GNSS信号多路径抑制算法基础研究

论文总字数：27078字

摘 要

GNSS（全球导航卫星系统）是GPS、GLONASS、GALILEO及北斗等诸多卫星导航系统的合称。而在GNSS高精度定位中，多路径效应是损害其精度的一大误差来源。由于多径具有时变性且易随环境变化，无法建立一个简单通用的多径消除数学模型，故一直是导航定位研究中的热点。

本文以GPS为例，通过MATLAB软件，在一定简化的条件下，对现行的几种基于码环鉴相器的多径抑制方法进行仿真，并比较了其优缺点。本文首先介绍了多径研究现状和GPS的基础知识，分析了多路径干扰的成因和数学模型，然后模拟双径场景，通过分析卫星定位中C/A码的延迟来评估几种多径抑制技术。文中使用到了四种较为常见的多径抑制方法：窄相关器，strobe相关器，ELS技术和TK_EML5技术。作出了其在多径环境下的鉴相曲线和多径误差包络曲线。

通过比较得出结论：窄相关最简单，多径抑制效果明显，但对中等延迟的多径误差大；strobe及ELS效果最佳，尤其对中等延迟多径的抑制效果好；TK_EML5对多径有一定抑制作用，但比其它方法稍差；各方法都可以通过减小相关间隔来提高抑制效果。仿真结果与相应文献中的理论分析一致，对实际使用中抑制多径有一定参考价值。

关键词：多路径，GPS，鉴相函数

Abstract

GNSS(Global Navigation Satellite System) is the combination of GPS, GLONASS, GALILEO, beidou and many other satellite navigation systems. In the high-precision positioning of GNSS, multipath effect is a major factor affecting its accuracy. As the multipath is easy to change over time and the environment, we can not establish a simple and common mathematical model and multipath is always the hotspot in navigation and positioning researches.

In this paper, taking GPS for example, we simulated current several multipath mitigation methods based on the discriminator and compared their advantages and disadvantages through the MATLAB software in a simplified condition. This paper first introduces the basic knowledge of GPS and research status of multipath, and analyzes the causes and mathematical models of multipath, and then simulates the two-path scenario, and evaluates several multipath mitigation methods by analyzing the delay of C/A code in satellite positioning. There are four common multipath mitigation methods: narrow correlator, strobe correlator, ELS and TK_EML5 technique.

We draw the conclusion by comparison that narrow correlator is the simplest and the effect of multipath mitigation is obvious, but has big error if multipath is in medium delay; strobe and ELS are the best, especially for medium delay multipath; TK_EML5 works to multipath matigation, but is slightly worse than other methods; each method can reduce the correlation interval to improve the matigation effect. The simulation results are consistent with the theoretical analysis in the literature, and have some value in the actual multipath mitigation.

KEY WORDS: multipath, GPS, discriminator

目 录

摘 要 3

Abstract 4

第一章 绪论 6

1.1 研究背景及意义 6

1.2 NLOS与多径干扰的区别 7

1.2.1 多径干扰 7

1.2.2 非视线（NLOS, Non-Line-of-Sight）反射 8

1.3 GNSS的多径研究现状 8

1.3.1 天线设计和基于硬件的技术 8

1.3.2 基于接收机的抑制技术 9

1.3.3 后接收机技术 9

1.3.4 小结 10

第二章 GPS原理及多径信号抑制方法 11

2.1 GPS信号 11

2.1.1 伪码 11

2.1.2 导航电文 12

2.2 GPS测距原理 12

2.3 接收机跟踪环路 13

2.4 GPS系统中的多径误差分析 15

2.4.1 多径误差的来源 15

2.4.2 多径误差建模 15

第三章 几种多径抑制方法及其MATLAB仿真 17

3.1 窄相关技术 19

3.2 strobe相关器 19

3.3 ELS技术 22

3.4 TK_EML5技术 25

3.5 小结 26

第四章 总结与展望 28

致 谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着科技发展和社会进步，卫星导航在现代生活中的作用越来越重要。目前世界上主要的卫星导航系统有：使用最广泛的美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）、欧盟的伽利略（GALILEO）和我国新研制的北斗(BEIDOU)，它们共同组成了全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System) ^[1]。GNSS覆盖全球，利用卫星脉冲时差来确定目标的空间位置。还可以提供授时，大地测量等服务。

随着卫星导航系统应用领域的不断升级，用户对导航定位精度的要求也在不断上升，GNSS信号的误差消除显得尤为重要。软件接收机在定位中受到多种误差源的影响，从来源讲可划分为三类^[2]：

1. 卫星本身带来的误差。包括卫星星历给出的卫星位置与速度和实际不匹的星历误差，星载原子钟的误差，由于卫星与接收机运动不同导致它们的时钟产生偏差的相对论效应。
2. 与信号传播有关的误差。包括电离层带电粒子影响电信号传播的电离层误差，对流层大气疏密不同导致信号折射传播路径变长，接收机环境反射导致的多路径效应。
3. 与接收机有关的误差。如测量噪声。

其中建模、差分等方法可以消除上述一部分误差，多路径误差由于具有时变性且易随环境变化，无法用一个简单确切的数学模型准确模拟，故成为GNSS测距的主要误差。

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