整體式GNSS接收機(jī)多路徑效應(yīng)分析

何書鏡

（1.福建省測繪院,福建 福州 350003）

GNSS衛(wèi)星信號從高空向地面發(fā)射，若接收機(jī)天線周邊有強(qiáng)反射物體，接收機(jī)將接收到衛(wèi)星到達(dá)天線的直接波信號以及經(jīng)過反射和散射后到達(dá)天線的間接波信號。這2種信號產(chǎn)生干涉，使觀測值偏離真實(shí)值，稱為多路徑效應(yīng)[1,2]。多路徑效應(yīng)在GNSS觀測中引起的誤差雖然為偶然誤差，但對測量結(jié)果的影響不可忽視，嚴(yán)重時(shí)會引起GNSS信號失鎖。

整體式GNSS接收機(jī)由于天線單元、主機(jī)單元、電源單元整合在一起，與配有扼流圈或抑制板天線的分體式接收機(jī)相比，多路徑效應(yīng)的消除能力有所差別。為了解多路徑效應(yīng)對整體式GNSS接收機(jī)的影響，筆者使用整體式接收機(jī)Trimble R8 II和配套的TRM60158.00天線（該接收設(shè)備能提供L1、L2及P2三種原始觀測值），運(yùn)用自主編制的預(yù)處理程序處理，并與TEQC預(yù)處理結(jié)果進(jìn)行對比分析，為之后的測量作業(yè)提供指導(dǎo)。

1 分析原理及方法

1.1 Turbo Edit周跳探測原理與方法

在進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析之前，首先要對觀測值數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳探測及粗差剔除。一般將LG組合觀測值和MW組合觀測值結(jié)合起來進(jìn)行周跳探測，即Turbo Edit方法[3]。

在不考慮對流層、多路徑、電離層高階項(xiàng)及噪聲影響的情況下，GNSS載波相位和偽距的觀測方程進(jìn)行組合，可以得到適用于周跳探測的LG組合和MW組合[4]，其表達(dá)式如下：

式中，φi為載波相位觀測值；λi為載波波長；fi為載波頻率；Ni為整周模糊度；I/fi2為電離層誤差延遲；φLG為電離層殘差組合觀測值；NW為寬巷模糊度。

LG組合可以消除軌道誤差、接收機(jī)鐘差和對流層誤差的影響，僅包含了電離層殘差和L1、L2的實(shí)數(shù)模糊度組合的影響。MW組合得到的寬巷觀測值波長達(dá)86 cm，因此適用于周跳探測及修復(fù)。對于MW組合，一般常采用Blewitt提出的遞推算法來不斷更新寬巷模糊度及其中誤差。

1.2 多路徑效應(yīng)計(jì)算方法

由于載波的波長遠(yuǎn)小于偽距的波長，在計(jì)算偽距多路徑效應(yīng)時(shí)，可忽略載波的多路徑效應(yīng)。因此將式(1)考慮偽距多路徑效應(yīng)后，可組成線性組合觀測值：

MP1、MP2分別包含了L1、L2偽距的多路徑誤差、測量噪聲及整周模糊度與波長的乘積。從第1個(gè)歷元至第i個(gè)歷元求得均值然后用組合觀測值減去該均值，得到去掉了整周模糊度的多路徑與測量噪聲誤差。如果當(dāng)前歷元發(fā)生周跳或不連續(xù)，則需要以次歷元為界線，前后分段計(jì)算。

2 多路徑效應(yīng)數(shù)據(jù)分析

2.1 分析軟件程序流程及設(shè)計(jì)

根據(jù)式(3)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，見圖1。

圖1 程序流程圖

選擇測試數(shù)據(jù)（本次測試數(shù)據(jù)為0310號測試站點(diǎn)2012年第103天的數(shù)據(jù)，即03101030.12o與03101030.12n)，點(diǎn)擊預(yù)處理。在程序狀態(tài)窗口，將顯示實(shí)時(shí)處理狀態(tài)。數(shù)據(jù)預(yù)處理成功后，可進(jìn)行后續(xù)操作，若不成功，應(yīng)檢查觀測數(shù)據(jù)與導(dǎo)航星歷時(shí)間是否匹配或格式是否正確。在該窗口下，可以對觀測數(shù)據(jù)按截止高度角進(jìn)行篩選，其值在輸入框中給出即可。狀態(tài)顯示成功后，可查看站點(diǎn)信息、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、多路徑信息、周視圖等信息。在站點(diǎn)信息中，可看到站點(diǎn)名稱、觀測數(shù)據(jù)的UTC日期、接收機(jī)及天線型號和測站點(diǎn)的笛卡爾及大地坐標(biāo)系下的近似坐標(biāo)等信息。在質(zhì)量統(tǒng)計(jì)信息中，列出所有衛(wèi)星的觀測歷元個(gè)數(shù)、觀測值信息不足的無效歷元個(gè)數(shù)、每顆衛(wèi)星發(fā)生的周跳次數(shù)及粗差數(shù)以及所有有效歷元的總時(shí)間和第1個(gè)有效歷元開始時(shí)間，并在最后1行給出統(tǒng)計(jì)信息。在多路徑信息中，列出每顆衛(wèi)星所有有效歷元的平均高度角、平均方位角、L1和L2波段上的多路徑效應(yīng)殘差值，并在最后1行給出統(tǒng)計(jì)信息。在多路徑周視圖中，圓圈代表高度角，越靠近中心，高度角越高；圖中向上方向?yàn)檎军c(diǎn)北方向，用來表示衛(wèi)星相對于站點(diǎn)的方位角。

2.2 與TEQC結(jié)果的對比分析

TEQC是由美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體（UNAVCO Facility）研制的為地學(xué)研究GPS監(jiān)測站數(shù)據(jù)管理服務(wù)的公開免費(fèi)軟件，主要功能有格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核。本文用TEQC檢核實(shí)測數(shù)據(jù)質(zhì)量，并與自編軟件得到的結(jié)果進(jìn)行比較，來驗(yàn)證精度分析方法的可行性以及程序的可靠性。

由于TEQC計(jì)算出的mp1、mp2、ele及azi這4個(gè)文件包含了所有觀測數(shù)據(jù)，未對高度角進(jìn)行篩選，可將這4個(gè)文件導(dǎo)入到本文軟件中，然后讀取信息，并將信息輸出到表格，得到相對應(yīng)的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)及多路徑信息。

將由本軟件直接計(jì)算得到的多路徑信息中的表格數(shù)據(jù)，與從TEQC計(jì)算結(jié)果中提取的多路徑信息中的表格數(shù)據(jù)，復(fù)制到Excel中，借助畫圖工具，可得到本文程序與TEQC結(jié)果對比圖，如圖2所示。本文軟件計(jì)算結(jié)果與TEQC結(jié)果基本一致。個(gè)別較差大于0.05 m是由于所采用的周跳探測方法及相鄰歷元組合觀測值之差的閾值不同，導(dǎo)致分段不同，從而使計(jì)算中消去的整周模糊度不同。

圖2 與TEQC結(jié)果比較圖

對圖2中MP2值差別較大的12號衛(wèi)星作進(jìn)一步分析。利用軟件輸出單顆衛(wèi)星的多路徑及高度角信息，分別得到12號衛(wèi)星的詳細(xì)信息文件，使用Matlab繪圖工具進(jìn)行繪圖，得到圖3。可以發(fā)現(xiàn)，圖3顯示了12號衛(wèi)星L2的偽距多路徑信息，其中L2在高度角較低時(shí)，TEQC對該衛(wèi)星進(jìn)行了錯(cuò)誤分段，使得其中一小段歷元（362～418）計(jì)算的多路徑值明顯偏離，導(dǎo)致最后的MP2殘差值與本文計(jì)算結(jié)果不同。

圖3 PRN12 L2偽距多路徑

在GPS觀測過程中，衛(wèi)星的位置不斷變化，其在測站極坐標(biāo)系下的高度角也在不斷變化，而不同高度角計(jì)算出的多路徑殘差值是不一樣的。利用輸出單顆衛(wèi)星詳細(xì)信息文件功能，在Matlab中畫出7號衛(wèi)星的詳細(xì)圖見圖4。由圖4可知，在高度角較低時(shí)，多路徑誤差明顯較大，同時(shí)多數(shù)粗差和周跳也發(fā)生在高度角較低的時(shí)候。

圖4 PRN7偽距多路徑

綜上所述， TEQC軟件在低高度角數(shù)據(jù)計(jì)算分析時(shí)，常發(fā)生分段錯(cuò)誤，這一點(diǎn)在本文設(shè)計(jì)軟件中已得到克服。

2.3 多路徑效應(yīng)分析

在與TEQC對比的基礎(chǔ)上，利用前面提到的手動(dòng)選擇截止高度角的功能，對03101030.12o和03101030.12n文件進(jìn)行不同高度角下的詳細(xì)分析，提取多路徑信息數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)(見表1)，給出了在10°、15°和20°截止高度角條件下，每顆衛(wèi)星的多路徑殘差值，繪制成圖(見圖5)。

圖5 多路徑殘差結(jié)果圖

表1 不同高度角的多路徑效應(yīng)均值

由圖5及表1中可見，隨著衛(wèi)星高度角的增大，接收機(jī)的多路徑效應(yīng)有所減小，進(jìn)一步證明了多路徑與衛(wèi)星高度角存在的一定的線性關(guān)系。使用本文分析軟件對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見表2)，并利用每顆衛(wèi)星的MP1值繪制多路徑周視圖，見圖6。

圖6 多路徑效應(yīng)周視圖

表2 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

由圖6和表2可見，在10°截止高度角下，0310點(diǎn)的多路徑效應(yīng)主要來自東方向和南方向。

3 結(jié) 論

利用觀測數(shù)據(jù)，比較了本文軟件和最常采用的TEQC軟件的計(jì)算結(jié)果。采用TurboEdit方法進(jìn)行周跳探測，在衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)分段環(huán)節(jié)比TEQC更為準(zhǔn)確合理，但是也并非一種萬能的周跳探測方法，在處理一些質(zhì)量參差不齊的觀測數(shù)據(jù)時(shí)，也有缺陷，需要考慮結(jié)合更多方法進(jìn)行準(zhǔn)確的周跳探測及修復(fù)。

通過對比不同高度角下的多路徑效應(yīng)，說明多路徑效應(yīng)的大小與高度角存在線性關(guān)系，如果要獲得高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)采用天線加裝抑徑板的接收機(jī)，并適當(dāng)提高截止高度角，或者重新選址。在實(shí)際數(shù)據(jù)預(yù)處理中，可利用本文軟件代替TEQC，簡單方便地獲得測站點(diǎn)的多路徑信息，對測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評定提供有效的質(zhì)量信息。

[1]GB/T 18314-2009.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范[S].

[2]夏林元. GPS觀測值中的多路徑效應(yīng)理論研究及數(shù)值結(jié)果[D]. 武漢：武漢大學(xué)，2001

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