一种基于仿真的电波多径信息的提取方法与流程

本发明属于多径分析以及电磁仿真领域，涉及电场仿真的处理方法，具体是一种基于仿真的电波多径信息的提取方法。

背景技术：

全球卫星导航系统(GNSS)经过半个世纪的飞速发展，已成为测量与导航中不可替代的信息源，其应用范围已拓展到了人类生产生活的各个角落。GNSS的应用对卫星导航系统的性能提出了各种要求，其中对精度的进一步需求，要求我们更深入地去探讨卫星导航系统的各种误差源所带来的影响。

卫星测距中的大部分共同误差如轨道误差、卫星钟误差、电离层和对流层延迟等可基本消除或通过模型改正，而噪声和干扰可以利用扩频技术减小，所以，多径成为位置和速度测量中最主要的误差源。

由于多径的影响取决于接收机实时所处的环境，多径误差是无法利用差分有效消除的。如图1所示，由于天线周围存在着散射体，这些散射体会反射天线发出的电波，形成电波多径。但这些产生多径的散射体往往形状较为复杂，难以通过解析法进行电磁计算，因此也难以找到多径的真正源头。因此基于仿真的方法对于多径信息的提取十分重要；而目前商业软件还鲜有针对多径的仿真技术。

技术实现要素：

本发明为了弥补多径仿真技术领域的空白，提出了一种基于仿真的电波多径信息的提取方法，具体步骤如下：

步骤一、在某个电磁环境的两个相邻频点f₁与f₂，根据产生多径的散射体源，仿真当去除散射体后的电场信息；

在两个相邻频点f₁与f₂内，f₁<f₂，去除散射体后的电场信息包括电场幅度与电场相位。

f₁频点去除散射体后的电场幅度为：

其中，表示在f₁频点下去除散射体后的电场幅度大小与方向，θ₀₀表示电场在f₁频点下去除散射体后的相位，表示在f₁频点下电波的时谐因子。

f₂频点去除散射体后的电场幅度为：

其中，表示在f₂频点下去除散射体后的电场幅度大小与方向，θ₀₁表示电场在f₂频点下去除散射体后的相位，表示在f₂频点下电波的时谐因子。

步骤二、仿真该两个相邻频点f₁与f₂中，当存在散射体时的电场信息；

在两个相邻频点f₁与f₂内，存在散射体时的电场信息包括电场的幅度与电场的相位。

f₁频点存在散射体时的电场幅度为：

其中，表示在f₁频点下存在散射体时的电场幅度大小与方向，θ₀表示电场在f₁频点下存在散射体时的相位；

f₂频点存在散射体时的电场幅度计算如下：

其中，表示在f₂频点下存在散射体时的电场幅度大小与方向，θ₁表示电场在f₂频点下存在散射体时的相位。

步骤三、根据存在散射体以及不存在散射体时的电场仿真信息，通过计算矢量差，获得两个相邻频点f₁与f₂的多径信号的幅度与相位。

f₁频点下两个电场幅度的矢量差为：

表示电场在f₁频点下多径信号的幅度大小和方向；θ₁₀表示电场在f₁频点下多径信号的相位；

f₂频点下两个电场幅度的矢量差为：

表示电场在f₂频点下多径信号的幅度大小和方向；θ₁₁表示电场在f₂频点下多径信号的相位；

步骤四、将两个频点f₁与f₂的多径信号的幅度大小和方向，以及相位作为输入，利用多频拟合的方法获得多径相对于主径的时间延迟。

具体计算如下：

步骤401、通过f₁频点与f₂频点下两个多径信号的相位θ₁₀和θ₁₁，计算多径相对于主径在两个频点下的相位延迟差Δθ₁与Δθ₂；

将多径的相位与主径信号的相位分别做差，得到f₁频点的相位延迟差Δθ₁与f₂频点的相位延迟差Δθ₂，如下：

Δθ₁＝θ₀₀-θ₁₀

Δθ₂＝θ₀₁-θ₁₁

步骤402、利用两个频点下的相位延迟差Δθ₁与Δθ₂，以及两个频点下对应的波长λ₁与λ₂，分别计算相位差的整周期数n₁和n₂；

根据Δθ₂λ₂-Δθ₁λ₁与0的关系，分别计算f₁频点下相位差的整周期数n₁，以及f₂频点下相位差的整周期数n₂；

具体为：

当Δθ₂λ₂-Δθ₁λ₁≥0时，

λ₁为f₁频点对应的波长，λ₂为f₂频点对应的波长；

当Δθ₂λ₂-Δθ₁λ₁＜0时，此时：

Δθ′₂＝Δθ₂+2π；

步骤403、利用相位差的整周期数n₁以及多径信号的相位信息计算多径距离d；

2πd＝2πn₁λ₁+Δθ₁λ₁；

步骤404、利用多径距离d除以光速获得多径相对于主径的时间延迟。

步骤五将获取的多径信号的幅度与相位，以及多径相对于主径的时间延迟，提取并计算由于多径造成的导航误差。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)一种基于仿真的电波多径信息的提取方法，通过数值方法计算多径信号，可以直接计算形状复杂的散射体产生的多径。

(2)一种基于仿真的电波多径信息的提取方法，可以在系统设计之初，指导电子系统的设计，从而在设计之初定量多径对系统的影响，从而指导电子系统设计的进行。

附图说明

图1是本发明实际环境中多径的形成示意图；

图2是本发明基于仿真的电波多径信息的提取方法的示意图；

图3是本发明基于仿真的电波多径信息的提取方法的流程图；

图4是本发明计算电场矢量差的原理图；

图5是本发明利用多频拟合的方法获得多径相对于主径的时间延迟方法流程图；

图6是本发明中采用的电偶极子经金属球反射所产生的多径信息实例示意图。

具体实施例

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

本发明一种基于仿真的电波多径信息的提取方法，如图2所示，首先仿真计算不存在电波散射体时的电场信息和全部散射体存在时的电场信息，然后利用电场的矢量运算以及远场多频拟合的方法，获得电波多径的幅度，相位以及多径相对于主径的时间延迟。

具体步骤如图3所示，包含以下：

步骤一、在某个电磁环境的两个相邻频点f₁与f₂，根据产生多径的散射体源，仿真当去除散射体后的电场信息；

根据本发明的原理，需先要获得不存在散射体时的电场信息；因此需要先确定电磁环境中，产生多径的散射体源，去除散射体后仿真得到电场信息，需要获得在十分相近的两个频点内的电场信息的幅度与相位。

在两个相邻频点f₁与f₂内，f₁<f₂，去除散射体后的电场信息包括电场幅度与电场相位。

f₁频点去除散射体后的电场幅度为：

其中，表示在f₁频点下去除散射体后的电场幅度大小与方向，θ₀₀表示电场在f₁频点下去除散射体后的相位，表示在f₁频点下电波的时谐因子。

f₂频点去除散射体后的电场幅度为：

其中表示在f₂频点下去除散射体后的电场幅度大小与方向，θ₀₁表示电场在f₂频点下去除散射体后的相位，表示在f₂频点下电波的时谐因子。

步骤二、仿真该两个相邻频点f₁与f₂中，当存在散射体时的电场信息；

仿真全部系统的电场信息，从而获得当散射体存在时的电场信息，也需要得到与步骤一相同的两个频点内的电场幅度与相位。

在两个相邻频点f₁与f₂内，存在散射体时的电场信息包括电场的幅度与电场的相位。

f₁频点存在散射体时的电场幅度为：

其中表示在f₁频点下存在散射体时的电场幅度大小与方向，θ₀表示电场在f₁频点下存在散射体时的相位；

f₂频点存在散射体时的电场幅度计算如下：

其中表示在f₂频点下存在散射体时的电场幅度大小与方向，θ₁表示电场在f₂频点下存在散射体时的相位。

步骤三、根据存在散射体以及不存在散射体时的电场仿真信息，通过计算电场的矢量差，获得两个相邻频点f₁与f₂的多径信号的幅度与相位。

如图4所示，计算f₁频点下两个电场幅度的矢量差为：

表示电场在f₁频点下多径信号的幅度大小和方向；θ₁₀表示电场在f₁频点下多径信号的相位；

f₂频点下两个电场幅度的矢量差为：

表示电场在f₂频点下多径信号的幅度大小和方向；θ₁₁表示电场在f₂频点下多径信号的相位；

步骤四、将两个频点f₁与f₂的多径信号的幅度大小和方向，以及相位作为输入，利用多频拟合的方法获得多径相对于主径的时间延迟。

往往在实际分析中还需要获得多径相对于主径的时间延迟，时间延迟主要通过相位进行推得，但是相位信息往往不能准确的描述相对时间延迟，因为相位信息存在周期模糊的问题。本发明将两个频点的多径幅度与相位作为输入，经过多频拟合处理之后便可以获得多径相对于主径的准确的相对时间延迟。

如图5所示，具体计算如下：

步骤401、通过f₁频点与f₂频点的两个多径信号的相位θ₁₀和θ₁₁，计算多径相对于主径在两个频点下的相位延迟差Δθ₁与Δθ₂

通过分析两个相邻频点f₁与f₂(f₁<f₂)的多径信息，可以获得两个不同的多径信号相位θ₁₀和θ₁₁，在两个频点分别将多径信号的相位与主径信号的相位做差，得到f₁频点的相位延迟差Δθ₁与f₂频点的相位延迟差Δθ₂，如下：

Δθ₁＝θ₀₀-θ₁₀

Δθ₂＝θ₀₁-θ₁₁

步骤402、利用两个频点下的相位延迟差Δθ₁与Δθ₂，以及两个频点下对应的波长λ₁与λ₂，分别计算相位差的整周期数n₁和n₂；

由于两个相邻频点f₁与f₂选择足够相近，因此f₁频点对应的波长λ₁与f₂频点对应的波长λ₂足够接近，想要使得等式成立，则n₁、n₂也必须足够相近，但n₁、n₂是周期数，因此必为整数，所以在此n₁、n₂相等。

n₁为f₁频点下相位差的周期数，n₂为f₂频点下相位差的周期数；计算如下：

当Δθ₂λ₂-Δθ₁λ₁≥0时，

得到周期数n₁、n₂后再还原出准确的相位，得到相对时间延迟，在这里要注意，恢复出的相对时间延迟，需要考虑电壁对电波的反相作用。

当然，也会存在n₁、n₂不相等的情况。根据前文的假设f2>f1，当出现周跳时，往往是频率较高的一方先发生周跳，从而使得n₁、n₂不相等，在这时n₁＞n₂，因此需要在算法中加入判据，当n₁＞n₂时，有Δθ′₂＝Δθ₂+2π，从而使得两个频点的周跳数满足相等的关系。

也就是当Δθ₂λ₂-Δθ₁λ₁＜0时，此时：

步骤403、利用相位差的整周期数n₁以及多径信号的相位信息计算多径距离d；

当天线的两个工作频点足够接近时，天线的远场方向图基本不会改变，并且在频点相差不大时，天线发出的信号到达散射体的距离d往往大小是相同的，这是本发明的基本原理；

所以利用f₁频点下相位差的周期数n₁以及多径信号的相位信息计算多径距离d，如下：

2πd＝2πn₁λ₁+Δθ₁λ₁；

利用f₂频点下相位差的周期数n₂以及多径信号的相位信息计算多径距离d，如下：

2πd＝2πn₂λ₂+Δθ₂λ₂；

步骤404、利用多径距离d除以光速获得多径相对于主径的时间延迟。

步骤五将步骤三获得的多径信号的幅度与相位，以及步骤四得到的多径相对于主径的时间延迟，计算由于多径造成的导航误差。

实施例：

如图6所示，计算一个位于z轴上方300mm处的电偶极子，经一个与其距离为1000mm的金属球反射所产生的多径信息，观测点为z轴正向，坐标系为右手系。多径相对于主径的多径距离理论值为两者之间距离的二倍，即2000mm。

首先，通过仿真后得知主径电场在1.2GHz与1.201GHz的电场分别为

接着，通过仿真后得知合成电场在1.2GHz与1.201GHz的电场分别为：

则通过矢量减法后可以获得：

再计算多径相位的周期数，注意此时应考虑由于理想电壁而导致的相位差180°，因此

Δθ₁＝θ₀₀-θ₁₀＝-360.77°

Δθ₂＝θ₀₁-θ₁₁＝-358.42°

由于周期数必为整数，因此：n₁＝n₂＝9

多径相对于主径的多径距离因此为：

多径距离除以光速，即为多径相对于主径的时间延迟；故多径相对于主径的时间延迟Δτ为：c为光速。

由以上分析可以看出，本发明可用于伪距的误差仿真分析，利用本方法可以在电子导航系统在设计之初，指导多径的定量仿真分析，从而指导电子系统的散射体布局，指导设计。