湖面多路徑效應對GPS精度的影響及研究

沈冰艦

（新疆煤田地質局綜合地質勘查隊，新疆 烏魯木齊830009）

0 引言

隨著GPS測量方法的廣泛應用，GPS測量有許多優點，如點位精度十分均勻，在測程大于10km時GPS定位精度優于精密光電測距儀，當然GPS在測量定位的過程中會受到很多種因素的影響，比如，衛星鐘差、接收機鐘差、電離層延遲、對流層延遲等等。在各項誤差源中特別是多路徑誤差不能用同樣的方法予以消除或減弱，因為多路徑效應所引起的誤差有很多不確定因素，到目前為止，我們還沒能找到一種十分理想的辦法來對各種各樣的多路徑誤差做出有效的判斷。

所以為了去削弱這些多路徑效應帶來的誤差，我們一般都會采用性能比較優良的微帶天線，與此同時在天線下面安置可以屏蔽一部分各類反射電波的抑徑板或者抑徑圈。有人做過試驗，用這個方法可以使多路徑效應帶來的誤差減少將近百分之三十，那么在平時的測量中，在沒有特別好的改良手段的時候，可以使用這種加抑徑板的方式，在此次研究中，特意選擇了湖面多路徑效應對靜態GPS測量精度的影響這一不被人們所熟悉的多路徑誤差種類，希望本次研究能對大家有所幫助。

1 多路徑效應的原理

GPS信號接收機所測得的接收機和衛星距離，應該是接收機天線相位中心到GPS衛星發射天線相位中心的那段距離。所以說在接受信號時，由衛星天線發射出的信號到GPS接收機天線相位中心的信號，稱之為直接波。但是在實際觀測時，除了直接波還有以下幾種波：地面反射波、星體反射波、介質散射波等幾種間接波，當然還有衛星信號從高空中通過電離層發生折射和通過對流層發生折射而到達地面的信號，其中包括直接從衛星發射出來的到達用戶接收天線的直接波以及經過反射和散射還有折射而到達用戶接收天線的間接信號。所以可以說GPS信號接收機所接收的GPS信號是直接波和間接波的合成波。之所以把這種誤差叫做多路徑誤差，就是因為間接波對直接波的破壞性干涉而引起的站星距離測量的誤差。因為是多種間接波的干涉產生的誤差，所以把這種情況稱之為多路徑效應。

2 如何削弱多路徑誤差

多路徑誤差包括常數部分和周期性部分，對于常數部分會將在同一地點不斷的出現，哪怕連續去觀測很多天，也無法削弱和消除，周期性部分不一樣，則可以通過延長觀測的時間，這樣可以來削弱或者消除誤差。當然數碼觀測值的多路徑效應更為復雜和嚴重，這種誤差大約是載波相位多路徑誤差影響的200倍。多路徑誤差給點位坐標帶來的影響，在一般環境下可達五厘米到九厘米，在河邊湖面等高反射環境下可達十五厘米之多。對于偽距觀測所帶來的誤差，良好的觀測環境條件下約為四五厘米。然而如果在極壞條件下觀測，碼信號多路徑誤差有可能會使得接收機產生相位失鎖。在數據處理中可以看到許多周跳都是因為多路徑效應而產生的對GPS觀測時的選點要尤其注意、可以使用較為先進的GPS接收機或者是改進過的GPS接收機、也可以在數據處理時對GPS觀測數據進行相應方法的數據處理來削弱誤差影響。

3 湖面多路徑效應對GPS測量的影響

本次實驗所使用的數據處理軟件是中海達H32GPS接收機所配套的名為HGO的數據處理軟件，該軟件主要功能有項目管理，靜態基線處理，網平差等功能。首先在第一天的下午16:：05開始靜態數據采集，17：40結束，第一天的湖邊點采集時沒有對多路徑信號進行遮擋。第二天和第三天分別也是在16:05開始，17:40結束，保證三天測量的時間都為一個半小時，在第二天對湖邊點的儀器使用了紙板遮擋，紙板遮擋的想法是從抑徑板上得出來的，第三天則是對湖邊點的儀器用雨傘遮擋湖面的反射信號 對于用紙板遮擋的方法我是采用了類似抑徑板的做法，天線相位中心至自制抑徑板的高度為11厘米，截止高度角是15度。由H/tan15°可以算出紙板半徑為40厘米才合適。由于條件所限制，我們采用了邊長為70厘米的正方形紙板，最短半徑大約為35厘米，較為接近40厘米，可以遮擋住部分多路徑信號。對于雨傘遮擋的方法，雨傘是比紙板更好的遮住儀器。這種遮擋方式得來的最根本的原因是平時我們在采集數據時，如果GPS接收機離高樓或者是在樹下，涼棚下時，GPS的信號會被遮擋住。所以我們認為，衛星信號在湖面經過反射后，其本質依然是衛星信號，既然樹葉可以遮擋住衛星信號，那么紙板和雨傘也應該可以做到這一點。在三次數據采集完后，用HGO數據處理軟件對測量數據進行處理，并對比其處理結果。

4 數據處理對比分析

首先是對比三次采集數據的平差后的基線及標準差，第一次中DX，DY，DZ的中誤差比第二次的大了一倍，比第三次的大了五倍。其次是對比三次數據處理后的基線改正數及標準差，可以看出來，三次的VDX，VDY，VDZ中誤差對比，第一次的AC基線改正標準差是第二次第三次的三倍之多，然后是平差后站點WGS84坐標(XYZ)中誤差對比，可以看出第一次的中誤差比第二次大了一倍，是第三次的五倍之多。

同時在基線殘差圖也可以看出同一根基線在三次的測量中，第一次的波動和雜亂程度是最大的。而第一次正是沒有遮擋多路徑信號的所觀測的數據所的出的基線。

5 結束語

在做完實驗數據處理并且對比處理結果后，我得出了如下幾條結論：

第一，在沒有遮擋的情況下，各項數據處理后得出的中誤差都是遠遠大于被遮擋情況下的，最大的達到了八倍之多，也就是說湖面的多路徑信號對GPS觀測精度的影響是比較顯著的。

第二，自制的紙板還有雨傘是可以遮擋住一部分多路徑信號的。

第三，在沒有遮擋情況下，湖面兩點間基線殘差序列圖的波動和雜亂程度是大于非湖面兩點的間基線殘差序列圖的波動和雜亂程度的，湖面多路徑效應對GPS觀測影響是不容忽視的。在處理基線時應對波動大的衛星信號給予刪除改正。

第四，對于同一根基線來說，遮擋的情況下，波動幅度和雜亂程度是是比非遮擋情況下要好很多的。

綜上所述，湖面多路徑信號對GPS觀測精度的影響還是比較明顯的，在有多路徑影響下的數據中誤差是在一定遮擋后的三倍甚至五倍八倍之多，所以，在以后的測量工作中，當我們選點時應當盡量避免在河邊湖邊或者有大面積水的地方，不能完全避免的時候也要盡量遠離這些地方。

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