GPS測量中的多路徑分析綜述

■趙立都

（長安大學地質工程與測繪學院 陜西西安710064）

GPS測量中的多路徑分析綜述

■趙立都

（長安大學地質工程與測繪學院 陜西西安710064）

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，本文綜述了多路徑效應產生的原理、作用特性、影響規(guī)律以及目前處理多路徑誤差的技術。

GPS多路徑效應直射信號反射信號數據后處理

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得到減弱或消除。但是多路徑效應在基線兩端不具有相關性[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。

2　多路徑特性分析

2.1多路徑產生機理

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生了一個附加的時延量，這種現象稱為多路徑效應。多路徑效應嚴重時會導致信號失鎖，多路徑效應是GPS測量的主要誤差源[2]。

設直接信號為

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。經簡單推導得到：

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α=1時，得到這一最大誤差為90°，對于L1頻率而言，相當于4.8cm的距離誤差，對于L2頻率而言，相當于6.2cm的距離誤差。

2.2多路徑特性

由多路徑誤差產生的機理可知，多路徑誤差與衛(wèi)星相對于天線的空間關系以及天線周圍的地物環(huán)境有關。有關研究表明,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，即使多次重復觀測也消除不了的，因為多路徑效應在各站之間無相關性。多路徑效應的大小也與衛(wèi)星高度角有關，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)境效應的特殊性質，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，因此國內許多學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、數據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)觀測和內業(yè)數據處理都有借鑒意義。

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據采集時點位的選擇應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測站應離開高層建筑物、湖面、枝葉茂密的樹林、高壓線等能產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

接收機的改進技術主要是改進跟蹤環(huán)路來削弱多路徑效應的方法[6]。目前改進技術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數據后處理技術

后處理方法的主要思想是承認所測的數據中包含有多路徑信息。從原始觀測數據中去除或者減小多路徑效應的影響，從而得到較“干凈”的數據，再利用這些“干凈”的數據求得基線向量。現有的后處理較常用的方法是建立多路徑效應模型。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　結論和展望

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

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

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[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.

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P217[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-158-1

趙立都（1991～），男，大地測量學與測量工程專業(yè)，碩士研究生。