GPS多路徑效應誤差及處理技術

萬文韜　傅林華　楊惠晨

摘 要：介紹了有關多路徑效應誤差的概念、產生原理及在實際中的一些處理技術，包括空間處理技術、接收機改進技術和數據后處理技術。這些處理技術的應用主要是為了降低多路徑效應誤差。

關鍵詞：GPS；多路徑效應誤差；三維坐標；數據后處理技術

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.151

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱。GPS是20世紀70年代由美國軍隊聯合研發并自主生產的新一代空間衛星導航定位系統，其主要任務是為陸軍、海軍、空軍三大領域提供實時性、全天候性以及全球性的信息，并用于情報信息獲取、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的。

GPS在現代科技領域得到了廣泛的應用，它的主要工作原理是通過地面接收設備接收衛星傳送的信號，進而測定地面點的三維坐標數據。它能廣泛應用于全球的一個重要原因在于它的高精度，它對目標的定位精度達到毫米級別。但其在使用過程中也會產生誤差，為了達到更高的水平，要對測量誤差實施一些改進措施。在GPS相對定位中，當獲取GPS定位數據時，其主要在于怎樣消除和減少GPS信號的傳播誤差。這些傳播誤差包括電離層和對流層的時延誤差和多路徑效應誤差。我們可以利用模型改正或雙差方法消除或削弱除多路徑效應誤差以外的傳播誤差，但是，由于多路徑效應誤差的隨機性，我們不能基于采集的觀察數據來建模，因此消除或者削弱多路徑效應誤差是比較困難的。

1 多路徑效應誤差

1.1 多路徑效應誤差概念

GPS信號接收機所測得的站點距離應該是GPS信號接收天線相位中心至GPS衛星發射天線相位中心的距離。接收的GPS信號理論上應該是GPS信號接收天線相位中心直接到達GPS信號接收天線相位中心，稱為直接波。GPS接收天線除了接收直接波以外，還接收間接波，包括星體反射波、介質散射波等。GPS信號接收機所接收的GPS信號是由直接波和間接波所合成的信號。通常認為的“多路徑誤差”其實是所測的站點距離誤差，由間接波對直接波的破壞干涉而引起的。由這種破壞干涉所引起的時延效應叫作“多路徑誤差效應”。

1.2 多路徑效應誤差特性

多路徑效應誤差主要有以下幾個特征：①多路徑效應誤差包括隨機部分和周期性部分，隨機部分在觀測時間段內一直存在，它決于天線周圍的具體環境，屬于系統誤差，無法削弱和消除。②GPS接收機中的相關器特性和跟蹤鎖定環特性能夠決定多路徑效應造成的誤差量級。③在靜態測量中，也就是測量點位坐標時，情況良好時，多路徑效應誤差對偽距觀測造成的影響約為1.3 m，在反射很強的環境情況下大概為4～5 m；情況嚴重時可能引起信號失鎖。④多路徑效應誤差的大小也與衛星的仰角有關，其影響與衛星仰角成反比，多路徑效應誤差的影響隨仰角的減小而增大。

由于這些特征的存在，我們在研究多路徑效應誤差時，就應該綜合考慮這些因素的影響。

2 GPS“多路徑效應誤差”的處理技術

GPS“多路徑效應誤差”的處理技術由于天線和接收器硬件技術的提高得到了很大的改進。目前降低“多路徑效應誤差”的技術大致可以分為空間處理技術、數據后處理技術和接收機改進技術三種。

2.1 空間處理技術的應用

2.1.1 選擇合適的天線站址

多路徑效應誤差的產生原因主要有兩方面：①衛星信號的方向和反射系數；②反射物與接收站之間的距離關系。天線接收方面的處理技術主要是通過某種技術手段將原始信號和反射信號分離，以達到削弱多路徑效應誤差的目的。

2.1.2 天線加裝抑徑盤和扼流圈

所謂“抑徑盤”，指的是在天線底部加裝一個扁平圓盤，它的半徑可以通過r=h /sinZ計算。

2.1.3 定向天線陣列

使用天線陣列是空間處理技術中用來降低多路徑效應誤差的一個更好的方法，使用天線陣列有兩個主要的作用：①可以在原始信號路徑的傳輸方向上建立一個高度定向的空間相應模式；②可以減少次級傳輸信號的通過。

2.2 數據后處理技術的應用

現在的GPS在天線和接收器的硬件方面得到了很大的提高。與此同時，數據后處理技術的配合使用也大大增加了GPS數據的精度。所謂“數據后處理技術”，是從原始的觀測技術或定位結果數據中提取多路徑效應誤差的影響。近年來出現了多種數據后處理技術，主要有以下幾種。

2.2.1 信噪比技術

我們可以通過多路徑效應的周日重復性和其對周邊觀測環境的依賴性預判出多路徑效應誤差的存在，主要在特定衛星、特定時間段上的判斷。當多路徑效應誤差發生改變時，信噪比會相應降低，根據觀測值的信噪比降低受多路徑效應誤差影響的觀測值的比例，從而削弱多路徑效應誤差。

2.2.2 擴展卡爾曼濾波技術

根據小范圍多天線系統中多路徑對各天線之間偽距測量值的相互影響，可得到削弱多路徑效應誤差的方法，其主要過程為通過使用擴展卡爾曼濾波技術來獲取多路徑信號的各種參數，然后在接收信號中消除多路徑信號。

在GPS定位測量中，多路徑效應誤差是影響數據精度的一個重要因素。而本文介紹的誤差處理技術對降低多路徑效應誤差效應有很大效果。雖然以上幾種多路徑效應誤差的處理技術有助于降低多路徑效應誤差，但它們仍存在一些問題。空間處理方法在誤差處理方面有一定的效果，但其成本比較高，而且可行性比較低；接收器改進技術可以比較出色地解決多路徑效應誤差，但是這項技術比較高端，很難普及。

3 結束語

本文主要對多路徑效應誤差的原理以及如何削弱或消除多路徑效應誤差進行了介紹。在以后的GPS使用中，多路徑效應誤差的研究是熱點問題，在工程實踐中，即使延長其觀測時間也不能完全消減多路徑效應誤差對精度的影響。在實際觀測中，特別是在進行高精度導航測量中，必須要降低多路徑效應誤差帶來的影響。

參考文獻

[1]陳凱，俞慶.GPS多路徑效應原理及數據后處理方法研究[J].城市道橋與防洪，2010（04）.

〔編輯：王霞〕