GPS測(cè)量中多路徑誤差影響因素及防范策略思考

■唐云龍，梁香根 ■江西省地礦測(cè)繪院，江西 南昌 330030

GPS全球定位系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，其有著全天候、多角度、受環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。但是，在多路徑誤差測(cè)量中還會(huì)有一些影響因素存在，所以，將有效的防范對(duì)策制定出來(lái)是非常必要的，對(duì)此，文章通過(guò)下文對(duì)相關(guān)方面的內(nèi)容進(jìn)行闡述，從而為有關(guān)單位及工作人員提供一定的借鑒作用。

1 多路徑原理分析

GPS衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心到GPS信號(hào)接收天線相位的距離，即為GPS信號(hào)接收機(jī)觀測(cè)站星距離。GPS衛(wèi)星發(fā)射中心向GPS信號(hào)接收天線相位中心傳達(dá)信號(hào)就是所謂的GPS信號(hào)理論，也就是我們所說(shuō)的直接波動(dòng)。其實(shí)，不但有直接波，還有星體發(fā)射波、介質(zhì)散射波和地面發(fā)射波等多種形式的間接波。從高空中，GPS信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)流層和電離層向地面?zhèn)鬟f時(shí)，涵蓋著從GPS衛(wèi)星直接到達(dá)用戶接收機(jī)以及通過(guò)散射、反射，向著用戶接收天線的間接傳播，GPS接收機(jī)在對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行接收的過(guò)程中，為直接與間接波結(jié)合在一起的波，直接波破壞間接波二出現(xiàn)的距離誤差，就是多路徑誤差，在傳播這種多路徑誤差時(shí)出現(xiàn)的延時(shí)情況就是所謂的多路徑傳播。

2 影響因素分析

(1)時(shí)空環(huán)境帶來(lái)的影響。衛(wèi)星相對(duì)與地物的空間，同多路徑效應(yīng)產(chǎn)生密切聯(lián)系，地物對(duì)GPS信號(hào)的發(fā)射能力會(huì)影響到效應(yīng)質(zhì)量，針對(duì)GPS信號(hào)而言，山地、森林等反射能力弱，水面的反射能力最強(qiáng)，具體環(huán)境不同，例如雨天、晴天，其散射性、導(dǎo)電性和吸收性也會(huì)發(fā)生一定的改變，然而，突出的較為明顯的發(fā)射信號(hào)卻不存在，會(huì)較為均勻分布器繞射信號(hào)的相對(duì)位置。

(2)接收機(jī)的抑制與多路徑效應(yīng)有關(guān)。工作原理不同，鎖定GPS衛(wèi)星信號(hào)的過(guò)程和GPS接收機(jī)跟蹤會(huì)存在差異，這樣多路徑效應(yīng)就會(huì)在不同程度上影響到接收機(jī)輸出的觀測(cè)量，在接收系統(tǒng)，接收天線為其中的重要組成，多路徑效應(yīng)的克服性與其性能有著非常密切的聯(lián)系，

(3)在量值上，多路徑效應(yīng)的影響具備相應(yīng)的范圍。GPS接收機(jī)在跟蹤鎖定和相關(guān)對(duì)比信號(hào)時(shí)，對(duì)多路徑最終效應(yīng)的出現(xiàn)，會(huì)在量值的范圍上進(jìn)行控制，就是會(huì)在一個(gè)碼元的寬度中存在著碼偽距，而且，在四分之一個(gè)載波波長(zhǎng)范圍內(nèi)存在著相位。

(4)頻率會(huì)影響到多路徑效應(yīng)。當(dāng)出現(xiàn)一致的多路徑場(chǎng)景時(shí)，會(huì)存在著相同的發(fā)射介質(zhì)發(fā)射特性，隨著衛(wèi)星的不斷運(yùn)動(dòng)，多路徑信號(hào)就會(huì)將其入射角不斷的進(jìn)行改變，而通常都會(huì)在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行這種物理現(xiàn)象。

3 防范對(duì)策分析

現(xiàn)階段，對(duì)多路徑誤差進(jìn)行解決時(shí)有兩種重要的方法:設(shè)計(jì)硬件與數(shù)據(jù)事后處理。對(duì)接收機(jī)內(nèi)部載波跟蹤環(huán)、延遲鎖定環(huán)性能、天線構(gòu)造的改進(jìn)為硬件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。而針對(duì)大多數(shù)的用戶而言，從事后數(shù)據(jù)處理的角度入手是對(duì)多路徑誤差給予解決的主要方式。當(dāng)路徑存在于比較惡劣的環(huán)境下時(shí)，可能會(huì)在米級(jí)存在著多路徑測(cè)量的誤差，一旦沒(méi)有解決多路徑效應(yīng)，這樣精度高的測(cè)量結(jié)果就不可能被獲取出來(lái)，因此，為了能夠削減其中出現(xiàn)的誤差，我們可以對(duì)這樣的方式進(jìn)行選擇應(yīng)用:

(1)對(duì)合適的地址進(jìn)行選擇。應(yīng)該在大面積平靜水面較遠(yuǎn)的位置設(shè)置GPS觀測(cè)站，也不應(yīng)該在盆地、金屬礦區(qū)和山坡地區(qū)進(jìn)行修建，因?yàn)橛蟹浅?qiáng)烈的發(fā)射信號(hào)會(huì)存在這種區(qū)域中，同時(shí)，具有電磁波發(fā)射源和高層建筑附近也不應(yīng)該對(duì)GPS測(cè)站進(jìn)行設(shè)置。

(2)合理的設(shè)置接收機(jī)。接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案在很大程度上會(huì)影響到多路徑誤差。一旦將一組多路徑的參數(shù)給定出來(lái)，非相干延遲鎖相環(huán)要比相干延遲鎖相環(huán)要大。碼根蹤環(huán)帶寬和多路徑的相對(duì)變化率進(jìn)行比較，一旦較大時(shí)，平均值在相干誤差中就會(huì)為零。

(3)對(duì)有關(guān)器窄間隔技術(shù)進(jìn)行使用。將超前與滯后相關(guān)器窄間隔的方法應(yīng)用到非相干DLL中。在構(gòu)成鑒相器時(shí)，對(duì)小部分的有關(guān)函數(shù)進(jìn)行使用，能夠?qū)⒄`差在最大路徑中降低10倍，而且能夠在更大的多路徑和碼位中將相對(duì)延遲的誤差予以消除。

(4)對(duì)多抗路徑天線進(jìn)行使用。在設(shè)計(jì)某些天線的時(shí)候，對(duì)增益方向圖的賦形進(jìn)行利用，確保有多路徑抑制的功能存在于天線自身當(dāng)中。在用戶所使用的天線與地面有相應(yīng)的距離時(shí)，就會(huì)從天線的主瓣上將導(dǎo)航星的直達(dá)信號(hào)輸入進(jìn)去，通過(guò)地面產(chǎn)生的多路徑干擾在入射時(shí)主要通過(guò)天線旁瓣來(lái)完成，因?yàn)槎嗦窂礁蓴_的到達(dá)角度和直達(dá)信號(hào)會(huì)存在一定的差別，因此，對(duì)抗多路徑天線進(jìn)行選取是一種非常簡(jiǎn)易的方式。

(5)列陣時(shí)應(yīng)用時(shí)域和空域自適應(yīng)天線。隨著時(shí)間和空間的變化，多路徑干擾也會(huì)不斷改變，利用自適應(yīng)濾波的時(shí)域處理方法和單一的抗多路徑天線空域處理方法，很難將理想的效果獲取出來(lái)，因此，我們應(yīng)該選擇時(shí)空自適應(yīng)列陣處理方式。但是，因?yàn)镚PS接收機(jī)機(jī)動(dòng)性、多通道和低沉本等特殊的要求，現(xiàn)階段我們能夠使用的就是那些便于實(shí)現(xiàn)、簡(jiǎn)單的時(shí)空組合處理方式。

(6)對(duì)加權(quán)幾何精度因子選星方法進(jìn)行使用。對(duì)這種方式進(jìn)行選擇，將不同加權(quán)的GDOP值就能夠生成出來(lái)，對(duì)于較大多路徑誤差的觀測(cè)方程盡量不要使用，對(duì)于將多路徑對(duì)定位誤差的降低上這種方法必將發(fā)揮著巨大的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在科技發(fā)展推動(dòng)下，極大的推動(dòng)了我國(guó)測(cè)量工程的發(fā)展，而且多路經(jīng)測(cè)量方式的應(yīng)用極大的提升了測(cè)量工作質(zhì)量和速度，GPS為多路徑測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)的重要保證，文章分別程多路徑測(cè)量的影響因素和防范對(duì)策進(jìn)行了闡述，進(jìn)而為促進(jìn)此項(xiàng)工作的順利發(fā)展提供一定的幫助作用。

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