基于窄相关及抗差自适应滤波的室内伪卫星抗多径方法与流程

本发明涉及基于窄相关及抗差自适应滤波的室内伪卫星抗多径方法，属于卫星导航定位技术领域。

背景技术：

近些年，伪卫星技术已在国内外得到了广泛的研究，与gnss卫星相似，伪卫星利用信号的时间参数进行定位，随着伪卫星应用前景被人们熟知，将有更多的学者开展伪卫星的深入研究。近二十几年来，人们将伪卫星用于许多领域，如大坝和桥梁的变形检测，高速列车追踪，火星探测以及地下隧道中的定位等，最近有学者提出将伪卫星用于室内定位，实现高精度的室内定位目标，该技术具有无限的潜力。

在伪卫星应用中会出现许多新的问题，诸如多径效应、远近效应和时间同步等。其中，多径效应是由于卫星信号的多路径传播所引起的，即接收机天线在接收过程中收到的不止是直接波信号，还有周围各种介质的一次或多次的反射波信号。这些信号和直接传播过来的信号产生干涉，使得观测值偏离真实值，从而引起的干涉时延效应称作为多径效应。与gnss信号一样，gnss伪卫星信号在传播过程中也会不可避免地出现多路径效应，而且更难消除。

对gnss卫星而言，传输的多径分量一般较小。由于来自于gnss参考站和接收机到某一特定卫星的单位矢量基本上相同，可采用差分技术将多径效应直接消除。由于伪卫星的位置布设、信号强度、工作环境等均与gnss不同,它比gnss信号的多路径误差更强、更为复杂,也更难消除,这也是在数据处理时考虑的重要因素。经国内外学者研究和试验，多径效应具有如下特征：

1)gnss多径信号通常是来自低于天线的发射面形成多径干扰信号，而伪卫星信号的多径效应一般是来自高于天线的发射面形成的发射信号，甚至还来自于伪卫星本身。因此，接收机天线对gnss信号而言，可以屏蔽一些多径干扰，但一般不能屏蔽伪卫星信号的多径干扰。

2)与gnss相比，接收机到伪卫星的仰角较小，因此，来自伪卫星的多径效应要比gnss信号严重的多。gnss测量中低仰角(10°或15°)通常被剔除，以用来减少多径效应和比较严重的对流层时延问题，而伪卫星则不能做此技术处理。

3)伪卫星一般固定在已知位置(预先要精确测定)，因此如果接收机也是静止不动的，它的多径效应会形成不易消除的偏差。不像gnss卫星信号那样，多径效应一般可以得到平均而被减少到某一程度。伪卫星信号多径误差一般无法通过平滑减弱。

4)伪卫星一般位于地面，而gnss卫星则位于空间，因此来自于gnss传播信号的多径效应要比来自于伪卫星的要小的多。因为相距遥远的太空意味着任何多径效应在发射信号过程中会产生缓慢变化的偏差，这些多径信号在空间观察点上与高度成一定的相关性。

5)gnss多径误差一般可以作为噪声平滑处理，黄丁发等测量出伪码多径最大约为10m，载波相位多径误差最大为1/4波长，即5cm左右。而伪卫星多径远远大于上述值，最大影响值目前还没比较好的统计，在不经过很好处理情况下，载波相位整周模糊度一般无法固定。

多路径效应造成的误差大小由接收机中的相关器和跟踪锁定环的特性所决定。目前，载波相位多路径成为制约高精度gnss及伪卫星测量或变形监测的重要误差源。多路径效应不仅影响载波观测值，也影响载噪比snr，且该观测量对载波相位多路径较为敏感。

目前解决多路径误差的方法大致可分三类：一类是采用一些能抑制多径的天线技术，如采用扼流圈、抑径板和多天线定位等技术；二是对接收机内部载波跟踪环、延迟锁定环性能的改进以及环路带宽的调整，如窄相关技术、前沿检测技术等；三是伪距、位置域的信号后处理方法，在此类方法中具有代表性的有半参数模型方法、利用小波进行数值分析方法、基于载噪比的谱分析方法。这些方法的解算都较为复杂，且其中关键步骤较难掌握。前两类是从硬件设计的角度，第三种是从数据后处理的角度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，伪卫星多径严重影响接收机的定位精度，通常在周围环境比较复杂时会导致接收机无法跟踪进而失锁，载波相位整周模糊度无法固定，在定位的时候只能利用伪距或浮点解解算，无法发挥伪卫星的优势的问题，提供一种基于窄相关及抗差自适应滤波的室内伪卫星抗多径方法，减弱伪卫星多路径效应对伪卫星观测值的影响，以达到提高定位精度的目标。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于窄相关及抗差自适应滤波的室内伪卫星抗多径方法，包括以下步骤：

伪卫星接收机接收卫星发送的由直达信号和多径信号形成的合成信号，并将合成信号中高频信号降频得到中频合成信号；

将伪卫星接收机得到的中频合成信号分成i和q两路信号，采用本地载波产生的对准信号分别进行跟踪，并进行相关运算得到同相通道的对准相关值；根据同相通道的对准相关值和本地数控振荡器产生的载波，测得中频合成信号的时延估计，并由延时锁定环跟踪测得伪卫星到伪卫星接收机的伪距、载波及载噪比；

根据测得的伪卫星到伪卫星接收机的伪距、载波和载噪比，建立线性化后的伪卫星双差观测方程，并根据载噪比给伪卫星双差观测方程中每个观测值进行定权；

根据观测值定权后的伪卫星的双差观测方程，基于自适应抗差滤波原则组成观测误差方程及状态预测方程；根据观测误差方程中观测值的载噪比调整得到观测等价矩阵，由自适应因子和观测等价权矩阵、状态预测方程，获取得到不同的滤波解并求得和输出伪卫星接收机位置。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中伪卫星接收机得到的中频合成信号，具体为：

其中，s(t)为降频后的中频合成信号；m为多径信号个数；αi为信号幅度衰落系数；a为载波幅度；d(t)为导航数据信息；c(t-τi)为t-τi时刻的伪卫星扩频伪随机码；w0为伪卫星直达信号的中频频率；φi(t)为时刻t下第i个信号的相位；τi为伪卫星非直达信号的时延估计。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中本地载波产生的对准信号，具体为：

其中，pi(t)和pq(t)分别为伪卫星接收机产生的本地互相正交的对准信号，t为时刻；为时刻的伪卫星扩频伪随机码，其中为伪卫星直达信号的时延估计；w0为伪卫星直达信号的中频频率；为伪卫星直达信号的载波相位估计。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中进行相关运算得到的同相通道的对准相关值ip，具体为：

其中，m为多径信号个数；αi为信号幅度衰落系数；r(τ)为电磁波扩频码的自相关函数；为伪卫星直达信号的时延估计；τi为伪卫星非直达信号的时延估计；φi为第i个伪卫星非直达信号的载波相位估计；为伪卫星直达信号的载波相位估计。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中建立线性化后的伪卫星单差和双差组合观测方程，具体为：

其中，εk为伪卫星观测噪声；ak为观测方程系数矩阵；lk为观测向量；和分别为tk和tk-1时刻的状态估计向量；φk,k-1为状态转移矩阵；δk为状态噪声。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

伪卫星定位中最重要的误差是多径延迟的影响，本发明方法从基带信号处理及后期数据融合进行减弱多径误差的研究，基带信号处理采用窄相关差分的技术调整码元宽度及跟踪环路带宽，经过处理后的信号输出到数据解算模块中，采用自适应抗差滤波技术降低多径观测值的权值来削弱多径误差对伪卫星定位精度的影响；本发明基于信号的载噪比snr能反映信号质量，当有多路径效应发生时，此时段上卫星观测值的snr值会相应降低，从而提出了依据snr值的变化来削弱多路径效应的方法。

因此，本发明方法能有效降低多径误差对伪卫星定位精度的影响，使多径误差对伪距定位的影响在米级以下；对载波相位定位的影响在厘米级以下。

附图说明

图1为本发明伪卫星室内定位系统结构示意图。

图2为本发明基于窄相关及抗差自适应滤波的室内伪卫星抗多径方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

本发明设计了一种基于窄相关及抗差自适应滤波的室内伪卫星抗多径方法，该方法运用的系统如图1所示，包括伪卫星信号发射器、无线电接收器等硬件，软件包括软件接收机sdr等。

如图2所示，本发明基于窄相关及抗差自适应滤波的室内伪卫星抗多径方法，具体包括以下步骤：

步骤1、进行窄相关延迟跟踪环路。

步骤11、伪卫星接收机接收卫星发送的由直达信号和多径信号形成的合成信号，并将合成信号中高频信号降频得到中频合成信号s(t)，可以表示为：

其中,i＝0表示伪卫星直达信号，其它为m个多径信号，m为多径信号个数；αi为信号幅度衰落系数；a为载波幅度；d(t)为导航数据信息；c(t-τi)为t-τi时刻的伪卫星扩频伪随机码；w0为伪卫星直达信号的中频频率，本实施例假设直达信号和多路径信号具有相同的频率；φi(t)为时刻t下第i个信号的相位；τi为伪卫星非直达信号的时延估计。

多径信号一般有一定延时，并且幅度相对于直视信号(los)有衰减，当多径延时小于2个码元宽度时，多径信号才与直视信号有一定相关性，否则，多径信号的影响可以忽略。

步骤12、将伪卫星接收机得到的中频合成信号分成i和q两路信号，采用本地载波产生的对准信号分别进行跟踪，并进行相关运算得到同相通道的对准相关值；根据同相通道的对准相关值和本地数控振荡器产生的跟踪载波，测得中频合成信号的时延估计，并由延时锁定环跟踪测得伪卫星到伪卫星接收机的伪距、载波及载噪比；具体如下：

假设本地载波正确跟踪接收信号的频率，则本地产生的对准信号可表示为：

其中，pi(t)和pq(t)分别为伪卫星接收机产生的本地互相正交的对准信号，t为时刻；为时刻的伪卫星扩频伪随机码，其中为伪卫星直达信号的时延估计；w0为伪卫星直达信号的中频频率；为伪卫星直达信号的载波相位估计。

接收的信号与本地信号进行相关运算得同相通道的对准相关值可表示为：

式中:为伪卫星直达信号时延估计，为伪卫星直达信号的载波相位估计，φi为第i个伪卫星非直达信号的载波相位估计；r(τ)为电磁波扩频码的自相关函数，表达式为：

其中,tc为伪卫星电磁波c/a码的码元宽度。

一般的gnss接收机利用对准prompt、超前early和滞后late三个相关器,通过相关技术捕获、跟踪伪随机码,测得伪卫星直达信号时延估计为τ0，然后由延时锁定环跟踪τ0，进而测得伪卫星到伪卫星接收机的伪距。

接收机的载波相位跟踪回路为锁相环pll、延迟跟踪环路dll。i和q分别为同相和反相能量信号，sin、cos信号为载波相位跟踪回路产生的载波复制信号，其考虑多普勒频移的载波，e、l、p分别为本地数控振荡器所产生的早、迟及准时信号，根据发明要求，本地数控振荡器减少e、l、p之间的码元宽度。接收到的电磁波信号，如上述公式(1)，通过pll，与本地产生的载波相乘，得到基带信号，电路稳定后被送入迟早相关器，迟早相关器将解凋后的基带信号在延迟跟踪环路中进行码相关计算，即解调后的信号分别与本地产生的e、l、p相乘，当伪卫星信号与准时码的相关值最大时，得出接收到的信号在空间传播的时间，进而实现伪距、导航电文和载波的解调即输出的观测值。相关输出通过鉴相器进行比较，来控制当前码的延迟时间或码元，使其与下一个输入信号的伪随机码相匹配。对于接收机环路的带宽选择需要考虑一下两个因素：当受到噪声干扰的时候需要环路带宽变窄以便能减少噪声的影响，提高载噪比；当受到载体高动态影响的时候需要使环路变宽以便能减少多普勒频移的影响捕获到信号。本发明根据环路中输出的载噪比大小可以实时调整环路的带宽。迟早相关器以及鉴相器、环路带宽的设计对多径误差的消除及信号的跟踪捕获起到很重要的作用。

步骤2、伪卫星组合观测模型的建立。根据步骤1测得的卫星到伪卫星接收机的伪距、载波和载噪比等数值，建立线性化后的伪卫星双差观测方程，并根据载噪比给伪卫星双差观测方程中每个观测值进行定权；具体如下：

假设第i个历元，两观测站t1，t2同步观测到k颗伪卫星，两测站间的距离小于1km，该历元选取的参考星为r，则线性化后的伪卫星单差和双差组合观测方程分别为式(8)和式(9)所示。

其中为观测到的相位值；为伪卫星接收机到伪卫星的距离；λ为伪卫星载波的波长；ti为伪卫星接收机钟差，t^j伪卫星的钟差；mpi^j为伪卫星载波多径误差；为伪卫星对流层误差；为接收机噪声。

sd为站间单差方程，为1和2测站相位观测单差值；为测站距离单差；为单差模糊度；δt1,2为测站接收机钟差单差；为多径单差；为对流层单差；为单差噪声。

其中，dd为站间双差方程，分别为第m颗伪卫星的双差相位观测值，为测站距离双差；为双差模糊度；为第j颗伪卫星的单差对流层延迟量，为第m颗伪卫星的双差多路径误差；为对流层双差；为双差噪声。(以上方程是以1为参考站，2为流动站，γ为参考卫星)

经过泰勒公式展开，根据伪卫星双差观测方程可以组成误差方程式为：

其中,xr＝[δxr,δyr,δzr]^t为位置向量矩阵，为双差模糊度，l为常量矩阵，为流动站到第i颗卫星的距离，为流动站初值坐标，xⁱ、yⁱ、zⁱ为第i颗卫星的坐标，为观测噪声。

此时,便可以依据最小二乘原理,对双差相位观测值建立误差方程,进而平差求定基线向量。一般地,对于小区域(通常区域半径<10km)短时间(10-30min)静态定位而言,由于伪卫星传播信号相对固定,基线较短，可以认为对流层延迟误差为0，不进行考虑，多路径效应服从期望不为0的正态分布。然而在实际观测时,信号在传播过程中可能会发生偶然性的突变,造成多路径影响不完全服从上述的分布。因此,数据处理过程中,为了分离受到异常值影响的相位观测值,可以认为:在[c,-c]内,双差观测方程残差主体服从正态分布,少部分如含有干扰项的双差观测值在[-∞,-c]和[c,+∞]内(c取两倍先验单位权中误差)服从正态分布和其他分布的合成。

已知ll、l2载波上的观测值权值的确定与它们的均方差成反比，多路径越严重，载噪比观测值就越小，观测值的均方差就越大，可由近似方程式：

表示ll载波上的观测值的均方差，其中，b为接收机锁相环的噪声带宽，c/n0为载噪比强度。上式表明：伪卫星观测值方差的大小由该历元观测值的载噪比值snr和伪卫星接收机中的带宽b决定。由于伪卫星观测值的均方差与成线性关系，所以对于同一个b值卫星观测值各历元间的均方差比即权重保持不变。因此b值的大小并不影响同一颗卫星各历元观测值间的权重关系，可以根据载噪比的大小给一个观测值定权值，载噪比小的观测值赋一个比较小的权值，减弱对定位结果的影响。

步骤3、自适应抗差融合。根据观测值定权后的伪卫星的双差观测方程，基于自适应抗差滤波原则组成观测误差方程及状态预测方程；根据观测误差方程中观测值的载噪比调整得到观测等价矩阵，由自适应因子和观测等价权矩阵、状态预测方程，获取得到不同的滤波解并求得和输出伪卫星接收机位置。具体如下：

以载波和伪距双差作为观测模型，如上述公式(2)。本发明的滤波随机模型采用方差膨胀模型，即把多径误差作为随机模型的一部分，把多径误差的观测值看作是观测值的方差发生变化，但其数学期望不变，为换星方便，以坐标向量和单差模糊度作为待求状态向量，假设观测到7颗伪卫星，以2号星为参考卫星，组成双差观测模型，由公式(10)观可得观测误差方程及状态预测方程：

式中，和分别为tk和tk-1时刻的状态估计向量，

为解调得出的伪距和载波观测双差值；

φk,k-1为单位矩阵；εk为伪卫星观测噪声；lk为观测向量；φk,k-1为状态转移矩阵；δk为状态噪声；

ak为双差系数矩阵，由公式(10)求得，构建的自适应抗差滤波原则为：

式中，为观测向量lk的协方差矩阵，sk为解调出的实测载噪比，αk为自适应因子，xk|k-1为一步预测矩阵，pk|k-1为预测状态向量一步预测协方差矩阵。根据条件最小二乘求极值后得到：

式中，为经过滤波后的伪卫星接收机的位置，根据矩阵反演公式，上式又可以等价写成：

其中为等价增益矩阵，具体为：

其中，

状态向量验后协方差矩阵为：

随着自适应因子αk和观测等价权矩阵的不同，可以得到不同的滤波解，观测等价矩阵可根据观测值的载噪比调整，其原理如图2所示。

通过基带信号及抗差自适应滤波处理后，输出接收机的位置，经过初步验证，数据的可靠性及定位精度有很大程度的提高，室内定位结果可以提高一个数量级。

为了验证本发明方法能够减弱多径数据对定位精度的影响，列举一个验证例进行说明。

验证例1、

本验证例以中电54所伪卫星项目为依托，依靠所内搭建的伪卫星室内定位系统，如图1所示，围绕着室内定位的主要难点多径效应展开研究。根据搭建的伪卫星实验环境，利用软件接收机接收伪卫星信号，通过基带信号处理中调节环路带宽及数据后处理中进行抗差自适应融合，减弱多领效应对定位的影响。本验证例过程分为：

1、在软件接收机基带信号处理中，利用多相关器的窄相关差分技术进行信号跟踪，同时根据鉴相器中的相位差动态调整环路带宽，经实验证明，能有效减弱多路径误差对观测精度的影响。

2、经过基带信号处理的信号解码后发送到后处理环节进行抗差自适应滤波融合，根据观测数据中的载噪比调整观测值的权值，最终由自适应因子和观测等价权矩阵、状态预测方程，获取得到不同的滤波解并求得和输出伪卫星接收机位置，在解算时降低多径误差较大的观测值权值以到达减弱多径数据对定位精度的影响。

综上，本发明方法提出了依据snr值的变化来削弱多路径效应的方法，能有效降低多径误差对伪卫星定位精度的影响，使多径误差对伪距定位的影响在米级以下；对载波相位定位的影响在厘米级以下。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。