多路徑效應(yīng)影響GPS測(cè)量精度分析探討

孟 巍，楊開偉

（1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)43分隊(duì)，葫蘆島 125001；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050081）

1 引言

近年來，GPS現(xiàn)代化不斷發(fā)展，隨著2010年8月1日美國(guó)第一顆block llF衛(wèi)星的發(fā)射，導(dǎo)航定位信號(hào)擴(kuò)展到L1、L2和L5，開啟了導(dǎo)航定位的新格局[1]。自此全球廣大用戶可以使用GPS載波相位技術(shù)在信號(hào)未受到干擾的情況下獲得厘米級(jí)、甚至毫米級(jí)精度。然而，經(jīng)過傳播到達(dá)地面的GPS信號(hào)強(qiáng)度較為微弱，易受到各種因素干擾，其中多路徑效應(yīng)引起的誤差是影響GPS測(cè)量精度的顯著因素。分析探討多路徑效應(yīng)在GPS實(shí)際測(cè)量中的影響程度、規(guī)律及其消除方法是提高GPS測(cè)量精度的重要課題。

2 多路徑效應(yīng)及其特性

2.1 多路徑效應(yīng)

從GPS衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心直接到達(dá)信號(hào)接收天線相位中心的信號(hào)，稱為直接波。當(dāng)發(fā)射信號(hào)由于受到附近的物體地面、水面、建筑物、樹林等發(fā)生散射時(shí)，出現(xiàn)了反射波。實(shí)際上，GPS接收機(jī)所接收的信號(hào)應(yīng)該是直射波與反射波的合成波。這種由多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱作多路徑效應(yīng)，是GPS測(cè)量中的一種重要誤差源，嚴(yán)重?fù)p害GPS測(cè)量精度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起信號(hào)失鎖。所謂多路徑誤差，就是反射波對(duì)直射波的破壞性干涉而引起的測(cè)站至衛(wèi)星距離誤差，導(dǎo)致GPS信號(hào)的能量發(fā)射衰減和相位發(fā)生延遲。

圖1 多路徑效應(yīng)圖

2.2 多路徑效應(yīng)的特性

（1）與時(shí)空環(huán)境相關(guān)。與衛(wèi)星相對(duì)于地物的空間位置有關(guān)，與地物對(duì)GPS信號(hào)的反射能力有關(guān)，即與發(fā)射物的反射系數(shù)有密切關(guān)系。

（2）與接收機(jī)的性能（抑制能力）有關(guān)。GPS接收機(jī)都有不同的工作原理，所以跟蹤和鎖定GPS衛(wèi)星信號(hào)的過程會(huì)有所不同，那么會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)輸出的觀測(cè)量受到的多路徑效應(yīng)的影響不一樣。

（3）與衛(wèi)星運(yùn)行周期有關(guān)。衛(wèi)星空間結(jié)構(gòu)相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)是依衛(wèi)星的運(yùn)行周期而重復(fù)的，因此產(chǎn)生多路徑的場(chǎng)景也是重復(fù)的，這直接導(dǎo)致它具有重復(fù)性。

（4）與一定頻率相關(guān)。當(dāng)產(chǎn)生多路徑的場(chǎng)景一致時(shí)，反射介質(zhì)的反射特性也一致，多路徑信號(hào)隨著衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)而不斷改變其入射角，而這種物理現(xiàn)象的產(chǎn)生和結(jié)束都是在一定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行的。

3 多路徑效應(yīng)實(shí)例分析

以三個(gè)GPS測(cè)量D級(jí)點(diǎn)（A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)）作為測(cè)量真值進(jìn)行多路徑效應(yīng)影響實(shí)例分析：

A點(diǎn)和B點(diǎn)位于山體中部位置，主要受到山上植被反射影響；C點(diǎn)位于開闊空地，周圍無遮擋與干擾源干擾。選擇在不同的季節(jié)時(shí)間所形成的不同條件，單點(diǎn)定位精度分析方法是將一臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)（GPS L1、L2頻點(diǎn)，記錄頻率20Hz）分別架設(shè)A 點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)上，靜態(tài)條件下連續(xù)觀測(cè)1h，采集數(shù)據(jù)處理之后得出如表1～表3結(jié)果。

表1 A點(diǎn)時(shí)空環(huán)境變化影響分析

表2 B點(diǎn)時(shí)空環(huán)境變化影響分析

表3 C點(diǎn)時(shí)空環(huán)境變化影響分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出同一臺(tái)接收機(jī)在同一時(shí)間位于不同環(huán)境下：A、B點(diǎn)位于山坡位置、C點(diǎn)位于開闊空地，其定位精度受多路徑效應(yīng)影響的情況顯著，而與時(shí)間變化沒有明顯關(guān)系。

4 多路徑誤差削弱技術(shù)

4.1 GPS測(cè)量環(huán)境

GPS測(cè)量位置周圍應(yīng)選擇開闊平坦地點(diǎn)，盡量不要架設(shè)于山坡、山谷、盆地底等位置，周圍不應(yīng)有大面積的平靜的水面，附近不應(yīng)有高層建筑物；盡可能地使GPS測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離發(fā)射源50m以外，這樣可以排除或極大地減弱發(fā)射信號(hào)的干擾；同時(shí)為了提高測(cè)量精度可以延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間對(duì)消除或消弱多路徑誤差是必要的。

4.2 硬件設(shè)計(jì)

接收機(jī)天線應(yīng)配備抑徑圈或抑徑板。接收機(jī)天線對(duì)于極化方向不同的信號(hào)應(yīng)該有較強(qiáng)的抑制作用。

接收機(jī)內(nèi)部跟蹤環(huán)路進(jìn)行改進(jìn)來削弱多路徑影響：窄相關(guān)技術(shù)和多路徑估計(jì)技術(shù)改進(jìn)多路徑對(duì)延遲鎖定環(huán)路（DLL）的影響；多路徑估計(jì)延遲鎖定環(huán)（MEDLL）和選通脈沖相關(guān)器技術(shù)很好地減弱高頻多路徑信號(hào)，通過載波平滑技術(shù)可充分減小碼多路徑。

4.3 數(shù)據(jù)后處理

數(shù)據(jù)后處理主要是從原始觀測(cè)數(shù)據(jù)或定位結(jié)果數(shù)據(jù)中提取多路徑效應(yīng)的影響，具體方法主要有：選星法、信噪比法、多路徑重復(fù)性方法。

（1）選星法。若測(cè)站觀測(cè)較多的衛(wèi)星，可對(duì)參與后處理的衛(wèi)星進(jìn)行選擇，去掉某顆衛(wèi)星在某一時(shí)間段或某一高度角以下的觀測(cè)數(shù)據(jù)。這種方法思路簡(jiǎn)單，實(shí)用方便，但局限性大。

（2）小波分析法。對(duì)高精度載波相位測(cè)量的觀測(cè)進(jìn)行分解，可以很好地將多路徑誤差的影響分解出來，留存“真實(shí)”的觀測(cè)值用于數(shù)據(jù)處理。

（3）信噪比法。通過對(duì)觀測(cè)值信噪比的分析和比較來評(píng)價(jià)觀測(cè)值的質(zhì)量，在數(shù)據(jù)處理中通過降低受多路徑誤差影響的觀測(cè)值的權(quán)重，從而達(dá)到削弱多路徑誤差影響的目的。

5 結(jié)束語

多路徑效應(yīng)影響GPS測(cè)量精度的分析解決仍是重要的研究課題。本文通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了多路徑效應(yīng)的影響，提出了消除多路徑誤差要選取適宜的測(cè)量環(huán)境，要有性能良好的接收機(jī)及合適的數(shù)據(jù)后處理技術(shù)，這樣綜合應(yīng)用，將得到滿意的定位精度?！?/p>

[1] 劉基余.GPS現(xiàn)代化及其影響[J].數(shù)字通信世界，2011，（8）：24-30.

[2] 成偉.GPS精密定位誤差及其相位多路徑誤差分析研究.長(zhǎng)安大學(xué)，2003.

[3] 譚觀龍.淺談GPS測(cè)量多路徑誤差[J].地理空間信息，56-58.

[4] 黃德武，熊永良基于小波分析的GPS多路徑效應(yīng)研究.工程勘察，2007（4）：63-69.

[5] 楊天石.多路徑效應(yīng)對(duì)GPS精密定位的影響及消除方法分析[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2006（3）：53-56.