【转载】定位系统中的多径效应

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1. 定义

扩频测距系统中，来自信号源的信号在其发射和传播过程中由于受到环境因素的影响而导致接收信号中带入周围环境造成的反射或者绕射信号，这种信号畸变使接收信号的极化方式、相位、多普特频移发生变化，从而产生定位偏差甚至信号失锁，构成多径效应。

接收情况：
（1）只有直射信号，没有反射信号（纯视距，一般天基通信是这种情况）
（2）只有反射信号，没有直射信号（NLOS, 地面通信）
（3）既有直射信号，又有反射信号(LOS，地面通信，如室内，城市)

2. 特性

多径效应属于偶然误差范畴，具有较强的地域性和时变性。

当接收机天线位于不同位置时，由于产生多径的场景是不同的，因此接收到的多径一般是不同的。这就是多径效应的地域性。这就决定了多径效应无法采用差分技术消除。

由于信号源与接收天线的相对位置时刻在变化，信号的入射角度也相应发生变化，因而多径效应也是时变的。扩频测距系统一般采用卫星做信号源，若接收机位置是固定的，卫星空间结构相对于观测点是依卫星的运行周期而重复的，因此产生多路径的场景也是重复的。这直接导致多路径效应具有重复性。但是尽管如此，从信号分析的角度来说，多径信号并不能归结为一个确定的周期性信号，也不可能用某一模型来准确预测，因此它应该属于随机信号。

横波：电磁波
纵波：地震波中的P波、声波（在气体和液体传播时是纵波，在固体中传播时可能混有横波）
极化方式：线极化、椭圆极化、圆极化

3. 多径信号的分类及模型

按照产生原理来分类，多径信号可分为镜面反射多径和漫反射多径。

以 GPS 信号为例，研究表明，接收天线附近的斜面、地面、和垂直面以及粗糙度小于 2°的平面，都会使 GPS 信号产生镜面反射。

漫反射信号是很多延迟的接收信号之和，可模型化为多个独立的随机反射，在两个极化方向上近似为高斯型分布，合成振幅为瑞利分布。研究表明：漫反射的多路径信号往往表现为一个附加的低频噪声通道，对码跟踪的影响很小。

4. 多径抑制或消除方法

多径时延在1chip时间以内，会对码跟踪和测距噪声影响较大。称0.1chip以上多径延时的信号为长延迟多径信号，称0.1chip以下的多径延时的信号为短延迟多径信号。

4.0 信号体制改善

如：在载波频率选择上、码体制、码速率、调制方式

4.1 空域方法

空域技术是指利用天线技术对多径信号进行抑制与消除。
（1）极化方式
（2）低仰角低增益
（3）分集接收

首先接收机天线本身就具有衰减多径的效果。因为入射到天线上的直达信号是右旋圆极化波，而入射角小于 Brewster 角的单次镜面反射波是左旋圆极化波，因此提高轴比性能可以抑制单次反射引起的多径。其次，可以通过设计天线方向图的方法，使接收天线在多径信号到达的方向（通常是靠近地平线或更低的方向）增益较小，从来源上尽量地减少多径信号的数目。这类方法中目前较成熟的有扼流圈天线、光子晶体天线等。这两类天线都是通过设计特殊的结构，作为天线接地板使用，使天线接地板呈现高阻表面特性，以抑制表面波，降低天线低仰角和后向增益。

对于静态接收机，在天线选址和架设上采取有效措施也可抑制多径。比如：天线架设在高处，附近不应存在高层建筑、大面积水泊、植被等易产生多径的环境，地面铺设吸波材料等等。

对于采用单天线结构的接收机，一般采用扼流圈、微带天线、风火轮天线、安装抑径板等技术。这些方法可以消除来自天线平面以下的多径信号，但是对于来自接收机上方的多径信号则无能为力。

采用多个天线组成天线阵列，这种方法的理论较为成熟，其本质是利用空间分散排列的传感器阵列及多通道接收来获取信号源的时域和空域等多维信息，达到检测信号和提取其参数的目的。其实，现形式有自适应天线技术、天线阵波束形成的卫星信号增强接收技术、调零天线技术、矢量天线技术等。这些方法不仅可以抑制多径信号的影响，而且可以抑制窄带或宽带干扰，实现信号的来波方向识别与信号的极化分集接收。

4. 2 时域方法

A. 基于相关器技术

通常将具有小于0.1chips 的相关间隔的码跟踪环路技术称为窄相关技术。

Vision 相关器，该技术由 CSC 的 Dr. Ben Fisher 和 Dr. LarryWeill 授权，该技术达到的精确程度已经非常接近于理论值，即所谓的克拉美罗界（Cramer Rao Boundary，CRB）。这项技术在 Nov Atel 公司的商品化过程中得到了进一步的提高和优化，Nov Atel 公司持有所有与之相关的专利和产品的商业许可。
Vision 相关器对伪随机序列码同步信号采用了新的测量和处理方法，它与接收机所采用的各种相关器有着显著的不同。可精确测量在“相变”时域内接收到的卫星信号射频特征值，它能检测和消除接近中心的多径信号。 Vision 相关器使用了一种非常特别的硬件处理方法，精确测量码片过渡时刻的射频（RF）信号性能，即伪码的 0 与 1 过度时刻的波形陡峭性变化特点，对过渡时刻（即一个固定的时间间隔内）的连续码片波形进行滤波处理，滤除噪声，提取清晰的码片过渡图形。并对码片过渡波形的离散合成测量向量值进行分离，从而检测和消除多径延迟信号。

B. 基于信号估计的多径误差抑制方法
基于信号估计的多径误差抑制方法是对多径干扰进行系统误差建模，再进行估计，进而将多径误差的干扰降至最低。

MEDLL技术NovAtel公司1995年提出的，该技术能够检测并消除多径，不仅能够提高高精度的测量数据，也能用于导航信号质量的监测，给出相关曲线的包络。MEDLL是建立在统计理论上的多径检测和抑制技术，采用多个相关器得到相关曲线的采样值，然后根据最大似然准则及逆行能够估计。该技术需要处理的信息较多、运算量大、实时性较差。

主要实现形式有ML方法、卡尔曼滤波、非线性滤波、RAKE接收机等。

这些估计方法估计精度高、适应性强，但是需要更多相关器，实现复杂，实时性较差。

从对多径抑制的效果来看，Strobe技术和PAC技术与MEDLL技术性能接近，但是MEDLL技术能够提供更多的测量信息，可以给出整个相关峰的包络。窄相关技术、Strobe技术、PAC技术和MEDLL技术也不能完全消除多径的影响，对于短延迟的多径信号（小于0.1码片）均没有改善作用。

C. 基于导航解算的方法
基于导航解算的方法包括加权、码伪距平滑、多频率测量、多径衰落信道模型、传感器融合处理等。这些方法由于是在观测量的后端处理过程使用，不需要增加相关器的个数。但是只能起到对误差的补偿作用，对于多径效应的消除效果有限，可以作为辅助的多径效应消除手段而使用。

RAIM 方法这类方法是对来自不同卫星的码测量的结果进行比较，然后摒弃那些偏差太大的卫星信号。显然这种方法在只有一两颗卫星信号中存在多径干扰且这种干扰很明显时，可以很好地发挥作用。