GNSS卫星导航信号多径性能及影响分析
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以解算出多径误差的近似表达式为[4]：
1 2
B /2 B /2
B /2
B /2
S ( f ) sin(2 f 1 ) sin( fd ) df
(3)
1 cos(2 f 1 )]df fS ( f ) sin( fd )[1
式中： a1 a1 / a0 表示多径信号与直达信号的幅度 时，符号“ ”取“-” ； B 为接收机前端带宽； d 为 相关器间隔。 平均多径误差也是一个衡量多径误差性能的 参数。其计算公式为： 图 1 直达信号与反射信号接收模型 Fig.1 Direct path and multipath received signals 通常将多径信号分为反射信号和散射信号两种。 由于散射信号对码跟踪的影响甚微，可将其模型化为 一个附加噪声项，故本文在分析导航信号的多径误差 时仅考虑反射信号的影响。多径接收信号的基带等效 形式为： 比。当 1 0 时，符号“ ”取“+” ；当 1 180
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
1 1 0 为多径信号相对直达信号的额外时延。
~
为直达信号的相位估计误差，1 1 0 为多径
信号相对于直达信号的相位差。多径误差就是 D( ) 0 的根偏移零点的数值。 对 EMLP 鉴别器， 多径误差极值出现在 1 0 o 和
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1 180o 时，再根据码跟踪平衡条件 D( ) 0 ，就可
资助信息：中国科学院方向性资助项目（KJCX2-YW-T12）；国家 973计划资助项目（2007CB815502）；国家自然科学基金委员重点 项目支持（11073022）；国家973计划资助项目（2007CB81552）， 卫星导航与定位教育部重点实验室（B类）开放基金课题。
都可以通过差分或建模来消除或减小，噪声和干扰可 以利用扩频技术减小，但唯独多径误差是没办法减小 或消除的，是影响高精度测距的主要误差源。 所谓的多径主要是由于卫星星体、空间传播或地 表环境等因素的综合影响，导致卫星发射信号产生反 射和散射， 从而接收机接收到的信号不仅有直达信号， 还有多路反射或散射信号，从而产生多径。多径效应 会导致伪距测量误差和载波相位测量，进而影响卫星
鉴别器函数，则接收信号与本地参考信号作相关输出 后鉴别器的输出可以表示为：
DEMLP [0R( - d/2) 1cos( 1 )R( - 1- d / 2)]2 [0 R( d/2) 1cos( 1 )R( - 1 d / 2)]2
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GNSS卫星导航信号多径性能及影响分析
贺成艳 1,2,3 郭际 1,2 卢晓春 1,2 王雪 1,2 饶永南 1,2,3 （1．中国科学院国家授时中心, 陕西西安 710600 中国 2． 中国科学院精密导航定位与定时重点实验室，陕西西安 710600 中国 3．中国科学院研究生院，北京 100190 中国） 【摘要】目前，多径问题仍然是制约高精度卫星导航定位的重要影响因素。卫星播发的信号易受周围 环境的影响而产生反射和散射，从而产生多径。多径效应会导致伪距测量误差和载波相位测量误差， 进而影响卫星导航定位精度。为进一步分析接收导航信号的多径性能及其对导航定位性能的影响，本 文从多径信号的产生机理出发，通过搭建仿真分析平台并构建数学仿真验证模型，从码伪距多径误差、 接收信号时域波形和调制误差、 相关特性等方面， 全面评估接收导航信号多径性能， 并分析多径对GNSS 定位性能带来的影响。研究结果表明，多径会对卫星导航定位产生一定程度影响，较严重时可产生几 米至几十米的定位误差。本文的研究成果可为我国导航卫星系统未来信号体制设计和系统相关建设提 供有价值的参考。 【关键词】卫星导航；信号；多径；性能；影响
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r(t) a0e x(t 0 ) ane x(t n )
j0 jn n1
N
a (1 )
(1)
式中： a0 为直达信号幅度； 0 为直达信号的相 位； x (t ) 为发送信号的复包络； 0 为直达信号的传 播时延； N 为反射多径信号的路径数目； an 为多径 信号的幅度； n 为多径反射信号的相位； n 为多径 反射信号的时延。 反射信号的接收导致码鉴别曲线的平衡点偏离 0 点，从而产生伪码跟踪偏差，即码多径误差[3]。因此， 多径误差分析须从鉴别器输出函数开始。由于实际的 多径环境是复杂多变的，在导航信号设计过程中均采 用单反射路径的分析模型。仅考虑一条反射路径时， 若采用非相干超前功率减滞后功率 (EMLP) 码相位
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
Multipath performance analysis of GNSS navigation signals
Chengyan HE 1,2,3, Ji GUO 1,2,Xiaochun LU 1,2, Xue WANG 1,2, Yongnan RAO1,2,3 1 National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, No.3 Shuyuan East Road, Lintong, Xi'an, Shaanxi, 710600, CHINA 2 Key Laboratory for Precise Navigation, Positioning and Timing of Chinese Academy of Sciences, Lintong, CHINA 3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190, CHINA E-mail: hechengyan@ntsc.ac.cn Abstract: Nowadays, multipath remains as an unsolved key problem for high precision applications such as satellite navigation and position. Because GNSS satellite broadcasting signals are subject to reflection and diffraction, just like any other type of electromagnetic waves, multipath is then caused by the reception of direct signal and reflected or diffracted signals at the same time. Multipath will result in errors in pseudorange measurement and carrier phase measurement, and thus affect the positioning accuracy. To verify the effects of multipath propagation on positioning performance, the principle of multipath is introduced in the beginning of this paper. Then based on a simulation platform and mathematical verifying model, the multipath performance and impact on positioning results of received GNSS signal is comprehensively demonstrated from different aspects, such as pseudorange multipath error, waveform shape, modulation error, and correlation characteristics, etc,. Results show the degradation of positioning performance when multipath signals were present, causing shift of the calculated position from several meters to tens of meters. Those results and data we have obtained from this paper can also be used as a valuable reference for Beidou future signal design and system constructions. Keywords: satellite navigation; signal; multipath; performance; impact
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1 ) 0} abs{a ( 1 ) 180} 1 1 abs{( a ( 1 1 1 ) [ 1 ]d ( 2 1 0
(4) 式中， a ( 1 ) 是多径时延在 [0, 1 ] 范围内的平
1 0 均多径误差， 为多径直达相位差为 0 度、 多径时延为 1 时的多径误差。
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
导航定位精度。 本文针对卫星导航信号多径现象，从多径产生机 理出发，建立数学模型并搭建仿真平台，研究该现象 对用户可能造成的影响。在介绍多径误差评估方法的 基础上，利用新疆天文台南山站25米天线采集的GPS 卫星B1频点信号进行实测分析，给出多径评估结果， 最后综合仿真结果和实测结果，给出接收卫星导航信 号多径评估结论。
1 d At Al R sin t l t 0 2 2 1 d S Ql (t ) At Al R sin t l t 0 2 2 S Qe (t )
[1sin( 1 )R( - 1- d / 2]2 [1sin( 1 )R( - 1 d / 2)]2 (2) 其 中 为 直 达 信 号 的 时 延 估 计 误 差 ，
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2 Hale Waihona Puke Baidu径产生机理及影响分析
直达信号、反射信号和散射信号由于各自传输路 径不同，信号之间存在相对相位和相对延迟，幅度特 性亦存在差异。进入接收机的信号由各路信号的叠加 而成， 故合路信号相比理想信号存在不同程度的畸变， 相关峰鉴别曲线过零点发生偏移，从而影响导航信号 测距精度。图 1 给出只有一路多径信号的简单多径信 号模型。
对于非相干延迟锁定环来说， 在没有多径干扰下， 积分器输出同相和正交支路的超前及滞后信号分别 为： d 1 S Ie (t ) At Al R cos t l t 0 2 2 d 1 S Il (t ) At Al R cos t l t 0 2 2
1 引言
卫星导航系统的定位是基于测量卫星发射口与接 收机天线相位中心之间的距离的[1]。但在卫星导航系 统的高精度应用中，对流层误差、电离层误差、钟差、 星历误差、多径误差、噪声、干扰、卫星定轨误差是 制约导航接收机精度提升的主要误差源[2]。然而，对 流层误差、电离层误差、钟差、星历误差和定轨误差
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B /2 B /2
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S ( f ) sin(2 f 1 ) sin( fd ) df
(3)
1 cos(2 f 1 )]df fS ( f ) sin( fd )[1
式中： a1 a1 / a0 表示多径信号与直达信号的幅度 时，符号“ ”取“-” ； B 为接收机前端带宽； d 为 相关器间隔。 平均多径误差也是一个衡量多径误差性能的 参数。其计算公式为： 图 1 直达信号与反射信号接收模型 Fig.1 Direct path and multipath received signals 通常将多径信号分为反射信号和散射信号两种。 由于散射信号对码跟踪的影响甚微，可将其模型化为 一个附加噪声项，故本文在分析导航信号的多径误差 时仅考虑反射信号的影响。多径接收信号的基带等效 形式为： 比。当 1 0 时，符号“ ”取“+” ；当 1 180
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1 1 0 为多径信号相对直达信号的额外时延。
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为直达信号的相位估计误差，1 1 0 为多径
信号相对于直达信号的相位差。多径误差就是 D( ) 0 的根偏移零点的数值。 对 EMLP 鉴别器， 多径误差极值出现在 1 0 o 和
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资助信息：中国科学院方向性资助项目（KJCX2-YW-T12）；国家 973计划资助项目（2007CB815502）；国家自然科学基金委员重点 项目支持（11073022）；国家973计划资助项目（2007CB81552）， 卫星导航与定位教育部重点实验室（B类）开放基金课题。
都可以通过差分或建模来消除或减小，噪声和干扰可 以利用扩频技术减小，但唯独多径误差是没办法减小 或消除的，是影响高精度测距的主要误差源。 所谓的多径主要是由于卫星星体、空间传播或地 表环境等因素的综合影响，导致卫星发射信号产生反 射和散射， 从而接收机接收到的信号不仅有直达信号， 还有多路反射或散射信号，从而产生多径。多径效应 会导致伪距测量误差和载波相位测量，进而影响卫星
鉴别器函数，则接收信号与本地参考信号作相关输出 后鉴别器的输出可以表示为：
DEMLP [0R( - d/2) 1cos( 1 )R( - 1- d / 2)]2 [0 R( d/2) 1cos( 1 )R( - 1 d / 2)]2
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GNSS卫星导航信号多径性能及影响分析
贺成艳 1,2,3 郭际 1,2 卢晓春 1,2 王雪 1,2 饶永南 1,2,3 （1．中国科学院国家授时中心, 陕西西安 710600 中国 2． 中国科学院精密导航定位与定时重点实验室，陕西西安 710600 中国 3．中国科学院研究生院，北京 100190 中国） 【摘要】目前，多径问题仍然是制约高精度卫星导航定位的重要影响因素。卫星播发的信号易受周围 环境的影响而产生反射和散射，从而产生多径。多径效应会导致伪距测量误差和载波相位测量误差， 进而影响卫星导航定位精度。为进一步分析接收导航信号的多径性能及其对导航定位性能的影响，本 文从多径信号的产生机理出发，通过搭建仿真分析平台并构建数学仿真验证模型，从码伪距多径误差、 接收信号时域波形和调制误差、 相关特性等方面， 全面评估接收导航信号多径性能， 并分析多径对GNSS 定位性能带来的影响。研究结果表明，多径会对卫星导航定位产生一定程度影响，较严重时可产生几 米至几十米的定位误差。本文的研究成果可为我国导航卫星系统未来信号体制设计和系统相关建设提 供有价值的参考。 【关键词】卫星导航；信号；多径；性能；影响
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N
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式中： a0 为直达信号幅度； 0 为直达信号的相 位； x (t ) 为发送信号的复包络； 0 为直达信号的传 播时延； N 为反射多径信号的路径数目； an 为多径 信号的幅度； n 为多径反射信号的相位； n 为多径 反射信号的时延。 反射信号的接收导致码鉴别曲线的平衡点偏离 0 点，从而产生伪码跟踪偏差，即码多径误差[3]。因此， 多径误差分析须从鉴别器输出函数开始。由于实际的 多径环境是复杂多变的，在导航信号设计过程中均采 用单反射路径的分析模型。仅考虑一条反射路径时， 若采用非相干超前功率减滞后功率 (EMLP) 码相位
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
Multipath performance analysis of GNSS navigation signals
Chengyan HE 1,2,3, Ji GUO 1,2,Xiaochun LU 1,2, Xue WANG 1,2, Yongnan RAO1,2,3 1 National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, No.3 Shuyuan East Road, Lintong, Xi'an, Shaanxi, 710600, CHINA 2 Key Laboratory for Precise Navigation, Positioning and Timing of Chinese Academy of Sciences, Lintong, CHINA 3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190, CHINA E-mail: hechengyan@ntsc.ac.cn Abstract: Nowadays, multipath remains as an unsolved key problem for high precision applications such as satellite navigation and position. Because GNSS satellite broadcasting signals are subject to reflection and diffraction, just like any other type of electromagnetic waves, multipath is then caused by the reception of direct signal and reflected or diffracted signals at the same time. Multipath will result in errors in pseudorange measurement and carrier phase measurement, and thus affect the positioning accuracy. To verify the effects of multipath propagation on positioning performance, the principle of multipath is introduced in the beginning of this paper. Then based on a simulation platform and mathematical verifying model, the multipath performance and impact on positioning results of received GNSS signal is comprehensively demonstrated from different aspects, such as pseudorange multipath error, waveform shape, modulation error, and correlation characteristics, etc,. Results show the degradation of positioning performance when multipath signals were present, causing shift of the calculated position from several meters to tens of meters. Those results and data we have obtained from this paper can also be used as a valuable reference for Beidou future signal design and system constructions. Keywords: satellite navigation; signal; multipath; performance; impact
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1 ) 0} abs{a ( 1 ) 180} 1 1 abs{( a ( 1 1 1 ) [ 1 ]d ( 2 1 0
(4) 式中， a ( 1 ) 是多径时延在 [0, 1 ] 范围内的平
1 0 均多径误差， 为多径直达相位差为 0 度、 多径时延为 1 时的多径误差。
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
导航定位精度。 本文针对卫星导航信号多径现象，从多径产生机 理出发，建立数学模型并搭建仿真平台，研究该现象 对用户可能造成的影响。在介绍多径误差评估方法的 基础上，利用新疆天文台南山站25米天线采集的GPS 卫星B1频点信号进行实测分析，给出多径评估结果， 最后综合仿真结果和实测结果，给出接收卫星导航信 号多径评估结论。
1 d At Al R sin t l t 0 2 2 1 d S Ql (t ) At Al R sin t l t 0 2 2 S Qe (t )
[1sin( 1 )R( - 1- d / 2]2 [1sin( 1 )R( - 1 d / 2)]2 (2) 其 中 为 直 达 信 号 的 时 延 估 计 误 差 ，
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2 Hale Waihona Puke Baidu径产生机理及影响分析
直达信号、反射信号和散射信号由于各自传输路 径不同，信号之间存在相对相位和相对延迟，幅度特 性亦存在差异。进入接收机的信号由各路信号的叠加 而成， 故合路信号相比理想信号存在不同程度的畸变， 相关峰鉴别曲线过零点发生偏移，从而影响导航信号 测距精度。图 1 给出只有一路多径信号的简单多径信 号模型。
对于非相干延迟锁定环来说， 在没有多径干扰下， 积分器输出同相和正交支路的超前及滞后信号分别 为： d 1 S Ie (t ) At Al R cos t l t 0 2 2 d 1 S Il (t ) At Al R cos t l t 0 2 2
1 引言
卫星导航系统的定位是基于测量卫星发射口与接 收机天线相位中心之间的距离的[1]。但在卫星导航系 统的高精度应用中，对流层误差、电离层误差、钟差、 星历误差、多径误差、噪声、干扰、卫星定轨误差是 制约导航接收机精度提升的主要误差源[2]。然而，对 流层误差、电离层误差、钟差、星历误差和定轨误差