阅读说明：本技术 一种gnss接收机载波多路径反演的新方法 (Novel method for carrier multipath inversion of GNSS receiver ) 是由 张鹏 吴亮亮 郜建峰 李春雨 蔡欣欣 李彩萌 孟庆伟 陈林 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种GNSS接收机载波多路径反演的新方法,通过载波多路径得到直接信号、反射信号和组合信号之间的关系,以及计算载波多路径和信号质量的关系从而得到载波多路径反演方法,本发明可以实现无需事先获得已知点的精确坐标,也不需要精密单点定位等复杂的算法,即只需一段连续观测时间的信噪比值即可反演载波多路径误差,极大降低了野外工作成本和时间,方法简单高效,是之前算法不曾考虑的。本发明可实时估计各历元载波相位的多路径误差并改正,无需恒星日滤波或历元间差分算法,可以利用的有效观测值数量更多,给GNSS数据处理提供了有力的保障。(The invention discloses a novel carrier multipath inversion method of a GNSS receiver, which obtains the relation among a direct signal, a reflected signal and a combined signal through carrier multipath and calculates the relation between the carrier multipath and the signal quality so as to obtain the carrier multipath inversion method. The method can estimate and correct the multipath error of the carrier phase of each epoch in real time, does not need star day filtering or an inter-epoch difference algorithm, can utilize more effective observed values, and provides powerful guarantee for GNSS data processing.)

一种GNSS接收机载波多路径反演的新方法

技术领域

本发明涉及GNSS接收机领域，具体为一种GNSS接收机载波多路径反演的新方法。

背景技术

在GNSS精密定位中，载波多路径是影响定位精度最重要的误差源之一。以GPS的L1和L2为例，产生载波相位误差最大可以达到4.8和6.1厘米。载波多路径与观测站所处环境有着直接的关系，在GNSS测量时，通常是通过恒星日滤波或历元间差分消除大部分的载波多路径误差，或者通过已知点精确坐标反算载波多路径值。但是在其他一些GNSS应用中无法提前获取已知点精确坐标，例如CORS建站选址，此时如何估计载波多路径值成为一项难题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种GNSS接收机载波多路径反演的新方法，即根据一段连续时段的信噪比观测值拟合反演载波多路径；试验结果表明，本发明方法可以准确获得观测站所处环境的载波多路径值。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种GNSS接收机载波多路径反演的新方法，通过载波多路径得到直接信号、反射信号和组合信号之间的关系，以及计算载波多路径和信号质量的关系从而得到载波多路径反演方法。

载波多路径：接收机接收卫星信号具有直接信号和反射信号；反射信号会叠加在直接信号上，接收到的组合信号产生相位偏移；直接信号、反射信号和组合信号表达式可见以下公式；

S_D＝A_D·cos(φ_D) (1)

S_R＝α·A_D·cos(φ_D+Δφ_R) (2)

S_C＝S_D+S_R＝A_D·cos(φ_D)+α·A_D·cos(φ_D+Δφ_R) (3)

A_D表示载波的振幅，φ_D表示直接信号的相位，反射信号的载波振幅相比直接信号有所减弱，以比例因子α(0≤α≤1)表示；S_D表示直接信号，S_R表示反射信号，S_C表示组合信号；组合信号的载波振幅A_C和相位误差表示为：

信号质量：GNSS接收机信号质量以载噪比来衡量，即接收机天线接收到未解调的GNSS信号强度除以噪声强度；由于解调滤波处理后的信号强度十分接近C_ANT，得到下列等式成立：

由于信号强度S大于噪声N几个数量级，将S_Q单位转化为分贝：

S_Q(dB)＝10·log₁₀(S_Q) (7)

同时，系统噪声N表示为噪声谱密度N₀和环路带宽B_L的积：

N＝N₀·B_L (8)

通过公式(7-8)可将信号质量标准化为：

S_Q0(dBHz)＝10·log₁₀(S_Q)(dB)+B_L(dBHz) (9)，其中C_ANT/N_ANT表示载噪比；信号强度用S表示。

载波多路径和信号质量的关系：

其中比例因子α和反射信号相位偏移量φ_R是影响信号质量的变量，由于φ_R随时间变化，信号质量也会随之波动。

载波多路径反演方法：载波多路径反演算法基于公式(4)，并假设反射源为地面，公式中比例因子α认为一段时间内保持不变；由于接收机天线不尽相同，这里采用对信噪比参数拟合得到直射信号的振幅值A_D，拟合方法可采用多项式拟合，组合信号振幅和直射信号振幅的比率Q表示为：

Q和φ_R的微分方程如下：

重新排列公式(5)合并至公式(12)，可得：

简化可得：

所以载波多路径误差可以由Q和φ_R的微分表示：

从上式中我们不能直接计算得到Q和反射信号相位偏移量的微分，假设在载波多路径的反射源只有水平地面引起，那么射信号相位偏移量可以由卫星高度角el表示：

l_R＝2hsinel (16)

通过公式(16-17)，可以间接求出反射信号相位偏移量对时间的微分，同时Q对时间的微分也可以通过信噪比计算得到；

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明无需事先获得已知点的精确坐标，也不需要精密单点定位等复杂的算法，即只需一段连续观测时间的信噪比值即可反演载波多路径误差，极大降低了野外工作成本和时间。本发明可实时估计各历元载波相位的多路径误差并改正，无需恒星日滤波或历元间差分算法，可以利用的有效观测值数量更多，给GNSS数据处理提供了有力的保障。

附图说明

图1是本发明接收机信号接收示意图；

图2是本发明直接信号和组合信号关系的矢量示意图；

图3是本发明反射信号相位偏移量和卫星高度角关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-图3所示，本发明提供的一种实例：一种GNSS接收机载波多路径反演的新方法，包括以下步骤：

载波多路径：

在实际情况下，接收机接收卫星信号不只存在直接信号(S_D)，还存在反射信号(S_R)(见图1)。反射信号会叠加在直接信号上，使得最终接收到的组合信号(S_C)产生相位偏移。直接信号、反射信号和组合信号表达式可见公式(1-3)。

S_D＝A_D·cos(φ_D) (1)

S_R＝α·A_D·cos(φ_D+Δφ_R) (2)

S_C＝S_D+S_R＝A_D·cos(φ_D)+α·A_D·cos(φ_D+Δφ_R) (3)

A_D表示载波的振幅，φ_D表示直接信号的相位，反射信号的载波振幅相比直接信号有所减弱，这里以比例因子α(0≤α≤1)表示。组合信号的载波振幅A_C和相位误差可以表示为：

信号质量：

GNSS接收机信号质量以载噪比(C_ANT/N_ANT)来衡量，即接收机天线接收到未解调的GNSS信号强度除以噪声强度。由于解调滤波处理后的信号强度(S)十分接近C_ANT，可以认为下列等式成立：

由于信号强度S大于噪声N几个数量级，将S_Q单位转化为分贝(dB)：

S_Q(dB)＝10·log₁₀(S_Q) (7)

为了使各厂商接收机具有可比较性，通常将信号质量标准化至指定带宽上，例如1Hz。同时，系统噪声N可表示为噪声谱密度N₀和环路带宽B_L的积：

N＝N₀·B_L (8)

通过公式(7-8)可将信号质量标准化为：

S_Q0(dBHz)＝10·log₁₀(S_Q)(dB)+B_L(dBHz) (9)

载波多路径和信号质量的关系：

信号质量和载波多路径的关系如图2所示(图2中假设反射信号相位偏移量为π/2)，δφ表示载波多路径引起的相位偏移。由图2中关系可得：

可以发现公式(10)和公式(4)对应。其中比例因子α和反射信号相位偏移量φ_R是影响信号质量的变量，由于φ_R随时间变化，信号质量也会随之波动。

载波多路径反演方法：

载波多路径反演算法基于公式(4)，并假设反射源为地面，公式中比例因子α认为一段时间内保持不变。由于接收机天线不尽相同，这里采用对信噪比参数拟合得到直射信号的振幅值A_D，拟合方法可采用多项式拟合，估计方法可采用最小二乘法，这里不在赘述。组合信号振幅和直射信号振幅的比率Q可表示为：

Q和φ_R的微分方程如下：

重新排列公式(5)合并至公式(12)，可得：

简化可得：

所以载波多路径误差可以由Q和φ_R的微分表示：

从上式中我们不能直接计算得到Q和反射信号相位偏移量的微分，这里用一种简化的方法代替。假设在载波多路径的反射源只有水平地面引起，那么射信号相位偏移量可以由卫星高度角el表示：

l_R＝2hsinel (16)

通过公式(16-17)，可以间接求出反射信号相位偏移量对时间的微分(如图3)，同时Q对时间的微分也可以通过信噪比计算得到。

本发明可以实现无需事先获得已知点的精确坐标，也不需要精密单点定位等复杂的算法，即只需一段连续观测时间的信噪比值即可反演载波多路径误差，极大降低了野外工作成本和时间，方法简单高效，是之前算法不曾考虑的。本发明可实时估计各历元载波相位的多路径误差并改正，无需恒星日滤波或历元间差分算法，可以利用的有效观测值数量更多，给GNSS数据处理提供了有力的保障。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。