GPS多路徑效應實驗測試與分析研究

張光勝,李任之,程 鋼

(1.河南理工大學 礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，河南 焦作 454000;2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

GPS多路徑效應實驗測試與分析研究

張光勝1,2,李任之1,2,程 鋼1,2

(1.河南理工大學 礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，河南 焦作 454000;2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

作為影響GPS測量信號的干擾源，多路徑效應為眾多研究者所關注。多路徑效應使得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，文中從多路徑效應產生的原理出發，設計并實施無線電干擾和鏡面反射干擾實驗，分析多路徑效應對GPS單點定位精度、基線長度精度和網精度的影響。在既有的研究成果基礎上，提出隨著距離的變化多路徑效應的影響程度不同、對網精度影響最小、對單點定位精度影響最大等結論，并總結了減弱多路徑效應的相關措施。

GPS測量；定位精度；多路徑效應；無線電干擾；鏡面反射

近年來，GPS現代化不斷發展，隨著2010年8月1日美國第一顆block llF衛星的發射，導航定位信號擴展到L1、L2和L5，開啟了導航定位的新格局[1]。自此全球廣大用戶可以使用GPS載波相位技術在信號未受到干擾的情況下獲得厘米級、甚至毫米級精度。然而，GPS信號強度較為微弱，易受到干擾，其中多路徑效應引起的誤差是影響GPS測量精度的顯著因素。多路徑效應在GPS實際測量中的影響程度、規律及其規避方法是提高GPS測量精度及其抗干擾能力的重要課題。目前對于多路徑效應的研究主要集中在對接收機信號的處理、對接收機天線的改進、數據后處理技術、選擇站址環境等方面。伍錫銹提出利用增量Kalman濾波的系統誤差最優估計方法，從帶有噪聲干擾的信號中提取有用信號，從而得到了精度和可靠性更高的接收信號[2]。數據后處理方面，張波等通過降低受多路徑效應影響的觀測值的權重，從而達到削減多路徑誤差的目的[3]。Minami等通過減少接收機的GPS信號碼相位鎖相環中的鎖相環誤差，消弱多路徑效應。Townsend和Fenton提出利用多路徑估計技術和多路徑估計延遲鎖定環技術來減弱多路徑效應，降低多路徑上的偽距偏置誤差，提高定位精度[4]。本文以校園為實驗場地，以無線電干擾和鏡面反射作為干擾源分別對多路徑效應對單點定位精度、基線長度精度、網精度影響進行實驗，以期探索其影響程度、規律及規避辦法。

1 多路徑效應產生原理

GPS衛星從2萬多公里的高空向地面發射電磁波，地面接收機天線可以收到信號并跟蹤GPS衛星完成定位或導航任務。然而GPS 發射的電磁波信號并不是一條條的直線信號而是向四面八方的，地面上接收機周圍有一些其他物體，這些物體或多或少要反射GPS信號[5]。因此，接收機天線不但收到了沿最小光程路徑來的GPS直達信號，也會收到經各種反射物反射后到達接收機天線的信號[6]。在實際作業過程中，由于受環境條件的限制，周圍反射物(地面、水面、樹、墻體等)將把信號反射后再被接收機接收，這便形成了兩種波：直接波和反射波，二者產生干涉，從而影響觀測值，產生多路徑誤差。這種由多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應稱作多路徑效應，是GPS測量中的一種重要誤差源，嚴重損害GPS測量精度，嚴重時還會引起信號失鎖。

GPS天線接收的反射波包括地面反射波、墻體反射波、樹木反射波等，現以地面鏡面反射為例說明多路徑產生的過程。如圖1所示，設GPS天線收到來自衛星的信號為S，同時收到經地面上鏡面反射后的反射波信號S′，D為接收機所架點距鏡面的距離，λ為載波波長，θ為反射波入射角，H為天線的高度，其中D與H關系如式(1)所示。這兩種信號路徑不同，其路徑差值稱為程差，用Δ表示。

H=D/tanθ,

(1)

Δ=GA-OA=GA-GA·cos 2θ=

GA·(1-cos 2θ)=H·(1-cos 2θ)/sinθ=

2H·sinθ,

(2)

δ=(Δ/λ)·2π=4π·H·sinθ/λ.

(3)

從式(1)、式(2)中可以看出，程差不僅與反射物的入射角有關，還與反射物距天線的距離有關。由于存在程差Δ，反射波和直接波之間存在一個相位延遲δ，如式(3)所示,不論是程差還是相位延遲，都會對測量觀測產生誤差，影響其定位的精度。

圖1 地面反射示意圖

2 實驗方案設計與實施

衛星信號的強弱與天氣條件有很大關系，陰雨、多云天氣，會導致接收機接收到的信號有一定程度的減弱，而晴天觀測能減弱天氣因素的影響。本實驗選擇一天氣良好的上午，選3個點C2、C3和C4分別架設GPS接收機，連續同步靜態觀測0.5 h。所選三點，如圖2所示。

圖2 實驗區域

C2和C4是已知點，C3是施加干擾點，單點精度分析中把一臺GPS接收機架在已經確定的點C2上，將另一臺儀器架設在C3上，網精度分析中添加儀器架設在已知點C4。其中C2、C3和C4周圍均沒有高大障礙物，且地勢比較平坦。在數據處理過程中，參考衛星是軟件默認的信號接收較好的衛星，截止高度角為5°，采樣間隔為5 s。

先進行無干擾測量，之后保持接收機靜態模式下的參數設置，添加干擾源。干擾源添加方案如下：

方案1：將一臺小型收音機放置于C3接收機附近，使得其與接收機間的距離分別為2 m、5 m、10 m，如圖3所示。

圖3 小功率收音機干擾實驗圖

方案2：將6架小鏡子架設在C3儀器周圍，使其距離接收機距離分別為2 m、5 m、10 m，如圖4所示。

3 實驗分析

3.1 單點定位精度影響分析

如圖5所示，在單點定位影響分析中，C2和C3兩臺接收機接收到同一顆衛星的信號所產生的殘差的分布是不均勻的，圖5(a)為C2點的殘差圖，圖5(b)是C3點的殘差圖，C3點的殘差分布比C2的殘差分布波動更大，表明其信號質量與環境干擾關系密切。

圖4 鏡面發射干擾實驗圖

圖5 C2與C3點殘差圖對比

由施加無線電干擾的數據(見表1)可以看到，在小功率無線電的干擾下C3點接收到的反射信號與直達信號產生干涉，出現了相位延遲，使得測量點坐標偏移，有較強的多路徑效應。施加鏡面反射干擾的數據(見表2)可以看到，在鏡面反射干擾下C3點接收到的反射信號與直達信號產生干涉，出現了相位延遲，使得測量點坐標偏移，表現出了較強的多路徑效應。兩種實驗產生的偏差與干擾源到接收機的距離無明顯規律性。

表1 無線電干擾對C3點位影響

表2 鏡面反射干擾對C3點位影響

3.2 基線長度精度影響分析

基線長度精度實驗，從基線的測站、星歷狀況以及基線處理中周跳剔除、精度分析等處理發現：無線電、鏡面反射等干擾會使衛星信號強度大幅度減弱，導致了較強的多路徑效應。通過表3、表4干擾前后基線長度的對比發現，施加小功率無線電干擾和施加鏡面反射干擾下的基線距離都變長了，二者的影響均在厘米級，干擾距離變化未呈現明顯的規律性。

表3 添加小功率無線電干擾的C2—C3點觀測數據

表4 添加鏡面反射干擾的C2—C3點觀測數據

3.3 GPS網絡精度影響分析

比較表5、表6、表7，從這些數據中可明顯看到施加了干擾的三角網平差值高于未施加干擾的三角網的平差值。說明無線電、鏡面反射等干擾會使衛星信號強度減弱，導致多路徑效應。但對于三角網來說，本身精度較高，穩定性較好，所以造成的影響并不大[7]。

表5 無干擾的三角網平差指標

表6 添加小功率無線電干擾的三角網平差指標

表7 添加鏡面反射干擾的三角網平差指標

3.4 分析與探討

多路徑效應有別于其他GPS測量的誤差，通過差分或建立改正模型來消除和改正效果并明顯。本文通過實驗數據分析以及對前人研究成果的總結，從以下幾個方面提出減弱多路徑效應誤差的若干措施。

1)選擇合適的站址。選擇站址應盡量避開強磁場以及平靜水面，且不要架在山坡、山谷、盆地等地方，避免這些地區會引起強烈的信號反射。

2)適當延長觀測時間。GPS衛星運行是有周期性的，多路徑誤差的大小和方向隨時間而變化，長時間觀測取平均值可一定程度消弱其影響。

3)避免人為影響。在靜態外業觀測過程中，觀測者以及行人的來回走動也會影響到數據采集的精度[8]，應避免觀測人員或其他人流對儀器觀測的影響。

4)采用數據的后處理技術。數據的后處理方法主要是利用衛星、反射物、天線環境、GPS接收機所記錄的各種信息從原始數據或定位結果數據去除或減弱多路徑效應的影響[9]。常用方法包括信噪比法、小波分析法、經驗模式分解法等。

5)選擇合適的天線。在無法避免產生多路徑效應的環境時，可選擇合適的天線，在天線中設置抑徑圈來減弱多路徑效應。

在以上常用的削弱多路徑效應的方法和措施中，選擇合適的站址有時會受客觀條件的限制，先進的接收機和信號處理技術目前較難得到顯著改善，數據后處理技術仍是提高定位精度一個主要途徑[10]。

4 結 論

通過本文設計實施的3個實驗，充分說明多路徑效應在GPS觀測過程中產生了明顯的干擾作用。

對于單點測量的精度，GPS接收機在受到無線電干擾和鏡面反射干擾的時候，觀測點坐標實際值出現了明顯的偏移；對于基線長度測量的精度，施加小功率無線電干擾和施加鏡面反射干擾下的基線距離明顯變長；對于三角網測量的精度，施加了干擾的三角網平差值高于未施加干擾的三角網平差值，但總體影響不大。

總的來說，多路徑效應對三角網精度的影響程度<對基線長度精度的影響<對單點定位精度的影響。隨著干擾源距離接收機距離的變化，影響程度也會發生改變，但其中的規律性有待探索。

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

[2]伍錫銹.基于增量Kalman濾波的GPS多路徑效應系統誤差研究[J].測繪工程, 2012,21(6):36-37.

[3]張波,黃勁松,蘇林.利用信噪比削弱GPS多路徑效應的研究[J].測繪學報,2003,28(1):23-24.

[4]TOWNSEND B，FENTON P．A Practical Approach to the Reduction of Pseudorange Multipath Errors in a L1 GPS Receiver[C]．Proceedings of the 7thInternational Technical %5ecting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Salt Lake City, UT, USA.，1994．143-148．

[5]楊天石．多路徑效應對GPS 精密定位的影響及消除方法分析[J].勘察科學技術, 2006(3):54-55.

[6]秦皓.列車定位中應用GPS的選星方案分析與設計[D].北京:北京交通大學,2007.

[7]李征航,黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社,2010．

[8]郭杭,余敏,薛光輝. GPS多路徑效應實例計算與分析[J].測繪科學,2006，31(5):95-96.

[9]吳雨航,陳秀萬,吳才聰.利用信噪比削弱多路徑誤差的方法研究[J].武漢大學學報：信息科學版,2008,33(8):842-845.

[10]張隨甲，周曉忠.GPS-RTK誤差來源及減弱誤差的實用方法[J].交通科技與經濟，2014，16(2):121-124.

[責任編輯：劉文霞]

Test and analysis on the multipath effects of GPS observation

ZHANG Guang-sheng1，2,LI Ren-zhi1，2，CHENG Gang1，2

(1.Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, He’nan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;2. School of Surveying and Land Information Engineering, He’nan Polytechnic University, Jiaozuo 454000， China)

As a significant interference source to the signal of GPS measurement, multipath effect has been focused by many researchers. GPS signal will be affected by multipath effect, which reduces the accuracy of GPS measurement. Sometimes it even leads to serious sign-lose. In order to solve this problem, starting from the principle of multipath effect, it designs and implements an experiment of radio interference and specular reflection interference, respectively analyzing the multipath effect on GPS single point positioning accuracy, the influence of the precision of baseline length and mesh precision. Based on the existing research some results are obtained with the change of the distance, the influence degree of the multipath effect is different. The minimal impact is on mesh precision, and the biggest influence is on single point positioning accuracy. Some solutions to weakening the multipath effects are made.

GPS observation; positioning accuracy; multipath effect; radio interference; specular reflection

2014-01-25；

2014-05-02

國家自然科學基金資助項目(41001226);河南省高等學校骨干教師資助計劃(2012GGJS-055);河南省教育廳自然科學研究計劃項目(2010B170006); 礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目(KLM201202);數字制圖與國土信息應用工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目(GCWD201002); 河南理工大學博士基金資助項目(B2010-9)

張光勝(1975-)，男，副教授，博士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)12-0031-04