Способ подавления ошибок многолучевости в приемниках спутниковой навигации

 

Способ подавления ошибок многолучевости в приемнике спутниковой навигации относится к области радиотехники, и в частности радионавигации с использованием сигналов навигационных спутниковых систем GPS и GLONASS. Достигаемым техническим результатом является подавление ошибок многолучевости в приемниках спутниковой навигации одновременно принимающих и параллельно обрабатывающих сигналы спутниковых навигационных систем GPS и GLONASS. Способ подавления ошибок многолучевости в приемниках спутниковой навигации, заключающийся в том, что выполняют операции поиска сигналов навигационных спутников по несущей частоте и задержке кода, сопровождения найденных сигналов следящими контурами по несущей и задержке, измерения радионавигационных параметров, а также амплитуды принимаемого сигнала, битовой синхронизации и выделения передаваемой спутником служебной информации, дополнительно проводят последовательно операции сглаживания амплитуды, сглаживания дальности, формирования вариаций амплитуды, формирования вариаций дальности, формирования ковариации как произведения вариаций амплитуды и дальности, первичного сглаживания ковариации, обнаружения (детектирования) факта воздействия многолучевости (сравнение с порогом), принятия решения (по превышению порога), вторичного сглаживания ковариации, вычисления оценки ошибки дальности путем деления упомянутой ковариации на текущее значение вариации амплитуды и введения поправок в кодовые и фазовые дальности, вычисления разности фаз прямого и отраженного сигналов, вычисления оценки ошибки текущей фазы, вызванной многолучевостью и введения поправок в измерения текущей фазы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, и в частности, радионавигации с использованием сигналов навигационных спутниковых систем GPS и GLONASS.

Предлагаемый способ может быть использован для подавления ошибок многолучевости в приемниках спутниковой навигации одновременно принимающих и параллельно обрабатывающих сигналы спутниковых навигационных систем GPS и GLONASS.

Антенна приемника спутниковой навигации воспринимает как прямой сигнал спутника, так и отраженный от окружающих ее предметов и объектов; другими словами, реальные спутниковые приемники работают в условиях многолучевого распространения сигналов. Задержка отраженного сигнала относительно прямого искажает передний край взаимокорреляционной функции (ВКФ) принимаемого и ожидаемого сигнала и приводит к ошибкам измерения дальности (истинного положения пика ВКФ на временной оси). Знак этой ошибки меняется в зависимости от разности фаз прямого и отраженного сигналов (отраженный в фазе с прямыми или в противофазе), а величина обычно составляет единицы метров (для современных приемников с узкостробовым коррелятором и расширенной полосой частот радиотракта). Иногда эта ошибка может достигать 10-15 метров. Ошибки многолучевости становятся независимыми в двух антеннах при разнесении их даже на доли длины волны. Это обстоятельство ограничивает точность дифференциального режима на уровне вышеуказанных величин даже в том случае, если в опорной станции ошибок многолучевости нет или они устранены каким-либо усложнением аппаратуры этой станции или алгоритма обработки измерений. У потребителя, находящегося в более сложных с точки зрения возможности отражения сигналов условиях и пользующегося обычным приемником, эти ошибки всегда присутствуют. Такое ограничение побудило разработчиков приемной аппаратуры искать простые и эффективные способы для подавления ошибок многолучевости в самом приемнике. Таких способов в настоящее время известно достаточно много (каждая фирма-разработчик широко рекламирует свои), но далеко не все они обеспечивают субметровый уровень точности, а если обеспечивают, то ценой существенного усложнения и удорожания приемников.

Известны аналоги предлагаемого способа, основанные на анализе вариаций амплитуды принимаемого многолучевого сигнала для подавления ошибок дальномера [1], [2].

Известен способ подавления ошибок многолучевости, основанный на анализе через т.н. "strength parameter X" - добавку мощности отраженного сигнала к мощности прямого [1].

Однако этот способ очень сложен аппаратно и ресурсоемок в программной реализации. Во-первых, он требует наличия банка корреляторов с различными задержками опорных сигналов (MEDLL - Multypath Estimading Delay Lock Loop - контур слежения для оценивания задержки многолучевого сигнала). Во-вторых, выходы этих корреляторов суммируют с весами, которые требуют громоздких сложных вычислений (с применением двукратного суммирования) и компенсируют смещения пика ВКФ, вызванные многолучевостью. Компенсация достигается обратным смещением точки пересечения нуля дискриминационной характеристикой следящего дальномера.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа является способ подавления ошибок многолучевости, в котором исходным является отношение сигнал/шум (SNR), выраженное в единицах AMU (Trimble Amplitude Units), из которого формируется и обрабатывается амплитудное отношение сигнал/шум (SNRA) [2].

SNRA, в соответствии с [2], проходит полный спектральный анализ в два этапа - инициализация и уточнение за счет двухкратного применения ANF (Adaptive North Filter) и ALS (Adaptive Least Sguare), т.е. адаптивных фильтра Норса (ANF) и способа наименьших квадратов (ALS). Полученные таким образом оценки амплитуд, частот и начальных фаз отраженных сигналов используются для вычисления фазовых ошибок по коду и несущей.

В данном способе не используется сильная взаимная корреляция (коэффициент этой корреляции близок к единице) между SNRA и ошибками измерений, а используется известная функциональная зависимость между параметрами отраженного сигнала и ошибками дальности, и фазы несущей. Оценки указанных ошибок радионавигационных параметров вычисляют с использованием оценок параметров отраженного сигнала, полученных из анализа амплитуд (SNRA). Тем не менее этот способ наиболее близок к предлагаемому, основанному на вышеуказанной сильной взаимной корреляции. Как и в предлагаемом способе, здесь, помимо стандартных операций, выполняемых любым навигационным приемником, а именно:

- поиск сигналов навигационных спутников по несущей частоте и задержке кода;

- сопровождение сигналов найденных спутников следящими контурами несущей и задержки;

- измерение (оценка) радионавигационных параметров;

- битовая синхронизация и выделение передаваемой спутниками служебной информации;

- производится также измерение, сглаживание и анализ амплитуды принимаемого сигнала.

Недостатки прототипа:

- задержки в фильтрах SNRA, которые не позволяют формировать поправки к измерениям в реальном времени (в темпе обновления координат), что существенно ограничивает область применения этого способа;

- недостаточная достоверность получаемых результатов, поскольку для вычисления поправок к измерениям радионавигационных параметров, используется информация только одного косвенного источника - вариации амплитуды (могут вырабатываться ложные поправки к измерениям из-за воздействия на амплитуду других видов помех);

- сложность и ресурсоемкость вычислительных операций, ограничивающие его применение в аппаратуре массового потребителя.

В основу изобретения положена задача устранения недостатков прототипа, которая решается тем, что в предлагаемом способе подавления ошибок многолучевости, включающем операции поиска сигналов навигационных спутников по несущей частоте и задержке кода, сопровождения найденных сигналов следящими контурами по несущей и задержке, измерения радионавигационных параметров, а также амплитуды принимаемых сигналов, битовой синхронизации и выделения передаваемой спутником служебной информации формируются вариации (отклонения от сглаженного тренда) измерений дальности и амплитуды, вычисляют второй смешанный момент связи дальности и амплитуды (их ковариацию).

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что в способе подавления ошибок многолучевости в приемниках спутниковой навигации дополнительно проводят операции сглаживания амплитуды, сглаживания дальности, формирования вариаций амплитуды, формирования вариаций дальности, формирования ковариации как произведения вариаций амплитуды и дальности, первичного сглаживания ковариации, обнаружения (детектирования) факта воздействия многолучевости (сравнение с порогом), принятия решения (по превышению порога), вторичного сглаживания ковариации, вычисления оценки ошибки дальности путем деления упомянутой ковариации на текущее значение вариации амплитуды и введения поправок в кодовые и фазовые дальности, вычисления разности фаз прямого и отраженного сигналов, вычисления оценки ошибки текущей фазы, вызванной многолучевостью и введения поправок в измерения текущей фазы.

Совокупность перечисленных признаков позволяет повысить достоверность получаемых результатов, упростить вычислительные операции, ограничивающие применение в аппаратуре массового потребителя.

В способе дополнительно формируют вариации (отклонения от сглаженного тренда) измерений дальности и амплитуды, вычисляют второй смешанный момент связи дальности и амплитуды (их ковариацию).

Ковариацию дополнительно сглаживают на интервале 30-60 с (периода многолучевой интерференции). Текущую оценку многолучевой ошибки в дальности вычисляют делением текущей оценки ковариации на текущее отклонение амплитуды от ее среднего значения.

Ковариацию сглаживают с помощью рекуррентной линейной процедуры 1 порядка (фильтр с бесконечной импульсной характеристикой и параметром затухания α, который в дальнейшем будем называть α-БИХ фильтром):

где _i - обновленная оценка сглаживаемой величины;

_i-1 - предыдущая оценка;

X_i - вновь поступивший в обработку элемент выборки сглаживаемого параметра;

α - коэффициент сглаживания.

Если Х - это ковариация, т.е. произведение вариаций (отклонений от текущих средних амплитуды δА_i и дальность δD_i), то параметр α желательно выбирать в диапазоне 0,015-0,03.

Такую же процедуру выполняют для вычисления среднего значения амплитуды. Вариации дальностей вычисляют как отклонения текущих измерений от сглаженного тренда. Тренд дальности получают сглаживанием кодовых дальностей высокоточными фазовыми измерениями (доплеровскими интегралами) по формуле

где D_i-1 - та же _i, измеренное и сглаженное значение кодовой дальности соответственно;

ДU_i - доплеровский интеграл (набег фазы, несущей на интервале от t_k-1 до t_k).

Полученные вариации амплитуды и дальности дополнительно сглаживают по рекуррентной формуле (1) с коэффициентом α в диапазоне 0,1-0,3.

Для повышения надежности и достоверности подавления ошибок многолучевости вводят предварительную операцию их обнаружения.

Детектором многолучевости является результат сравнения упомянутой ковариации, сглаженной с α=0,1 с заранее установленным порогом С. Величину порога определяют через допустимый остаточный уровень ошибок многолучевости в соответствии с теорией проверки статистических гипотез по критерию максимального правоподобия и уточняют экспериментально. Соотношение между текущей фазой ψ_i вектора отраженного сигнала

где t_i - текущий момент времени;

t_m - момент ближайшего предшествующего максимума амплитуды;

ψ_i - разность фаз прямого и отраженного сигналов;

Т - период колебаний амплитуды, вызванных многолучевой интерференцией, и текущей ошибкой фазометра Δϕ_i, представлено векторной диаграммой.

На чертеже показана векторная диаграмма, где a - вектор прямого сигнала; в - вектор отраженного сигнала.

Из известных формул связи элементов косоугольного треугольника ОСВ получаем:

где через γ обозначено отношение амплитуд отраженного и прямого сигналов.

Амплитуда прямого сигнала - это ее сглаженное среднее значение. Амплитуда отраженного сигнала - полуразность ее максимального и минимального отклонения от среднего.

Источники информации

1. Gadallah El - Sayed A., Meiz Pachter and Steward L. De vilbiss. "Design of GPS Receiver Code and Carrier Tracking Loops for Multipath Mitigation" Proc of ION-98, pp 1041-1053.

2. Christopher Y. Comp and Penina Axelrad. An adaptive SNR - based carrier phase multipath mitigation tecnigue. Proc of ION GPS-96, pp 683-696.

Формула изобретения

1. Способ подавления ошибок многолучевости в приемнике спутниковой навигации, включающий операции поиска сигналов навигационных спутников, сопровождение найденных сигналов следящими контурами, измерение радионавигационных параметров-дальностей, а также амплитуды принимаемого сигнала, отличающийся тем, что последовательно проводят операции сглаживания амплитуды, вариаций дальности, формирования ковариации как произведения вариаций амплитуды и дальности, первичного сглаживания ковариации, обнаружения факта воздействия многолучевости путем сравнения упомянутой ковариации с порогом, принятия решения по превышению порога, вторичного сглаживания ковариации, вычисления оценки ошибки дальности путем деления упомянутой ковариации на текущее значение вариации амплитуды и введения поправок в измеренные дальности, вычисления разности фаз прямого и отраженных сигналов - текущего фазового угла ψ_i по формуле (1),

где t_i - текущий момент времени;

t_m - момент ближайшего к текущему предшествующего максимума амплитуды;

Т - период колебаний амплитуды, вызванных многолучевой интерференцией как интервал между двумя соседними ее максимумами, вмещающий t_i вычисления оценки ошибки текущей фазы, вызванной многолучевостью по формуле (2):

где γ - отношение амплитуд отраженного и прямого сигналов;

Δϕ_i - текущая ошибка фазы;

ψ_i - разность фаз прямого и отраженного сигналов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сглаживание отсчетов амплитуды и ковариаций выполняется по формуле (3)

где - обновленная оценка сглаживаемой величины;

- предыдущая оценка;

Х_i - вновь поступивший в обработку элемент выборки сглаживаемого параметра;

α - коэффициент сглаживания.

РИСУНКИРисунок 1