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基于统计质量控制的测距故障检测方法

张鑫;崔晓伟;冯振明

【摘要】卫星导航接收机在城区环境使用时,多径信号的存在使得码自相关函数发

生畸变,从而导致测距结果与真实距离间出现较大偏差.现有的接收机基带多径消除

算法复杂度高,实现较为困难.而接收机自主正直性监测(RAIM)算法的故障检测能力

有限,难以同时检测多个测距故障.提出使用统计质量控制方法来实现对测距故障的

检测,根据质量控制图的输出结果调整测距信息在定位解算中的权重,从而提高定位

精度.该方法能够对每颗卫星的码跟踪性能进行单独监测,算法实现的复杂度低.仿真

结果表明:使用该方法能够有效指示多径信号导致的测距误差,从而为改善城区环境

下的定位精度提供了新思路.

【期刊名称】《传感器与微系统》

【年(卷),期】2014(033)004

【总页数】4页(P150-153)

【关键词】多径;测距误差;故障检测;统计质量控制

【作者】张鑫;崔晓伟;冯振明

【作者单位】清华大学电子工程系,北京100084;清华大学电子工程系,北京

100084;清华大学电子工程系,北京100084

【正文语种】中文

【中图分类】TN967.1

在城区环境，来自某些方位的卫星信号与建筑物反射信号进行叠加而形成多径信号。

接收机在跟踪多径信号时码相关函数会发生畸变，导致测距出现误差,利用含有测

距误差的观测量进行定位会导致定位结果发生偏移。

现有的削弱多径信号对定位结果影响的方法可划分如下:其一是使用高精度抗多径

天线，抑制多径信号的接收[1,2],这种方法从源头上扼制了多径信号接收，但使得

接收机体积增大，成本增高。其二是在接收机基带跟踪中添加多径信号参数估计与

多径信号消除算法[3～5],该类算法实现复杂度较高。在接收机同时跟踪多颗卫星

信号时，如果对每路信号都执行多径消除算法，则计算实时性难以保证。另一种是

接收机自主正直性监测(RAIM)算法，通过对定位解算后的残差进行一致性检测来

排除故障观测量[6,7]。但RAIM算法只利用了伪距残差信息，而没有使用在接收

机对导航信号进行跟踪时获得的信息,这使得该算法在多个测距故障同时发生时无

法进行有效检测且检测性能对可见卫星的星座分布十分敏感[7]。

事实上，随着多个卫星导航系统的建设与完善，可见卫星数目显著增加。在这种情

况下，接收机可以直接剔除含有测距误差的观测量，而不会引起定位精度因子

(DOP)的恶化(DOP值由可见卫星的几何分布决定，其值越小，表示定位性能越好)，

因此，无需对多径信号参数进行估计。另一方面，在检测到故障观测量后，也可不

直接剔除，而是通过降低该观测量在定位解算中的权重以削弱其对定位结果的影响，

这样则不会影响DOP值。

为此，本文提出一种新的测距故障检测方法，使其能够充分利用信号跟踪过程中的

信息，与RAIM算法相比有效提升了故障检测能力。而相比于多径消除算法,则大

幅降低计算复杂度，能够在可见星较多时满足实时性要求。该方法从质量控制角度

出发[8,9]，借助质量控制领域中的统计监测方法实现对信号跟踪过程的质量监测，

以判别是否存在测距故障。

算法的设计思路如图1所示。

如图1所示，本文把测距信息的提取看作一个生产过程，直达信号为正常的输入

信息,噪声和多径信号为不可控的输入信息。通过对信号跟踪内部信息监测(提取质

量控制观测量)，使用统计质量控制方法判别测距结果是否存在异常。如果在质量

控制过程中检测到测距异常，则将其以加权的形式反馈到定位解算模块中，即降低

异常观测量在定位中的权重(权重为零时表示舍弃该观测量，这与RAIM算法中隔

离故障观测量的思路是一致的)。

统计质量控制方法中的常用工具为控制图,选取合适的控制图可以对质量控制观测

量的统计特性(均值、方差等)的变化进行快速有效的检测。如果质量控制观测量能

够较为准确地反映系统运行的真实情况，则利用该观测量构造的控制图可以对系统

运行质量即测距信息提取的质量进行评估。可见，本文所提算法的核心在于设计质

量控制观测量和建立控制图，其实现方法将在第4章中详细说明。

2.1多径信号模型

包含有多径信号的接收卫星信号表达式为

r(t)=AC(t)cos(2πfdt+φ0)+r(t)+φ0+φk(t)).

其中,A为中频信号幅度，C(t)表示卫星的伪随机码信号，fd为多普勒频率，φ0为

初始相位，αk表示第k个多径信号相对于直达信号的衰减幅度，τk表示第k个多

径信号的延迟，φk(t)表示第k个多径信号的相位变化函数,