GPS多路徑效應(yīng)誤差及處理技術(shù)

萬(wàn)文韜　傅林華　楊惠晨

摘 要：介紹了有關(guān)多路徑效應(yīng)誤差的概念、產(chǎn)生原理及在實(shí)際中的一些處理技術(shù)，包括空間處理技術(shù)、接收機(jī)改進(jìn)技術(shù)和數(shù)據(jù)后處理技術(shù)。這些處理技術(shù)的應(yīng)用主要是為了降低多路徑效應(yīng)誤差。

關(guān)鍵詞：GPS；多路徑效應(yīng)誤差；三維坐標(biāo)；數(shù)據(jù)后處理技術(shù)

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.151

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱。GPS是20世紀(jì)70年代由美國(guó)軍隊(duì)聯(lián)合研發(fā)并自主生產(chǎn)的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其主要任務(wù)是為陸軍、海軍、空軍三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)性、全天候性以及全球性的信息，并用于情報(bào)信息獲取、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。

GPS在現(xiàn)代科技領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它的主要工作原理是通過(guò)地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送的信號(hào)，進(jìn)而測(cè)定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。它能廣泛應(yīng)用于全球的一個(gè)重要原因在于它的高精度，它對(duì)目標(biāo)的定位精度達(dá)到毫米級(jí)別。但其在使用過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生誤差，為了達(dá)到更高的水平，要對(duì)測(cè)量誤差實(shí)施一些改進(jìn)措施。在GPS相對(duì)定位中，當(dāng)獲取GPS定位數(shù)據(jù)時(shí)，其主要在于怎樣消除和減少GPS信號(hào)的傳播誤差。這些傳播誤差包括電離層和對(duì)流層的時(shí)延誤差和多路徑效應(yīng)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(yīng)誤差以外的傳播誤差，但是，由于多路徑效應(yīng)誤差的隨機(jī)性，我們不能基于采集的觀察數(shù)據(jù)來(lái)建模，因此消除或者削弱多路徑效應(yīng)誤差是比較困難的。

1 多路徑效應(yīng)誤差

1.1 多路徑效應(yīng)誤差概念

GPS信號(hào)接收機(jī)所測(cè)得的站點(diǎn)距離應(yīng)該是GPS信號(hào)接收天線相位中心至GPS衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心的距離。接收的GPS信號(hào)理論上應(yīng)該是GPS信號(hào)接收天線相位中心直接到達(dá)GPS信號(hào)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(zhì)散射波等。GPS信號(hào)接收機(jī)所接收的GPS信號(hào)是由直接波和間接波所合成的信號(hào)。通常認(rèn)為的“多路徑誤差”其實(shí)是所測(cè)的站點(diǎn)距離誤差，由間接波對(duì)直接波的破壞干涉而引起的。由這種破壞干涉所引起的時(shí)延效應(yīng)叫作“多路徑誤差效應(yīng)”。

1.2 多路徑效應(yīng)誤差特性

多路徑效應(yīng)誤差主要有以下幾個(gè)特征：①多路徑效應(yīng)誤差包括隨機(jī)部分和周期性部分，隨機(jī)部分在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)一直存在，它決于天線周圍的具體環(huán)境，屬于系統(tǒng)誤差，無(wú)法削弱和消除。②GPS接收機(jī)中的相關(guān)器特性和跟蹤鎖定環(huán)特性能夠決定多路徑效應(yīng)造成的誤差量級(jí)。③在靜態(tài)測(cè)量中，也就是測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)時(shí)，情況良好時(shí)，多路徑效應(yīng)誤差對(duì)偽距觀測(cè)造成的影響約為1.3 m，在反射很強(qiáng)的環(huán)境情況下大概為4～5 m；情況嚴(yán)重時(shí)可能引起信號(hào)失鎖。④多路徑效應(yīng)誤差的大小也與衛(wèi)星的仰角有關(guān)，其影響與衛(wèi)星仰角成反比，多路徑效應(yīng)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?cè)谘芯慷嗦窂叫?yīng)誤差時(shí)，就應(yīng)該綜合考慮這些因素的影響。

2 GPS“多路徑效應(yīng)誤差”的處理技術(shù)

GPS“多路徑效應(yīng)誤差”的處理技術(shù)由于天線和接收器硬件技術(shù)的提高得到了很大的改進(jìn)。目前降低“多路徑效應(yīng)誤差”的技術(shù)大致可以分為空間處理技術(shù)、數(shù)據(jù)后處理技術(shù)和接收機(jī)改進(jìn)技術(shù)三種。

2.1 空間處理技術(shù)的應(yīng)用

2.1.1 選擇合適的天線站址

多路徑效應(yīng)誤差的產(chǎn)生原因主要有兩方面：①衛(wèi)星信號(hào)的方向和反射系數(shù)；②反射物與接收站之間的距離關(guān)系。天線接收方面的處理技術(shù)主要是通過(guò)某種技術(shù)手段將原始信號(hào)和反射信號(hào)分離，以達(dá)到削弱多路徑效應(yīng)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(gè)扁平圓盤，它的半徑可以通過(guò)r=h /sinZ計(jì)算。

2.1.3 定向天線陣列

使用天線陣列是空間處理技術(shù)中用來(lái)降低多路徑效應(yīng)誤差的一個(gè)更好的方法，使用天線陣列有兩個(gè)主要的作用：①可以在原始信號(hào)路徑的傳輸方向上建立一個(gè)高度定向的空間相應(yīng)模式；②可以減少次級(jí)傳輸信號(hào)的通過(guò)。

2.2 數(shù)據(jù)后處理技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)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(shí)，數(shù)據(jù)后處理技術(shù)的配合使用也大大增加了GPS數(shù)據(jù)的精度。所謂“數(shù)據(jù)后處理技術(shù)”，是從原始的觀測(cè)技術(shù)或定位結(jié)果數(shù)據(jù)中提取多路徑效應(yīng)誤差的影響。近年來(lái)出現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)后處理技術(shù)，主要有以下幾種。

2.2.1 信噪比技術(shù)

我們可以通過(guò)多路徑效應(yīng)的周日重復(fù)性和其對(duì)周邊觀測(cè)環(huán)境的依賴性預(yù)判出多路徑效應(yīng)誤差的存在，主要在特定衛(wèi)星、特定時(shí)間段上的判斷。當(dāng)多路徑效應(yīng)誤差發(fā)生改變時(shí)，信噪比會(huì)相應(yīng)降低，根據(jù)觀測(cè)值的信噪比降低受多路徑效應(yīng)誤差影響的觀測(cè)值的比例，從而削弱多路徑效應(yīng)誤差。

2.2.2 擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)

根據(jù)小范圍多天線系統(tǒng)中多路徑對(duì)各天線之間偽距測(cè)量值的相互影響，可得到削弱多路徑效應(yīng)誤差的方法，其主要過(guò)程為通過(guò)使用擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)來(lái)獲取多路徑信號(hào)的各種參數(shù)，然后在接收信號(hào)中消除多路徑信號(hào)。

在GPS定位測(cè)量中，多路徑效應(yīng)誤差是影響數(shù)據(jù)精度的一個(gè)重要因素。而本文介紹的誤差處理技術(shù)對(duì)降低多路徑效應(yīng)誤差效應(yīng)有很大效果。雖然以上幾種多路徑效應(yīng)誤差的處理技術(shù)有助于降低多路徑效應(yīng)誤差，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩?wèn)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(jìn)技術(shù)可以比較出色地解決多路徑效應(yīng)誤差，但是這項(xiàng)技術(shù)比較高端，很難普及。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)多路徑效應(yīng)誤差的原理以及如何削弱或消除多路徑效應(yīng)誤差進(jìn)行了介紹。在以后的GPS使用中，多路徑效應(yīng)誤差的研究是熱點(diǎn)問(wèn)題，在工程實(shí)踐中，即使延長(zhǎng)其觀測(cè)時(shí)間也不能完全消減多路徑效應(yīng)誤差對(duì)精度的影響。在實(shí)際觀測(cè)中，特別是在進(jìn)行高精度導(dǎo)航測(cè)量中，必須要降低多路徑效應(yīng)誤差帶來(lái)的影響。

參考文獻(xiàn)

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

〔編輯：王霞〕