阅读说明：本技术 使用双天线的多径检测和抑制方法及系统 (Multipath detection and suppression method and system using dual antennas ) 是由 陈佳佳 何智力 袁洪 刘杨斌 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种使用双天线的多径检测和抑制方法及系统,包括获取GNSS信号的载波相位和广播星历；根据所述载波相位、已知的天线基线长度和广播星历计算误差平方和；将所述误差平方和与门限值作比较,判断所述误差平方和的数值是否大于所述门限值,若大于,则认为当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号,否则,认为当前不存在多径信号；计算多径信号引起的载波相位误差估计值,并根据所述载波相位以及所述载波相位误差估计值计算所述载波相位估计值；对天线进行定位。本发明可以实现多径抑制的目的,并降低成本,实现实时检测和解算。(The invention relates to a multipath detection and inhibition method and a system using double antennas, which comprises the steps of obtaining carrier phase and broadcast ephemeris of GNSS signals; calculating the error square sum according to the carrier phase, the known length of the antenna base line and the broadcast ephemeris; comparing the error square sum with a threshold value, judging whether the numerical value of the error square sum is larger than the threshold value, if so, determining that at least one multipath signal exists in the currently received satellite signal, otherwise, determining that the multipath signal does not exist currently; calculating a carrier phase error estimation value caused by a multipath signal, and calculating the carrier phase estimation value according to the carrier phase and the carrier phase error estimation value; the antenna is positioned. The invention can realize the purpose of multi-path inhibition, reduce the cost and realize real-time detection and calculation.)

使用双天线的多径检测和抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星测控的技术领域，尤其是指一种使用双天线的多径检测和抑制方法及系统。

背景技术

导航在人类文明的发展过程中始终起着非常关键的作用，其根本任务是明确载体的位置信息，并将载体从当前位置依据指定的时间和路径引导至目的地。随着全球导航卫星系统定位(简称：GNSS)精度的飞速提升，航空、运输以及测绘、灾难监测等学科对高精度定位提出了更高的要求。载波相位的测距精度要高于码相位测距精度，因此高精度定位和导航的情景中通常采用载波相位测距。然而，卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层延时、对流层延时以及多径效应引起的误差都会对定位精度产生严重的影响。多径效应通常是指接收机不仅接收直达导航信号，还会被各种间接的信号干扰，这些间接信号称之为多径信号。由于系统误差能够依据差分或建模的原理进行消除，而多径误差通常具有时变性并且随着用户的环境不断变化，通常很难依据差分技术抑制，已经成为影响高精度定位的最重要的误差。

当前的多径检测和抑制技术通常分为三种类型：导航信号的设计、天线技术以及数据后处理技术。导航信号设计需要对现有的导航信号结构进行更改，其实施难度相当巨大。天线技术通常分为两类，一类是右旋圆极化天线、ChockRing天线等技术，其本质上是阻止多径信号进入天线，从而抑制多径信号。但这类技术需要重新设计接收天线，不能充分利用现有的低成本天线；另一类天线技术是使用天线阵列，天线阵列可以提取更多的关于卫星信号的信息，在后续的处理中可以很好的降低多径信号的影响，但天线阵列通常需要使用四个以上的天线，其体积和成本都相对较大。

而数据后处理技术通常不需要对接收机的结构进行调整。该技术利用多径的频率及周期特性，处理的信息主要包括接收机接收的伪距、载波相位等。当前对数据后处理技术的研究非常充分，在工程中也有广泛的使用，但其存在显著的缺陷，该技术需要进行长时间的数据观测，不能做到实时处理，应用条件十分受限。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中无法实时处理，应用条件受限的问题，从而提供一种可以实时处理，应用条件受限小的使用双天线的多径检测和抑制方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明的一种使用双天线的多径检测和抑制方法，包括：步骤S1：获取GNSS信号的载波相位和广播星历；步骤S2：根据所述载波相位、已知的天线基线长度和广播星历计算误差平方和；步骤S3：将所述误差平方和与门限值作比较，判断所述误差平方和的数值是否大于所述门限值，若大于，则认为当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号，进入步骤S4，否则，认为当前不存在多径信号，进入步骤S5；步骤S4：计算多径信号引起的载波相位误差估计值，并根据所述载波相位以及所述载波相位误差估计值计算所述载波相位估计值；步骤S5：对天线进行定位。

在本发明的一个实施例中，根据所述载波相位、已知的基线长度、广播星历计算误差平方和的方法为：根据所述载波相位及广播星历先计算基线向量观测值和天线基线长度计算基线向量估计值，根据所述基线向量估计值计算误差平方和。

在本发明的一个实施例中，计算基线向量观测值的方法为：假设当前可观测卫星数为N,选取仰角最高的卫星信号为基准星；载波相位双差观测矩阵其中是(N×1)矩阵，代表载波相位双差观测矩阵，H是(N×3)矩阵，代表卫星和基准星之间的方向余弦差，且由所述广播星历计算得到，n_rBA是(N×1)矩阵，为零均值的高斯白噪声，记为使用最小二乘法进行计算，可以获得基线向量的观测值ΔX_BA，其中A＝(H^TH)^-1H。

在本发明的一个实施例中，根据所述基线向量观测值和天线基线长度计算基线向量估计值的方法为：对矩阵H进行奇异值分解(SVD)：其中式中为矩阵H的正奇异值，λ_i为H的特征值，D＝diag(σ₁,σ₂,σ₃)为对角矩阵，且σ₁≥σ₂≥σ₃>0，μ_i、v_i分别为正交矩阵U和V的列向量；ΔX_BA的方差分别记为： ΔX_BA记为b_BA＝[b_x,b_y,b_z]^T为基线向量的真值，σ_X＝[σ_x,σ_y,σ_z]^T；用观测值ΔX_BA和已知的基线长度d对真值进行估计，构建迭代方程b_n'₊₁＝b_n'+δ_Xn，其中b'_n和b'_n+1分别为第n次和n+1次迭代的b_BA估计值，δ_Xn是第n次估计的残差，基线长度d可以表示为使用一阶泰勒公式对基线长度d进行线性展开再次使用最小二乘法进行计算，得到每次迭代的残差δ_Xn，迭代的初值为基线向量的观测值ΔX_BA，迭代计算的收敛值记为b'_BA，视作基线向量的真值b_BA的估计值。

在本发明的一个实施例中，根据所述基线向量估计值计算误差平方和的方法为：使用b'_BA对ΔX_BA进行标准化后的结果记为ΔX'_BA：ΔX'_BA＝(ΔX_BA-b'_BA)/σ_X，其中ΔX'_BA＝[Δx'_BA,Δy'_BA,Δz'_BA]^T,b'_BA＝[b _{^' x},b'_y,b _{^' z}]^T；使用误差平方和统计值来判断基线向量估计值的质量，定义误差平方和的值Q为：

在本发明的一个实施例中，所述门限值是根据虚警率确定。

在本发明的一个实施例中，所述门限值根据虚警率确定的方法为：在一定的虚警率P_fa下设置合适的门限值其中是χ²(3)的概率密度函数，若当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号时，则ΔX'_BA～N(0,1)，那么Q统计值应当服从自由度为3的卡方分布，记为χ²(3)，若存在多径信号，Q指标应当服从自由度为3、参数为γ的非中心卡方分布，记为χ²(3,γ)，

在本发明的一个实施例中，计算多径信号引起的载波相位误差估计值的方法为：若载波相位误差估计值含有多径信号的基线向量观测值则其中载波相位双差观测矩阵记为 是(N×1)的矩阵，为载波相位多径误差，含有多径信号的基线向量观测值为

在本发明的一个实施例中，当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号时，输出“有多径”的提示信息；否则，输出“无多径”的提示信息。

本发明还提供了一种使用双天线的多径检测和抑制系统，包括：获取模块，用于获取GNSS系统中混合信号的载波相位和广播星历；第一计算模块，用于根据所述载波相位、已知的天线基线长度和广播星历计算误差平方和；判断模块，用于将所述误差平方和与门限值作比较，判断所述误差平方和的数值是否大于所述门限值，若大于，则认为当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号，进入第二计算模块，否则，认为当前不存在多径信号，直接进入定位模块；第二计算模块，用于计算多径信号引起的载波相位误差估计值，并根据所述载波相位以及所述载波相位误差估计值计算所述载波相位估计值；定位模块，用于对天线进行定位。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的使用双天线的多径检测和抑制方法及系统，获取GNSS信号的载波相位和广播星历，从而有利于计算误差平方和；根据所述载波相位、已知的天线基线长度和广播星历计算误差平方和，有利于判断是否满足测试；将所述误差平方和与门限值作比较，判断所述误差平方和的数值是否大于所述门限值，若大于，则认为当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号，则需要对多径信号进行抑制，否则，认为当前不存在多径信号；计算多径信号引起的载波相位误差估计值，并根据所述载波相位以及所述载波相位误差估计值计算所述载波相位估计值，从而可以实现多径信号抑制的目的；对天线进行定位，从而有效提升了定位精度，另外，能够有效减小检测系统和体积，并降低成本，实现实时检测和解算。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明使用双天线的多径检测和抑制方法的流程图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种使用双天线的多径检测和抑制方法，包括如下步骤，步骤S1：获取GNSS信号的载波相位和广播星历；步骤S2：根据所述载波相位、已知的天线基线长度和广播星历计算误差平方和；步骤S3：将所述误差平方和与门限值作比较，判断所述误差平方和的数值是否大于所述门限值，若大于，则认为当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号，进入步骤S4，否则，认为当前不存在多径信号，进入步骤S5；步骤S4：计算多径信号引起的载波相位误差估计值，并根据所述载波相位以及所述载波相位误差估计值计算所述载波相位估计值；步骤S5：对天线进行定位。

本实施例所述的使用双天线的多径检测和抑制方法，所述步骤S1中，获取GNSS信号的载波相位和广播星历，从而有利于计算误差平方和；所述步骤S2中，根据所述载波相位、已知的天线基线长度和广播星历计算误差平方和，有利于判断是否满足测试；所述步骤S3中，将所述误差平方和与门限值作比较，判断所述误差平方和的数值是否大于所述门限值，若大于，则认为当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号，则需要对多径信号进行抑制，进入步骤S4，否则，认为当前不存在多径信号，进入步骤S5；所述步骤S4中，计算多径信号引起的载波相位误差估计值，并根据所述载波相位以及所述载波相位误差估计值计算所述载波相位估计值，从而可以实现多径信号抑制的目的；所述步骤S5中，对天线进行定位，从而有效提升了定位精度，另外，还能够有效减小检测系统和体积，并降低成本，实现实时检测和解算。

所述步骤S1中，获取GNSS信号的载波相位和广播星历的方法为：使用接收机获取GNSS信号的载波相位和广播星历等数据从而有利于得到所述基线向量观测值。

所述步骤S2中根据所述载波相位、已知的天线基线长度、广播星历计算误差平方和的方法为：根据所述载波相位及广播星历先计算基线向量观测值，根据所述基线向量观测值和所述天线基线长度计算基线向量估计值，根据所述基线向量估计值计算误差平方和。其中，计算得到所述基线向量观测值后，再利用已知的基线长度迭代计算得到基线向量估计值，下面结合公式详细说明：

计算基线向量观测值的方法为：假设当前可观测卫星数为N,选取仰角最高的卫星信号为基准星；载波相位双差观测矩阵其中是(N×1)矩阵，代表载波相位双差观测矩阵，H是(N×3)矩阵，代表卫星和基准星之间的方向余弦差，且由所述广播星历计算得到，n_rBA是(N×1)矩阵，为零均值的高斯白噪声，记为使用最小二乘法进行计算，可以获得基线向量的观测值ΔX_BA，其中A＝(H^TH)^-1H。

根据所述基线向量观测值和天线基线长度计算基线向量估计值的方法为：对矩阵H进行奇异值分解(SVD)：其中式中为矩阵H的正奇异值，λ_i为H的特征值，D＝diag(σ₁,σ₂,σ₃)为对角矩阵，且σ₁≥σ₂≥σ₃>0，μ_i、v_i分别为正交矩阵U和V的列向量；ΔX_BA的方差分别记为：ΔX_BA记为b_BA＝[b_x,b_y,b_z]^T为基线向量的真值，σ_X＝[σ_x,σ_y,σ_z]^T；用观测值ΔX_BA和已知的基线长度d对真值进行估计，构建迭代方程b_n'₊₁＝b_n'+δ_Xn，其中b'_n和b'_n+1分别为第n次和n+1次迭代的b_BA估计值，δ_Xn是第n次估计的残差，基线长度d可以表示为使用一阶泰勒公式对基线长度d进行线性展开再次使用最小二乘法进行计算，得到每次迭代的残差δ_Xn，迭代的初值为基线向量的观测值ΔX_BA，迭代计算的收敛值记为b'_BA，视作基线向量的真值b_BA的估计值。

根据所述基线向量估计值计算误差平方和的方法为：使用b'_BA对ΔX_BA进行标准化后的结果记为ΔX'_BA：ΔX'_BA＝(ΔX_BA-b'_BA)/σ_X，其中ΔX'_BA＝[Δx'_BA,Δy'_BA,Δz'_BA]^T,b'_BA＝[b _{^' x},b'_y,b _{^' z}]^T；使用误差平方和统计值来判断基线向量估计值的质量，定义误差平方和的值Q为：

所述步骤S3中，所述门限值是根据虚警率确定，根据Neyman-Pearson准则，在满足一定的虚警率下计算门限值，从而在达到检验目的的同时，也有利于防止误报。

所述门限值根据虚警率确定的方法为：在一定的虚警率P_fa下设置合适的门限值Q_th，其中是χ²(3)的概率密度函数，若当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号时，则ΔX'_BA～N(0,1)，那么Q统计值应当服从自由度为3的卡方分布，记为χ²(3)，若存在多径信号，Q指标应当服从自由度为3、参数为γ的非中心卡方分布，记为χ²(3,γ)，

本实施例中，误差平方和统计值与所述门限值进行比较时，若所述误差平方和统计值小于或者等于所述门限值，则基线向量估计值为真值的有效近似，满足测试通过条件，认为当前不存在多径信号，输出“无多径”的提示信息；如果所述误差平方和统计值大于所述门限值，则测试不通过，认为当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号，输出“有多径”的提示信息，此时需要。

所述步骤S4中，为了提高载波相位多径误差估计值的精度，计算多径信号引起的载波相位误差估计值的方法为：若载波相位误差估计值含有多径信号的基线向量观测值则其中载波相位双差观测矩阵记为 是(N×1)的矩阵，为载波相位多径误差，含有多径信号的基线向量观测值为

根据所述载波相位以及所述载波相位误差估计值计算所述载波相位估计值的方法为：计算所述载波相位与所述载波相位误差估计值的差值。

本发明所提出的多径检测和抑制方法仅使用两个现有商用天线，实现了对多径信号的检测并有效抑制了多径信号；且本发明结合了天线阵列和数据后处理技术，能够有效减小检测系统和体积和成本，并实现实时检测和解算。由于使用两个商用的低成本GNSS天线构建短基线向量，体积小且能够实现实时检测，能够无延迟地检测出多径信号的存在并有效抑制多径信号。

本实施例中，使用了两个天线之间的长度来对观测的数据进行迭代修正，以获得精度较高的估计值，但本发明并不局限于使用两个天线。当再添加一个天线以后，三个天线之间的几何形状信息能够很轻易地提前获得。在结合天线和几何形状和长度信息的基础之上，能够有效提高载波相位多径误差估计值的精度，进而进一步提升定位的精度。

本实施例中，对天线进行定位时，由于多径误差通常具有时变性并且随着用户的环境不断变化，因此只许要对含有多径信号的天线进行定位既可。

实施例二

基于同一发明构思，本实施例提供了一种使用双天线的多径检测和抑制系统，其解决问题的原理与所述使用双天线的多径检测和抑制方法类似，重复之处不再赘述。

本实施例提供一种使用双天线的多径检测和抑制系统，包括：

获取模块，用于获取GNSS信号的载波相位和广播星历；

第一计算模块，用于根据所述载波相位、已知的天线基线长度和广播星历计算误差平方和；

判断模块，用于将所述误差平方和与门限值作比较，判断所述误差平方和的数值是否大于所述门限值，若大于，则认为当前接收的卫星信号中存在至少一个多径信号，进入第二计算模块，否则，认为当前不存在多径信号，直接进入定位模块；

第二计算模块，用于计算多径信号引起的载波相位误差估计值，并根据所述载波相位以及所述载波相位误差估计值计算所述载波相位估计值；

定位模块，用于对天线进行定位。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。