藕效应及通道失配等因素对天线抗干扰的影响，对接收模块的天线阵列进行优化设计，提出7阵元抗干扰阵列天线，此天线可有效抑制多径干扰影响。进一步通过优化天线方向图，减少对地面发射信号的接收，从而降低了多径现象。冯起等提出了一种天线的自适应算法，该算法将数字与模拟相结合从而实现功率倒置，通过这种方法可以减少系统的复杂程度，改天线系统可有效提高接收机抗干扰能力。邓志鑫等对SMI算法进行改进，并提出一种线性化迭代的权值更新算法，该算法可减低迭代次数从而大大降低了计算的复杂度，从而为抗干扰导航终端提供参考。李奋翔等提出了基于稀疏阵列的虚拟域子空间联合抗干扰算法，通过该算法构建虚拟的均匀天线，实现对干扰源的精确估计，将此算法结合自适应波束形成技术可对干扰进行有效抑制。MARAIS等增加接收天线的数量，通过空间分集来检测、估计和削弱多径信号的影响。齐运驰等提出了一种基于差分进化算法的伪距定位方法，通过增加天线数量有效提高了定位性能，从而减低定位误差，减少多径信号的影响。

2.3 卫星信号接收端抑制多径技术

卫星信号接收端抑制多径技术主要从数据后处理技术和数字信号处理技术等两方面入手，数字后处理技术是依据多径的频率和周期等特性通过算法对数据进行处理，降低多径影响，其优点是不用改变接收机的内部结构，缺点为没有从根本上解决多径信号的影响且应用条件有限，稳定性差。数字信号处理技术主要是通过改变接收机内部结构的方式来减低多径信号的影响，对其研究主要分为两个方向，即非参量式和参量式。非参量式是通过改变GNSS接收机的环路结构和鉴别器来降低多径信号影响。参量式是通过改变相关器个数和观测量大小，对多径信号进行统计和评估，进而降低多径信号的影响。

贾琼琼等基于RELAX算法提出了一种低复杂度多径干扰抑制算法，通过该算法可有效筛选出卫星直达接收模块的信号和卫星经过多径反射到接收模块的信号，运用线性约束最小方差准则，增益卫星直达信号的强度，试验证明该算法可有效抑制多径干扰。葛宝爽等提出了一种GNSS多径误差抑制方案，此方案包括自适应卡尔曼滤波器和卫星多径信号误差卡方检测器等两部分，卡方检验器通过判断测量的信息零均值特性是否丧失从而估算出多径误差，自适应卡尔曼滤波器根据惯导系统的冗余评估当前测量噪声的协方差矩阵，通过调节测权重增加滤波性能，通过实验该方案可有效抑制多径误差。

张之探等利用窄相关技术，通过设定门限后，跟踪环路阶段不同导致相干积分时间变化的策略，提出自适应载波环路跟踪方法，进而提高了卫星定位接收模块关于弱信号的跟踪能力，有效抑制了多径现象。高科等利用卫星信号的多门延迟特性和卫星坐标的曲线拟合技术，重构了伪码的自相关函数，精确解析出了卫星直达信号位置，进一步通过卫星信号直达信号位置和接收模块码跟踪环路的卫星信号识别结果进行对比，利用两者的定位偏差提高接收机的抗多径抑制能力。高源等提出一种可变间距采样的多径估计方法，通过对变化的间距进行采样，使其采样位置靠近GNSS卫星直达信号和多径信号的峰值，进一步提升了多径测算准确度，在相关器的个数相同情况下，采用此方法可有效抑制多径现象。

魏国庆等在Teager-Kaiser算法和多径估计延迟锁定环算法的基础上，提出一种GPS多径抑制的改进算法，即将TK算子和MELL结合起来，从整体上估计多径信号和直达信号，从而在接收模块中识别并分离出多径信号，从而提高卫星接收端的抗多径的性能。陈强等提出粒子波作为一种基于蒙特卡洛方法的贝叶斯计算法，相对于传统窄相关方法，此种算法在鲁棒性较好且运算量较小的同时可有效抑制多径问题。

3 结束语

总体看来，国内外研究者近年来对GNSS多径抑制技术进行了各个方面和维度的研究，取得了丰硕的结果。随着全球导航系统的完善和成型，导航高精定位的研究受到了科研人员的重视，在导航精度的研究中导航信号多径抑制技术是绕不开的课题。

截止目前，GNSS多径抑制技术主要通过卫星信号端、接收天线端和卫星信号接收端等3个方面进行多径技术抑制研究。随着导航系统的发展，导航信号调制方式研究重点逐渐从BPSK调制多径抑制技术转变为BOC、MBOC及AltBOC调制多径抑制技术研究，无论是BPSK调试还是BOC、MBOC及AltBOC调试都无法通过改变卫星信号特性来解决多径抑制问题。天线抑制多径技术的发展趋势朝着天线微型化、多阵列的方向发展。接收端抑制多径技术主要趋势是通过对多径估算的算法研究来减低多径影响，其中最具有代表的算法是多径估计延迟锁定环路算法（MEDLL），MEDLL算法可以估算出接收信号中的直射分量和多径分量的码相位和载波相位，但是其需要较高的信号采样率和更多的相关器，这就造成系统复杂度高且计算消耗大，故后期的研究方向为减低算法复杂度，提高算法适应性。随着对高精定位要求越来越高，开展多径抑制技术的研究将成为一个重要方面。