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1、1、多路径误差的概念:多路径(Multipath)误差:在GPS测量中,被测站附近的物体所反射的卫星信号(反射波)被接收机天线所接收,与直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉,从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。2、多路径效应对接收信号的影响:2.1 反射波:2.2 受多路径效应影响的情况下的接收信号受多个反射信号影响的情况3、多径信号的模型:下面主要对镜面反射进行讨论,信号经多径传播后,GPS接收机接收到的信号为: (式1)其中:N 为多径的数目i: 第i 径反射信号的衰减系数(相对直达信号)且0=1A: 直达信号的幅度i: 第i 径反射信号的载波相位c: 载波频率 C(t-i):
2、第i 路延迟C/A 码, 而且0=0n(t): 均值为零的加性高斯白噪声(AWGN)。由此可以看出, 多径信号由反射信号的幅度、相位、延迟以及载波相位的变化决定。4、消除多径效应误差的措施:多径误差不仅与卫星信号方向、反射系数有关,还与反射物到测站的距离有关,至今无法建立改正模型,现有的减弱多径效应的方法主要有以下三方面:(1)观测上:选择合适的测站,避开易产生多路径的环境(2)硬件上:采用抗多路径误差的仪器设备a、抗多路径的天线:带抑径板或抑径圈的天线,极化天线b、抗多路径的接收机:窄相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等(3)软件上
3、:加权、参数法、滤波法、信号分析法5、如何消除多径效应的具体实现方法:5.1如何消除多径效应对伪码的影响:GPS 信号采用扩频调制技术, 导航数据首先被C/A 码扩频调制, 然后再对载波进行BPSK 调制, 因此, 在GPS 接收机中必须采用两个环路分别跟踪载波和C/A 码。码跟踪环和载波跟踪需要相互配合才能正确跟踪到信号。载波跟踪环一般采用Costas 环,因为Costas 环对载波上的调制信号不敏感, 对未解调的GPS 信号是非常适合的。C/A 码跟踪环通常采用延迟锁相环(Delay Lock Loop DLL), 以实现对C/A 码传输延时的最大似然估计(ML)。在码跟踪环中, 有6 个
4、相关器, 即在正交通道上有3 个: 早相关器、晚相关器和即时相关器。在同相通道上也有3个相关器: 早相关器、晚相关器和即时相关器。接收到的信号首先分为两路, 分别被本地产生的两路正交载波相乘, 形成正交通道和同相通道的输入信号, 再分别与本地的早码、晚码、即时码分别相关。结果再送到码环鉴别器进行处理, 如图1。图1 同相I 通道的DLL C/A 码跟踪环实际上, 接收到的GPS 中频信号, 与载波(同相和正交)相乘、再分别与C/A 码的早、即时、晚码相乘, 然后经过积分与清除模块, 是为了实现相关运算, 其最后输出为: (早相关量)(式2)用 C/A 码相关函数来表示: (式3)其中:为C/A
5、码的自相关函数。同理, 晚相关分量:即: (式4)采用相干鉴相器, 则鉴相器的输出为:(式5)这里:,R()是C/A 码的自相关函数。在没有多径时, C/A 码的自相关函数是标准的三角形;当存在多径后, 三角形发生畸变变成了多边形如图2、图3 所示。g()=R(-d )-R(+d ) 就是不存在多径时,理想条件下的鉴相曲线, 通常称为S-曲线。C/A 码的理想S-曲线如图4。图2 一条多径且相位与直达信号同相时的自相关函数图3 一条多径且相位与直达信号反相时的自相关函数图4 鉴相器归一化后的S-曲线 (理想情况)(S-曲线: E-L=1Tc)可采用自适应滤波器对鉴相函数进行修正。5.1如何消除
6、多径效应对载波相位的影响:利用锁相环提取载波的另一种常用方法如下图5所示。这种环路中,压控振荡器提供两路相互正交的载波和,与输入的二相PSK信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相,经低通滤波器后得到v5,v6,再送到一个乘法器相乘,去掉v5,v6中的数字信号,得到反映VCO与输入载波相位之差的误差控制信号v7。因此,通常称这种环路被称为同相正交环,有时也被称为科斯塔斯环,由上可知,GPS中可采用Costas 环对载波相位进行跟踪。图5 科斯塔斯环法提取载波输入的抑制载波信号为Smp(t),则 (式6)经低通后的输出分别为 (式7)乘法器的输出为 (式8)式中是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。当较小时,式8可以近似地表示为 (式9) 式8中的大小与相位误差成正比,因此,它就相当于一个鉴相器的输出。用去调整压控振荡器输出信号的相位,最后就可以使稳态相位误差减小到很小的数值。这样压控振荡器的输出就是所需要提取的载波。不仅如此,当减小到很小的时候,=cos(ct+)就接近于调制信号,因此,同相正交环法同时还具有了解调功能,目前在许多接收机中已经到了使用。科斯塔斯环的优点有两个:一是科斯塔斯环工作在c频率上,比平方环工作频率低,且不用平方器件和分频器; 二是当环路正常锁定后,同相鉴相器的输出就是所需要解调的原数字序列。因此,这种电路具有提取载波和相干解调的双重功能。