GPS測量中的多路徑分析綜述

■趙立都

（長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院 陜西西安710064）

GPS測量中的多路徑分析綜述

■趙立都

（長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院 陜西西安710064）

作為影響GPS測量信號的干擾源，多路徑效應(yīng)為眾多研究者所關(guān)注。多路徑效應(yīng)使得GPS測量的精度降低，嚴重時還將引起信號失鎖。針對這一問題，本文綜述了多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的原理、作用特性、影響規(guī)律以及目前處理多路徑誤差的技術(shù)。

GPS多路徑效應(yīng)直射信號反射信號數(shù)據(jù)后處理

1　引言

在高精度GPS測量各種誤差源中許多誤差諸如星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差、大氣折射誤差和接收機鐘差，都可以通過改正模型或差分技術(shù)得到減弱或消除。但是多路徑效應(yīng)在基線兩端不具有相關(guān)性[1]，無法通過上述方法減弱或消除，從而使多路徑誤差成為GPS測量的主要誤差源，因此如何削弱多路徑誤差成為高精度GPS測量主要問題。本文闡述了多路徑產(chǎn)生的機理、特性及影響規(guī)律，為測繪工作者工程實踐提供參考與依據(jù)。

2　多路徑特性分析

2.1多路徑產(chǎn)生機理

在正常情況下，衛(wèi)星信號沿光程最小的路徑從衛(wèi)星直接到達接收機天線。如果天線附近有反射物體，到達接收機天線的信號為直接信號和反射信號的疊加信號，反射信號對觀測值的影響產(chǎn)生了一個附加的時延量，這種現(xiàn)象稱為多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)嚴重時會導(dǎo)致信號失鎖，多路徑效應(yīng)是GPS測量的主要誤差源[2]。

設(shè)直接信號為

反射信號為

這里V和φ為直接信號的振幅和相位，aV為反射信號的振幅，0≤α≤1，θ為反射信號對直射信號的相移，則合成的接收信號為：

式中ψ為由接收機多路徑干擾引起的載波相位誤差。經(jīng)簡單推導(dǎo)得到：

由于衛(wèi)星、反射體和天線的幾何變化，θ隨時間緩慢變化，導(dǎo)致載波相位多路徑誤差ψ的周期性變化。對于給定的α，對（2）式求極值可得出，當(dāng)θ=±arccos(-α)時，ψ達到最大值為ψmax=± arcsinα，由此可知，多路徑載波相位誤差的振幅僅取決于反射信號的相對信號強度。當(dāng)α=1時，得到這一最大誤差為90°，對于L1頻率而言，相當(dāng)于4.8cm的距離誤差，對于L2頻率而言，相當(dāng)于6.2cm的距離誤差。

2.2多路徑特性

由多路徑誤差產(chǎn)生的機理可知，多路徑誤差與衛(wèi)星相對于天線的空間關(guān)系以及天線周圍的地物環(huán)境有關(guān)。有關(guān)研究表明,多路徑誤差可分為兩部分[3]，即周期性部分，通過增加觀測時間可以消除；固定部分，即使多次重復(fù)觀測也消除不了的，因為多路徑效應(yīng)在各站之間無相關(guān)性。多路徑效應(yīng)的大小也與衛(wèi)星高度角有關(guān)，衛(wèi)星高度角越低，影響就會越大[4]。

3　多路徑誤差的減弱措施

由于多路徑誤差具有時空環(huán)境效應(yīng)的特殊性質(zhì)，它不同于其他GPS測量的誤差可以通過差分或改正模型來消除和改正，因此國內(nèi)許多學(xué)者對多路徑誤差做了大量的分析和研究。本文將把這些成果從外業(yè)觀測、接收機硬件、數(shù)據(jù)后處理三個方面進行歸納、分析和比較，對測繪工作者在外業(yè)觀測和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理都有借鑒意義。

3.1外業(yè)觀測的處理

由上述多路徑誤差的產(chǎn)生機理可知，多路徑誤差是由反射信號造成的。因此削弱多路徑誤差影響的最有效途徑就是在數(shù)據(jù)采集時點位的選擇應(yīng)盡量避開各種反射源。因此，選擇合適的站址時需要考慮以下因素：①測站應(yīng)離開高層建筑物、湖面、枝葉茂密的樹林、高壓線等能產(chǎn)生不利反射信號的地區(qū)，遠離電磁波強輻射的GPS信號干擾源；②測站周圍地面能較好地吸收微波信號的能量，比如灌木叢、草地和其他地面植被；③觀測時，人不應(yīng)走近并高于天線。注意汽車也不要停放在離測站很近的地方。

3.2接收機硬件處理

接收機的改進技術(shù)主要是改進跟蹤環(huán)路來削弱多路徑效應(yīng)的方法[6]。目前改進技術(shù)主要包括一下幾個方面：①用扼流圈天線，阻斷較低高度角的衛(wèi)星信號和多路徑信號；②在底部安裝抑徑板，隔斷反射物反射的低于天線的多路徑信號，可使多路徑誤差減少近1/3[7]；③采用右旋極化天線，削弱左旋信號的接收強度；④采用組合天線,提高組合天線主瓣增益，減弱多路徑影響。

3.3數(shù)據(jù)后處理技術(shù)

后處理方法的主要思想是承認所測的數(shù)據(jù)中包含有多路徑信息。從原始觀測數(shù)據(jù)中去除或者減小多路徑效應(yīng)的影響，從而得到較“干凈”的數(shù)據(jù)，再利用這些“干凈”的數(shù)據(jù)求得基線向量?，F(xiàn)有的后處理較常用的方法是建立多路徑效應(yīng)模型。目前已被廣泛使用的濾波方法有小波變換法、EMD濾波法、Vondrak濾波、卡爾曼濾波等。

4　結(jié)論和展望

由于多路徑效應(yīng)不同于GPS測量中的其他誤差,它具有較強的時空環(huán)境效應(yīng)，在一定的客觀環(huán)境條件下，它具有系統(tǒng)誤差的特點，然而當(dāng)客觀環(huán)境條件發(fā)生變化時，它又表現(xiàn)出一定的偶然性，目前還很難用一個簡單而又確切的數(shù)學(xué)模型來全面描述多路徑誤差影響的規(guī)律性。盡管目前已出現(xiàn)了多種新的多路徑誤差處理技術(shù)，但是由于多路徑誤差有其復(fù)雜的特性和產(chǎn)生形式，一些更有效地削弱多路徑誤差的方法和技術(shù)還需要進一步的研究和探討。

[1]戴吾蛟,丁曉利,朱建軍.GPS動態(tài)變形測量中的多路徑效應(yīng)特征研究 [J].大地測量與地球動力學(xué),2008,28(1):65-70.

[2]李征航,黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理 [M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2012:12

[3]何麗敏,李小紅.淺談GPS多路徑效應(yīng)及誤差處理技術(shù) [J].測繪與空間地理信息. 2013,36(11):133-137.

[4]吉緒發(fā),盧辰龍.GPS多路徑誤差濾波方法比較研究 [J].測繪通報,2015(4):10-13. [5]董緒榮,張守信,華仲春.GPS/INS組合導(dǎo)航定位及其應(yīng)用 [M].長沙：國防科技大學(xué)出版社,1998.

[6]王利,劉超,范麗紅等.一種GPS接收機抑徑性能檢測新方法 [J].工程勘察,2015(2): 64-68.

[7]張光勝,李任之,程鋼.GPS多路徑效應(yīng)實驗測試與分析研究 [J].測繪工程,2014,23 (12):31-34.

P217[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-158-1

趙立都（1991～），男，大地測量學(xué)與測量工程專業(yè)，碩士研究生。