多路徑效應影響GPS測量精度分析探討

孟 巍，楊開偉

（1.中國人民解放軍92941部隊43分隊，葫蘆島 125001；2.中國電子科技集團公司第54研究所，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，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日美國第一顆block llF衛(wèi)星的發(fā)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，經(jīng)過傳播到達地面的GPS信號強度較為微弱，易受到各種因素干擾，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。分析探討多路徑效應在GPS實際測量中的影響程度、規(guī)律及其消除方法是提高GPS測量精度的重要課題。

2 多路徑效應及其特性

2.1 多路徑效應

從GPS衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心直接到達信號接收天線相位中心的信號，稱為直接波。當發(fā)射信號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，出現(xiàn)了反射波。實際上，GPS接收機所接收的信號應該是直射波與反射波的合成波。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。所謂多路徑誤差，就是反射波對直射波的破壞性干涉而引起的測站至衛(wèi)星距離誤差，導致GPS信號的能量發(fā)射衰減和相位發(fā)生延遲。

圖1 多路徑效應圖

2.2 多路徑效應的特性

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

（2）與接收機的性能（抑制能力）有關。GPS接收機都有不同的工作原理，所以跟蹤和鎖定GPS衛(wèi)星信號的過程會有所不同，那么會導致接收機輸出的觀測量受到的多路徑效應的影響不一樣。

（3）與衛(wèi)星運行周期有關。衛(wèi)星空間結構相對于觀測點是依衛(wèi)星的運行周期而重復的，因此產(chǎn)生多路徑的場景也是重復的，這直接導致它具有重復性。

（4）與一定頻率相關。當產(chǎn)生多路徑的場景一致時，反射介質(zhì)的反射特性也一致，多路徑信號隨著衛(wèi)星的運動而不斷改變其入射角，而這種物理現(xiàn)象的產(chǎn)生和結束都是在一定的頻率范圍內(nèi)進行的。

3 多路徑效應實例分析

以三個GPS測量D級點（A點、B點、C點）作為測量真值進行多路徑效應影響實例分析：

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

表1 A點時空環(huán)境變化影響分析

表2 B點時空環(huán)境變化影響分析

表3 C點時空環(huán)境變化影響分析

由實驗結果可看出同一臺接收機在同一時間位于不同環(huán)境下：A、B點位于山坡位置、C點位于開闊空地，其定位精度受多路徑效應影響的情況顯著，而與時間變化沒有明顯關系。

4 多路徑誤差削弱技術

4.1 GPS測量環(huán)境

GPS測量位置周圍應選擇開闊平坦地點，盡量不要架設于山坡、山谷、盆地底等位置，周圍不應有大面積的平靜的水面，附近不應有高層建筑物；盡可能地使GPS測量點遠離發(fā)射源50m以外，這樣可以排除或極大地減弱發(fā)射信號的干擾；同時為了提高測量精度可以延長觀測時間。適當延長觀測時間對消除或消弱多路徑誤差是必要的。

4.2 硬件設計

接收機天線應配備抑徑圈或抑徑板。接收機天線對于極化方向不同的信號應該有較強的抑制作用。

接收機內(nèi)部跟蹤環(huán)路進行改進來削弱多路徑影響：窄相關技術和多路徑估計技術改進多路徑對延遲鎖定環(huán)路（DLL）的影響；多路徑估計延遲鎖定環(huán)（MEDLL）和選通脈沖相關器技術很好地減弱高頻多路徑信號，通過載波平滑技術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數(shù)據(jù)或定位結果數(shù)據(jù)中提取多路徑效應的影響，具體方法主要有：選星法、信噪比法、多路徑重復性方法。

（1）選星法。若測站觀測較多的衛(wèi)星，可對參與后處理的衛(wèi)星進行選擇，去掉某顆衛(wèi)星在某一時間段或某一高度角以下的觀測數(shù)據(jù)。這種方法思路簡單，實用方便，但局限性大。

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

（3）信噪比法。通過對觀測值信噪比的分析和比較來評價觀測值的質(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值的權重，從而達到削弱多路徑誤差影響的目的。

5 結束語

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

[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.長安大學，2003.

[3] 譚觀龍.淺談GPS測量多路徑誤差[J].地理空間信息，56-58.

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

[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）：53-56.