城市峡谷环境静态与动态北斗B1I信号多径信道统计模型对比分析| 陈新
BDS B1I multipath channel statistical model comparison between static and dynamic scenarios in dense urban canyon environment
Xin Chen* , Di He and Ling Pei
Satellite Navigation(2020)1:26
引用文章:
Chen, X., He, D. & Pei, L. BDS B1I multipath channel statistical model comparison between static and dynamic scenarios in dense urban canyon environment. Satell Navig 1, 26 (2020). https://doi.org/10.1186/s43020-020-00027-7.
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Editorial Summary
GNSS: BDS B1I multipath channel model
Global Navigation Satellite System (GNSS) multipath channel models are fundamental and critical for signal simulation and receiver performance evaluation. They also aid the designing of suitable multipath error mitigation algorithms when the properties of multipath channel are available. However, there is insufficient existing research on BeiDou Navigation Satellite System (BDS) signal multipath channel models. In this study, multipath channel statistical models are established on the basis of extensive datasets of the BDS B1I signal. A multipath parameter estimation algorithm is designed to extract information of multipath rays from the intermediate frequency data. The delay, power loss, doppler fading frequency, and lifetime distribution models for static and dynamic vehicle platforms are established and compared, and the effects of the satellite orbit type and platform speed on the models are analyzed. The results reveal the detailed distribution and variation characteristics of the multipath parameters and are valuable for the development of accurate urban navigation systems.
本文亮点
本文通过对上海陆家嘴城市峡谷环境静态和动态车载运动状态下北斗B1I中频信号的大规模数据采集和分析，系统性研究了多径信道延迟、能量衰减、多普勒衰落频率和多径生命周期四个核心参数的统计模型。
研究发现多径信号延迟参数服从Gamma分布，模型参数与卫星仰角有关，而与卫星轨道类型和载体运动速度无关。
多径信号能量衰减服从线性能量延迟衰落模型，模型参数与卫星轨道类型、载体运动速度和卫星仰角无关。
在载体静止状态下，多径多普勒衰落频率服从对称指数分布，指数分布模型参数与卫星轨道类型密切相关；在载体运动状态下，多径多普勒衰落频率服从正态分布，模型参数与载体运动速度密切相关。
多径生命周期模型服从GPD分布。在载体静止状态下模型参数与卫星轨道类型相关；在载体运动状态下模型参数与运动速度相关。
内容简介
GNSS多径信道统计模型对于卫星导航信号模拟器的研制和接收机性能的提升有至关重要的作用。但是我们发现关于北斗卫星导航系统的多径信道模型研究还较为匮乏，尚无经过真实卫星导航信号数据充分验证的模型成果。对此，课题组对上海陆家嘴城市峡谷环境静态和动态车载运动状态下北斗B1I中频信号进行了大规模数据采集，并设计了针对性的多径参数估计算法对所采集的中频数据进行处理分析，系统性研究了多径信道延迟、能量衰减、多普勒衰落频率和多径生命周期四个核心参数的统计模型，并分析了卫星轨道类型、卫星仰角、载体运动速度等因素对模型参数的影响。该研究成果对于北斗卫星导航信号在复杂环境下的精确建模和性能提升有重大意义。
I.城市峡谷环境北斗B1I信号中频数据大规模采集
自2015年至2017年，课题组在车载平台上安装宽带卫星导航信号中频采集器和高精度RTK/INS组合导航接收机，对上海陆家嘴地区静止状态下北斗B1I信号进行了采集。采集地点一共有16个，基本均匀分布在该地区，每个采集点记录数据时长不少于30分钟。在2018年，课题组又对陆家嘴地区的动态场景进行了广泛的数据采集。车体运动速度在0km/h至50km/h之间，总采集数据量超过2TB。
（a）
（b）
图1 城市峡谷环境北斗B1I信号中频数据大规模采集点地图（（a）静止状态采集地点；（b）运动状态采集地点）II.多径延迟分布模型
研究发现，多径信道延迟服从Gamma分布，模型参数与卫星仰角有关，而与卫星轨道类型和载体运动速度无关。
其中
图2 BDS B1I多径信道延迟参数分布模型。（a）静止状态下北斗MEO卫星、IGSO卫星和GEO卫星多径延迟分布；（b）运动状态下北斗MEO卫星、IGSO卫星和GEO卫星多径延迟分布
III.多径能量衰减模型
多径信号能量衰减服从线性能量延迟衰落模型，模型参数与卫星轨道类型、载体运动速度和卫星仰角无关。用
IV.多径信号多普勒衰落频率分布模型
在载体静止状态下，多径多普勒衰落频率服从对称指数分布，指数分布模型参数与卫星轨道类型密切相关：
在载体运动状态下，多径多普勒衰落频率服从正态分布，模型参数与载体运动速度密切相关：
其中
（a）
（b）
图4 多径多普勒衰落频率分布模型。（a）静止状态下北斗MEO卫星、IGSO卫星和GEO卫星多普勒衰落频率分布；（b）运动状态下北斗MEO卫星、IGSO卫星和GEO卫星多普勒衰落频率分布
V.多径生命周期分布模型
多径生命周期模型服从Generalized Pareto Distribution (GPD)分布。在载体静止状态下模型参数与卫星轨道类型相关；在载体运动状态下模型参数与运动速度相关。
图5 多径生命周期分布模型。（a）静止状态下北斗MEO卫星、IGSO卫星和GEO卫星多径生命周期分布；（b）运动状态下北斗MEO卫星、IGSO卫星和GEO卫星多径生命周期分布
作者简介
陈新 副教授
本文第一和通讯作者上海交通大学
▍作者简介陈新，上海交通大学电子信息与电气工程学院，副教授。一直从事卫星导航领域信号处理算法研究与教学。现为IEEE资深会员，ION会员，ION软件无线电中频原数据国际标准工作组委员，中文期刊《全球定位系统》编委。主持和参与国家自然科学基金项目、国家重点研发计划课题、上海市科委重点项目、中兴通讯公司产学研基金等17项。已发表SCI/EI论文30余篇，申请和授权发明专利10余项，撰写英文著作1部。获得2017国家科技进步二等奖1项，2016上海市科技进步特等奖1项，第六届中国卫星导航学术年会青年优秀论文1项，第十届中国卫星导航年会优秀报告奖1项。牵头制定国家标准1项，参与制定国际标准1项。
撰稿：本文作者
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
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