CN105068091A - 一种北斗接收机的多路径误差消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗接收机的多路径误差消除方法，包括信号的接收与处理的步骤、构造检测门限的步骤、将伪距残差与伪距残差的检测门限进行比较和伪距率残差与伪距率残差的检测门限进行比较来确定检测多路径误差并消除多路径误差的步骤；优点是利用伪距残差和伪距率残差的正态概率分布特性来消除多路径误差，算法过程简单，同时对存在多路径误差的伪距残差和伪距率残差采用更新的值来代替，这样从误差的源头来进行消除，对多路径误差的消除效果好。

Description

一种北斗接收机的多路径误差消除方法

技术领域

本发明涉及一种多路径误差消除方法，尤其是涉及一种北斗接收机的多路径误差消除方法。

背景技术

北斗海上应急示位标中的北斗接收机除接收北斗卫星的直射中频信号外，还不可避免的会接收海面反射回来经下变频得到的反射中频信号，由于直射中频信号和反射中频信号的路径不同，导致直射中频信号和反射中频信号的传播时延也会不同，直射中频信号受到反射中频信号影响会使直射中频信号发生形变，在直射中频信号通过具有码相位和载波频率鉴相鉴频功能的鉴相器后输出的伪距残差和伪距率残差会存在较大的误差，这种误差通常被称为多路径误差。伪距残差和伪距率残差用于产生北斗接收机的定位数据，其内存在的多路径误差将导致北斗接收机的定位不准，定位精度很差。

目前，消除北斗接收机的多路径误差的方法一般采用信号后处理的方法：即采用基于信噪比、小波滤波或者自适应滤波等算法来减弱伪距残差和伪距率残差中存在的多路径误差。但这些算法相对复杂，对伪距残差和伪距率残差中存在多路径误差的消除效果也不是很理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种算法相对简单，对多路径误差的消除效果好的北斗接收机的多路径误差消除方法。该方法通过设置检测门限来判定各个采样时刻的伪距残差和伪距率残差是够存在多路径误差，然后对存在多路径误差的采样时刻的伪距残差和伪距率残差进行处理，消除多路径误差，算法相对简单，对多路径误差的消除效果好。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种北斗接收机的多路径误差消除方法，包括如下步骤：

S1：信号的接收与处理

S1-1采用惯性导航系统采集海上船只的位置和速度，将海上船只的位置记为p_u，将海上船只的速度记为v_u；

S1-2采集北斗接收机接收的北斗卫星的位置、北斗卫星的速度、北斗接收机的接收时刻、交接字的低19位、导航电文数据码的字、当前字中比特数和C/A码导航电文的周期数，将北斗卫星的位置记为p_s，将北斗卫星的速度记为V_s，将北斗接收机的接收时刻记为T，将交接字的低19位记为TOW，将导航电文数据码的字记为w，将当前字中比特数记为b，将C/A码导航电文的周期数记为C1；

S1-3将C/A码相位偏移信号记为CP，载波频率偏移信号记为f_d，采用公式(1)计算C/A码相位偏移信号，采用公式(2)计算载波频率偏移信号：

$CP=\{1000*\[T-\frac{|P_s-P_u|}{c}-TOW+(30*w+b)*0.02\]-C1\}*1023---\left(1\right)$

$f_d=\frac{|V_s-V_u|}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

其中，c表示光速，其数值为3*10⁸m/s，λ表示北斗卫星信号波长，其数值为19cm；符号“*”表示乘号，符号“∣∣”表示取绝对值；

S1-4将C/A码相位偏移信号输入数字控制振荡器中，获取数字控制振荡器的输出信号，该输出信号为北斗接收机的本地C/A码；将载波频率偏移信号输入数字控制振荡器中，获取数字控制振荡器的输出信号，该输出信号为北斗接收机的本地载波信号；

S1-5采集北斗接收机中的中频信号，将北斗接收机中的中频信号和北斗接收机的本地载波信号进行混频处理得到基带信号，基带信号和北斗接收机的本地C/A码进行相关处理得到同相信号I和正交信号Q，将同相信号I和正交信号Q输入到具有码相位和载波频率鉴相鉴频功能的鉴相器中，鉴相器输出离散数据形式的伪距残差序列和伪距率残差序列，将伪距残差序列记为δρ(1)，δρ(2)…δρ(n)…δρ(N)，将伪距率残差序列记为其中n表示北斗接收机的第n个采样时刻，N表示北斗接收机的截止采样时刻，δρ(n)表示鉴相器在第n个采样时刻输出的伪距残差，表示鉴相器在第n个采样时刻输出的伪距率残差；

S2：构造检测门限

将伪距残差的方差记为σ1，σ1取值范围为大于0且小于等于50m²，将伪距率残差的方差记为σ2，σ2取值范围为大于0且小于等于50(m/s)²，将误警率记为P_FA，其取值范围为大于0且小于等于0.01％，将伪距残差的检测门限记为T1，将伪距率残差的检测门限记为T2；

采用公式(3)计算伪距残差的检测门限T1，采用公式(4)计算伪距率残差的检测门限T2：

$T1=\mathrm{\σ}1*\sqrt{2\mathrm{\π}}/\left({\∫}_{{P_{FA}}^{/2}}^{+\mathrm{\∞}}\exp \right(-\frac{y^2}{2})dy)---\left(3\right)$

$T2=\mathrm{\σ}2*\sqrt{2\mathrm{\π}}/\left({\∫}_{{P_{FA}}^{/2}}^{+\mathrm{\∞}}\exp \right(-\frac{y^2}{2})dy)---\left(4\right)$

其中，y表示积分变量，其数值取为P_FA/2到+∞，+∞表示为正无穷大，exp表示以自然常数e为底的指数函数，符号π表示圆周率，取值为3.14，符号表示开根号，符号*表示乘号，符号/表示除号；

S3：将第1个采样时刻的伪距残差与伪距残差的检测门限T1相比较，第1个采样时刻的伪距率残差与伪距率残差的检测门限T2相比较：如果比较结果满足伪距残差大于伪距残差的检测门限T1和伪距率残差大于伪距率残差的检测门限T2两者中的至少一个，表明北斗接收机刚开始工作就存在多路径误差，表明北斗接收机的天线性能达不到要求或者测试地点所处的地理环境对北斗接收机干扰太大，需更换北斗接收机的天线或者改变测试地点所处的地理环境，方法结束；如果比较结果不满足伪距残差大于伪距残差的检测门限T1和伪距率残差大于伪距率残差的检测门限T2两者中的任意一个，则保留第1个采样时刻的伪距残差和伪距率残差，则进入步骤S4；

S4：将第k个时刻的伪距残差与伪距残差的检测门限T1进行比较，k＝2，3，…，n，…N：如果第k个时刻的伪距残差大于伪距残差的检测门限T1，则表明北斗接收机存在多路径误差，此时采用第k-1个时刻的伪距残差更新第k个时刻的伪距残差，第k-1个时刻的伪距率残差更新第k个时刻的伪距率残差，将更新后的第k个时刻的伪距残差作为第k个时刻的伪距残差，将更新后的第k个时刻的伪距率残差作为第k个时刻的伪距率残差；

如果第k个时刻的伪距残差小于等于伪距残差的检测门限T1，则将第k个时刻的伪距率残差和伪距率残差的检测门限T2进行比较，如果第k个时刻的伪距率残差大于伪距率残差的检测门限T2，则表明北斗接收机存在多路径误差，此时采用第k-1个时刻的伪距残差更新第k个时刻的伪距残差，第k-1个时刻的伪距率残差更新第k个时刻的伪距率残差，将更新后的第k个时刻的伪距残差作为第k个时刻的伪距残差，将更新后的第k个时刻的伪距率残差作为第k个时刻的伪距率残差；

如果第k个时刻的伪距残差小于等于伪距残差的检测门限T1，且第k个时刻的伪距率残差也小于等于伪距率残差的检测门限T2，则表明北斗接收机不存在多路径误差，此时不对第k个时刻的伪距残差和伪距率残差进行处理；

按照本步骤上述方法从北斗接收机的第2个采样时刻开始依次进行处理，得到消除多路径误差后的伪距残差序列和伪距率残差序列。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过将北斗接收机下变频得到的中频信号和北斗接收机的本地载波信号进行混频处理得到基带信号，基带信号和北斗接收机的本地C/A码进行相关处理得到同相信号和正交信号两路信号，把同相信号和正交信号输入到具有码相位和载波频率鉴相鉴频功能的鉴相器中，得到离散数据形式的伪距残差序列和伪距率残差序列，由于各个采样时刻的伪距残差和伪距率残差在没有多路径误差的情况下，服从均值为0的正态分布，而有多路径误差的情况下，服从均值不为0的正态分布，根据正态分布的概率特性，设置伪距残差和伪距率残差的检测门限，当伪距残差和伪距率残差大于检测门限时，表明存在多路径误差，此时用上一采样时刻更新后的伪距残差和伪距率残差的值来代替下一采样时刻的伪距残差和伪距率残差，由此将存在多路径误差的各采样时刻的伪距残差和伪距率残差进行修正，消除多路径误差，本发明的方法利用了伪距残差和伪距率残差的正态概率分布特性来消除多路径误差，算法过程简单，同时对存在多路径误差的伪距残差和伪距率残差采用更新的值来代替，这样从误差的源头来进行消除，对多路径误差的消除效果好。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：一种基于卡尔曼滤波的多路径误差消除方法，具体步骤如下：

S1：信号的接收与处理

S1-1由于惯性导航(INS)不会受到多路径效应的影响，把INS作为北斗接收机环路的一部分，把INS输出的位置和速度信息输入到北斗接收机环路中，利用惯性导航系统采集海上船只的位置和速度，将海上船只的位置记为p_u，将海上船只的速度记为v_u；

S1-2采集北斗接收机接收的北斗卫星的位置、北斗卫星的速度、北斗接收机的接收时刻、交接字的低19位、导航电文数据码的字、当前字中比特数和C/A码导航电文的周期数，将北斗卫星的位置记为p_s，将北斗卫星的速度记为V_s，将北斗接收机的接收时刻记为T，将交接字的低19位记为TOW，将导航电文数据码的字记为w，将当前字中比特数记为b，将C/A码导航电文的周期数记为C1；

S1-3将C/A码相位偏移信号记为CP，载波频率偏移信号记为f_d，采用公式(1)计算C/A码相位偏移信号，采用公式(2)计算载波频率偏移信号：

$CP=\{1000*\[T-\frac{|P_s-P_u|}{c}-TOW+(30*w+b)*0.02\]-C1\}*1023---\left(1\right)$

$f_d=\frac{|V_s-V_u|}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

其中，c表示光速，其数值为3*10⁸m/s，λ表示北斗卫星信号波长，其数值为19cm；符号“*”表示乘号，符号“∣∣”表示取绝对值；

S1-4将C/A码相位偏移信号输入数字控制振荡器中，获取数字控制振荡器的输出信号，该输出信号为北斗接收机的本地C/A码；将载波频率偏移信号输入数字控制振荡器中，获取数字控制振荡器的输出信号，该输出信号为北斗接收机的本地载波信号；

S1-5采集北斗接收机中的中频信号，将北斗接收机中的中频信号和北斗接收机的本地载波信号进行混频处理得到基带信号，基带信号和北斗接收机的本地C/A码进行相关处理得到同相信号I和正交信号Q，将同相信号I和正交信号Q输入到具有码相位和载波频率鉴相鉴频功能的鉴相器中，鉴相器输出离散数据形式的伪距残差序列和伪距率残差序列，将伪距残差序列记为δρ(1)，δρ(2)…δρ(n)…δρ(N)，将伪距率残差序列记为其中n表示北斗接收机的第n个采样时刻，N表示北斗接收机的截止采样时刻，δρ(n)表示鉴相器在第n个采样时刻输出的伪距残差，表示鉴相器在第n个采样时刻输出的伪距率残差；

S2：构造检测门限

将伪距残差的方差记为σ1，σ1取值范围为大于0且小于等于50m²，将伪距率残差的方差记为σ2，σ2取值范围为大于0且小于等于50(m/s)²，将误警率记为P_FA，其取值范围为大于0且小于等于0.01％，将伪距残差的检测门限记为T1，将伪距率残差的检测门限记为T2；

采用公式(3)计算伪距残差的检测门限T1，采用公式(4)计算伪距率残差的检测门限T2：

$T1=\mathrm{\σ}1*\sqrt{2\mathrm{\π}}/\left({\∫}_{{P_{FA}}^{/2}}^{+\mathrm{\∞}}\exp \right(-\frac{y^2}{2})dy)---\left(3\right)$

$T2=\mathrm{\σ}2*\sqrt{2\mathrm{\π}}/\left({\∫}_{{P_{FA}}^{/2}}^{+\mathrm{\∞}}\exp \right(-\frac{y^2}{2})dy)---\left(4\right)$

其中，y表示积分变量，其数值取为P_FA/2到+∞，+∞表示为正无穷大，exp表示以自然常数e为底的指数函数，符号π表示圆周率，取值为3.14，符号表示开根号，符号*表示乘号，符号/表示除号；

S3：将第1个采样时刻的伪距残差与伪距残差的检测门限T1相比较，第1个采样时刻的伪距率残差与伪距率残差的检测门限T2相比较：如果比较结果满足伪距残差大于伪距残差的检测门限T1和伪距率残差大于伪距率残差的检测门限T2两者中的至少一个，表明北斗接收机刚开始工作就存在多路径误差，表明北斗接收机的天线性能达不到要求或者测试地点所处的地理环境对北斗接收机干扰太大，需更换北斗接收机的天线或者改变测试地点所处的地理环境，方法结束；如果比较结果不满足伪距残差大于伪距残差的检测门限T1和伪距率残差大于伪距率残差的检测门限T2两者中的任意一个，则保留第1个采样时刻的伪距残差和伪距率残差，则进入步骤S4；

S4：将第k个时刻的伪距残差与伪距残差的检测门限T1进行比较，k＝2，3，…，n，…N：如果第k个时刻的伪距残差大于伪距残差的检测门限T1，则表明北斗接收机存在多路径误差，此时采用第k-1个时刻的伪距残差更新第k个时刻的伪距残差，第k-1个时刻的伪距率残差更新第k个时刻的伪距率残差，将更新后的第k个时刻的伪距残差作为第k个时刻的伪距残差，将更新后的第k个时刻的伪距率残差作为第k个时刻的伪距率残差；

如果第k个时刻的伪距残差小于等于伪距残差的检测门限T1，则将第k个时刻的伪距率残差和伪距率残差的检测门限T2进行比较，如果第k个时刻的伪距率残差大于伪距率残差的检测门限T2，则表明北斗接收机存在多路径误差，此时采用第k-1个时刻的伪距残差更新第k个时刻的伪距残差，第k-1个时刻的伪距率残差更新第k个时刻的伪距率残差，将更新后的第k个时刻的伪距残差作为第k个时刻的伪距残差，将更新后的第k个时刻的伪距率残差作为第k个时刻的伪距率残差；

如果第k个时刻的伪距残差小于等于伪距残差的检测门限T1，且第k个时刻的伪距率残差也小于等于伪距率残差的检测门限T2，则表明北斗接收机不存在多路径误差，此时不对第k个时刻的伪距残差和伪距率残差进行处理；

按照本步骤上述方法从北斗接收机的第2个采样时刻开始依次进行处理，得到消除多路径误差后的伪距残差序列和伪距率残差序列。

Claims (1)

1.一种北斗接收机的多路径误差消除方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：信号的接收与处理

S1-1采用惯性导航系统采集海上船只的位置和速度，将海上船只的位置记为p_u，将海上船只的速度记为v_u；

S1-2采集北斗接收机接收的北斗卫星的位置、北斗卫星的速度、北斗接收机的接收时刻、交接字的低19位、导航电文数据码的字、当前字中比特数和C/A码导航电文的周期数，将北斗卫星的位置记为p_s，将北斗卫星的速度记为V_s，将北斗接收机的接收时刻记为T，将交接字的低19位记为TOW，将导航电文数据码的字记为w，将当前字中比特数记为b，将C/A码导航电文的周期数记为C1；

S1-3将C/A码相位偏移信号记为CP，载波频率偏移信号记为f_d，采用公式(1)计算C/A码相位偏移信号，采用公式(2)计算载波频率偏移信号：

$CP=\{1000*\[T-\frac{|P_s-P_u|}{c}-TOW+(30*w+b)*0.02\]-C1\}*1023---\left(1\right)$

$f_d=\frac{|V_s-V_u|}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

其中，c表示光速，其数值为3*10⁸m/s，λ表示北斗卫星信号波长，其数值为19cm；符号“*”表示乘号，符号“∣∣”表示取绝对值；

S1-4将C/A码相位偏移信号输入数字控制振荡器中，获取数字控制振荡器的输出信号，该输出信号为北斗接收机的本地C/A码；将载波频率偏移信号输入数字控制振荡器中，获取数字控制振荡器的输出信号，该输出信号为北斗接收机的本地载波信号；

S1-5采集北斗接收机中的中频信号，将北斗接收机中的中频信号和北斗接收机的本地载波信号进行混频处理得到基带信号，基带信号和北斗接收机的本地C/A码进行相关处理得到同相信号I和正交信号Q，将同相信号I和正交信号Q输入到具有码相位和载波频率鉴相鉴频功能的鉴相器中，鉴相器输出离散数据形式的伪距残差序列和伪距率残差序列，将伪距残差序列记为δρ(1)，δρ(2)…δρ(n)…δρ(N)，将伪距率残差序列记为 其中n表示北斗接收机的第n个采样时刻，N表示北斗接收机的截止采样时刻，δρ(n)表示鉴相器在第n个采样时刻输出的伪距残差，表示鉴相器在第n个采样时刻输出的伪距率残差；

S2：构造检测门限

将伪距残差的方差记为σ1，σ1取值范围为大于0且小于等于50m²，将伪距率残差的方差记为σ2，σ2取值范围为大于0且小于等于50(m/s)²，将误警率记为P_FA，其取值范围为大于0且小于等于0.01％，将伪距残差的检测门限记为T1，将伪距率残差的检测门限记为T2；

采用公式(3)计算伪距残差的检测门限T1，采用公式(4)计算伪距率残差的检测门限T2：

$T1=\mathrm{\σ}1*\sqrt{2\mathrm{\π}}/\left({\∫}_{P_{{\mathrm{FA}}^{/2}}}^{+\∞}\exp (-\frac{y^2}{2})\mathrm{dy}\right)---\left(3\right)$

$T2=\mathrm{\σ}2*\sqrt{2\mathrm{\π}}/\left({\∫}_{P_{{\mathrm{FA}}^{/2}}}^{+\∞}\exp (-\frac{y^2}{2})\mathrm{dy}\right)---\left(4\right)$

其中，y表示积分变量，其数值取为P_FA/2到+∞，+∞表示为正无穷大，exp表示以自然常数e为底的指数函数，符号π表示圆周率，取值为3.14，符号表示开根号，符号*表示乘号，符号/表示除号；

S3：将第1个采样时刻的伪距残差与伪距残差的检测门限T1相比较，第1个采样时刻的伪距率残差与伪距率残差的检测门限T2相比较：如果比较结果满足伪距残差大于伪距残差的检测门限T1和伪距率残差大于伪距率残差的检测门限T2两者中的至少一个，表明北斗接收机刚开始工作就存在多路径误差，表明北斗接收机的天线性能达不到要求或者测试地点所处的地理环境对北斗接收机干扰太大，需更换北斗接收机的天线或者改变测试地点所处的地理环境，方法结束；如果比较结果不满足伪距残差大于伪距残差的检测门限T1和伪距率残差大于伪距率残差的检测门限T2两者中的任意一个，则保留第1个采样时刻的伪距残差和伪距率残差，则进入步骤S4；

S4：将第k个时刻的伪距残差与伪距残差的检测门限T1进行比较，k＝2，3，…，n，…N：如果第k个时刻的伪距残差大于伪距残差的检测门限T1，则表明北斗接收机存在多路径误差，此时采用第k-1个时刻的伪距残差更新第k个时刻的伪距残差，第k-1个时刻的伪距率残差更新第k个时刻的伪距率残差，将更新后的第k个时刻的伪距残差作为第k个时刻的伪距残差，将更新后的第k个时刻的伪距率残差作为第k个时刻的伪距率残差；

如果第k个时刻的伪距残差小于等于伪距残差的检测门限T1，则将第k个时刻的伪距率残差和伪距率残差的检测门限T2进行比较，如果第k个时刻的伪距率残差大于伪距率残差的检测门限T2，则表明北斗接收机存在多路径误差，此时采用第k-1个时刻的伪距残差更新第k个时刻的伪距残差，第k-1个时刻的伪距率残差更新第k个时刻的伪距率残差，将更新后的第k个时刻的伪距残差作为第k个时刻的伪距残差，将更新后的第k个时刻的伪距率残差作为第k个时刻的伪距率残差；

如果第k个时刻的伪距残差小于等于伪距残差的检测门限T1，且第k个时刻的伪距率残差也小于等于伪距率残差的检测门限T2，则表明北斗接收机不存在多路径误差，此时不对第k个时刻的伪距残差和伪距率残差进行处理；

按照本步骤上述方法从北斗接收机的第2个采样时刻开始依次进行处理，得到消除多路径误差后的伪距残差序列和伪距率残差序列。