gps精密定位中的多路徑誤差分析

gps精密定位中的多路徑誤差分析

1gps相對定位的特性及誤差源分析全球定位系統(tǒng)（gps）的發(fā)展導(dǎo)致了測量理論和測量技術(shù)的重大變化。GPS在測量中的應(yīng)用主要有兩個方面:絕對定位和相對定位。該方法被廣泛應(yīng)用于地球框架研究、地殼形變場研究及各等級的控制網(wǎng)的布設(shè)和工程測量領(lǐng)域。近幾年,GPS相對定位在形變測量、城市測量、精密工程測量等領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。在現(xiàn)代精密工程測量領(lǐng)域,如大壩形變監(jiān)測、古建筑物保護(hù)、精密設(shè)備安裝等,相應(yīng)的基線長度往往較短,大多在2km以下,有些甚至只有幾十米到幾百米。對這種短基線或超短基線,人們期望用GPS觀測的精度是0.5～2mm。GPS精密定位如何適應(yīng)這種短基線超高精度的要求,是一個急待解決的問題。本文重點討論影響短基線定位精度的關(guān)鍵誤差源——多路徑效應(yīng)。分析了多路徑誤差的產(chǎn)生機(jī)理及對相對定位的影響特點和影響量級。針對路徑誤差的消除問題,論文對利用信噪比消除多路徑誤差對相對定位的影響特點和影響量級進(jìn)行了討論。并對利用信噪比消除多路徑誤差的方法進(jìn)行了理論研究和技術(shù)實現(xiàn)。2影響短期基準(zhǔn)定位精度的誤差和消除措施13gps相對定位對測量精度的影響可分為以下幾類偶然誤差:主要包括多路徑效應(yīng)、儀器構(gòu)造引起的誤差和觀測誤差;系統(tǒng)誤差:主要有軌道誤差、鐘差及大氣折射誤差等。2雙差相位觀測模型法與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差:軌道誤差、衛(wèi)星鐘差;與信號傳播有關(guān)的誤差:對流層折射、電離層折射、多路徑效應(yīng);與接收設(shè)備有關(guān)的誤差:觀測誤差、天線相位中心偏差、接收機(jī)鐘差;其他誤差:地球旋轉(zhuǎn)影響、地球固體潮影響、地面基準(zhǔn)誤差、SA頻率抖動。在這些誤差源中,地球旋轉(zhuǎn)影響、地球固體潮影響等誤差經(jīng)模型化改正后,剩余殘差對短基線的影響可以忽略。短基線平差一般采用雙差相位觀測模型,根據(jù)基線兩端的相關(guān)性原理,可完全消除衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差的影響。雙差模型對大氣折射和衛(wèi)星軌道誤差也有很好的減弱作用。多路徑效應(yīng)引起的誤差,隨著反射物距離的增加衰減很快,這就使得多路徑效應(yīng)的測站相關(guān)性很弱,即使很短的基線,兩站間多路徑影響差異也很大,站間求差方法對多路徑誤差的消除作用不大,且沒有較好的模型來改正。因而,多路徑效應(yīng)已成為影響高精度、短基線進(jìn)一步提高精度的最大的制約因素。3多路徑效應(yīng)及其減少法3.1標(biāo)準(zhǔn)4:經(jīng)不同路徑到達(dá)信號會產(chǎn)生疊加GPS衛(wèi)星從2萬公里高空向地面發(fā)射電磁波,地面接收機(jī)的天線可以收到這種信號并跟蹤GPS衛(wèi)星完成定位或?qū)Ш饺蝿?wù)。但是,GPS發(fā)射的電磁波信號并不是一條條的直線信號而是向四面八方的,地面上接收機(jī)周圍必定有一些其他的物體,這些物體或多或少要反射GPS信號。因此,接收機(jī)天線不但收到了沿最小光程路徑來的GPS直達(dá)信號,也會收到經(jīng)各種反射物反射后到達(dá)接收機(jī)天線的信號。這兩種經(jīng)不同路徑到達(dá)接收機(jī)天線的信號會產(chǎn)生疊加,成為一種新的復(fù)合信號。這種復(fù)合信號與直達(dá)信號相比會產(chǎn)生路徑延遲和相位延遲,從而對定位結(jié)果產(chǎn)生影響,這就是多路徑效應(yīng)現(xiàn)象。3.2鏡面反射的特點GPS信號是一種電磁波信號,可以模擬為包絡(luò)瑞利分布的噪聲通道,對信號的跟蹤和量測的影響很小。一般說來,對多路徑效應(yīng)的研究主要是對鏡面反射的研究。對于GPS載波相位測量,L1和L2載波的波長分別為λ1=19.8cm,λ2=25.5cm。根據(jù)瑞利判斷則Δh1,min=2.5cm,Δh2,min=3.2cm時,反射體表面對GPS信號的反射可以看作是鏡面反射。可見,平靜的水面,建筑物的墻面,城市的地面,水庫大壩,木板或金屬板等都表現(xiàn)為鏡面反射。當(dāng)B角較小時,Ah將很大,就連粗糙的地面、山坡、樹林等也會形成鏡面反射。3.3后處理方法由于接收機(jī)天線周圍環(huán)境和GPS衛(wèi)星信號的復(fù)雜性,載波相位的多路徑效應(yīng)也是相當(dāng)復(fù)雜的。實際上,由于衛(wèi)星發(fā)射的是右旋極化的GPS信號,經(jīng)反射物反射后常改變?yōu)樽笮龢O化信號或右旋極化與左旋極化的混合信號。接收機(jī)一般采用右旋極化天線,可一定程度上減小多路徑信號對直達(dá)信號的干擾。要削弱多路徑效應(yīng)對接收信號的干擾,通常的辦法有兩種:一種是采用在硬件上加以改進(jìn)的辦法,如使用特制的天線或者對接收機(jī)內(nèi)部跟蹤環(huán)路進(jìn)行改進(jìn),以達(dá)到消除或減弱多路徑影響的目的。這種方法由于與硬件聯(lián)系緊密,普通用戶很難詳細(xì)了解其內(nèi)部構(gòu)造,一般是硬件廠家重點研究的內(nèi)容。另一種辦法是在后處理過程中來考慮多路徑干擾。通過模擬多路徑產(chǎn)生的環(huán)境來估計多路徑引起的載波相位誤差的大小,再加以改正。后處理方法的主要思想是承認(rèn)所測的數(shù)據(jù)中包含有多路徑信息。利用衛(wèi)星、反射物、天線環(huán)境、GPS接收機(jī)所記錄的各種信息等一切可以利用的有用信息來從原始觀測數(shù)據(jù)中去除或者減小多路徑效應(yīng)的影響,從而得到較“干凈”的數(shù)據(jù),再利用這些“干凈”的數(shù)據(jù)求得基線向量。現(xiàn)有的后處理方法最簡單的是選星法,較常用的方法是建立多路徑效應(yīng)模型。1996年Comp提出了一種消除多路徑誤差的新思路,基于對接收機(jī)工作原理的了解,他提出了利用接收機(jī)接收的信號的信噪比率(SNR)來消除多路徑的方法。由于信噪比與相位殘差相比,對天線姿態(tài)有較小的敏感性,則可以通過對每顆衛(wèi)星接收信號的信噪比率(SNR)進(jìn)行分析,從而估計出多路徑對信號的影響程度,并通過一定的方法從復(fù)合信號中分離出多路徑影響,得到“干凈”的觀測量,消除多路徑對GPS觀測量的影響。4通過擴(kuò)散式小擾動來確定帶寬函數(shù)在消除多路徑的后處理方法中,利用信噪比消除多路徑誤差的方法是利用接收機(jī)記錄的信噪比數(shù)據(jù),通過一定的數(shù)學(xué)處理方法,來確定多路徑對載波相位影響大小的一種方法。與其他方法相比,這種方法思路明確,可實現(xiàn)性強(qiáng),便于編程處理,是一種實用性很強(qiáng)的方法。4.1信噪比snr天線是用來發(fā)射和接收電磁波的。天線性能一般是由一些特性參量來表征的。同一種天線既可用于接收,也可用于發(fā)射。無論發(fā)射和接收,其天線的基本特性參量保持不變。信噪比是表征接收機(jī)天線所接收到信號大小的一個量值。在大多數(shù)GPS接收機(jī)里,信噪比(SNR)表示載波信號與噪聲的比例關(guān)系(即載噪比,No),它定義為接收機(jī)接收載波信號的強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值。影響信噪比的因素很多,主要有接收機(jī)內(nèi)部跟蹤環(huán)路中相關(guān)器的特性及相關(guān)器的執(zhí)行情況,所使用接收天線的增益特性及多路徑信號的強(qiáng)度等。4.2采用信噪比計算多路徑的原則4.2.1信號振幅及相位表示根據(jù)電磁波理論,接收機(jī)接收到的直達(dá)信號和多路徑信號復(fù)合成復(fù)合信號被接收機(jī)PLL環(huán)路跟蹤,信號可表示為復(fù)數(shù)形式r=Aejφ。式中A表示信號振幅,φ表示信號相位,J為復(fù)數(shù)單位。一般來講,多路徑信號ai均較小,則有:Ac≈A0Aα???1+∑iαiA0cosΨiA0Aα[JX1]???δφ≈∑iαiA0sinΨiAc(1)Ac≈A0Aα{1+∑iαiA0cosΨiA0Aα[JX1]}δφ≈∑iαiA0sinΨiAc(1)其中A0為直達(dá)信號振幅中的固定部分,Aα稱為標(biāo)準(zhǔn)化的天線增益。4.2.2天線數(shù)據(jù)通訊在GPS接收機(jī)中,跟蹤環(huán)路除記錄鎖定的GPS衛(wèi)星載波相位觀測量外,還同時記錄了每個歷元載波相位觀測量對于噪聲的大小,即信噪比率SNR,在本文討論信噪比率時,我們主要指它在振幅上的大小,而不是它在能量上的強(qiáng)度。因此,我們用SNRA來代替SNR(或者ClNo),表征信號的振幅率,則有,IRA。表示復(fù)合信號的信噪比率。SNRAd表示信號的信噪比率,SNRA表示多路徑信號的信噪比率。則有:SNRA=Ac+noise≈SNRAcSNRAd=A0AαSNRAm=∑iαiA0cosΨi(2)SΝRA=Ac+noise≈SΝRAcSΝRAd=A0AαSΝRAm=∑iαiA0cosΨi(2)如果我們能從接收機(jī)輸出的SNRA中分離出SNRAd和SNRAm來,則可以從(1)式計算出多路徑對載波相位的影響δφ,就可通過相位觀測量的改正來得到“干凈”的只包含直達(dá)信號的相位觀測量,用此相位觀測量計算的基線向量,則不包含多路徑影響,即在結(jié)果中消除了多路徑帶來的影響。為了從接收機(jī)記錄的信噪比中分離出多路徑成分,有必要對GPS接收的信息做一些合理的假設(shè)。根據(jù)GPS接收機(jī)工作原理和多路徑特性,做如下假設(shè):1)直達(dá)信號和多路徑信號在到達(dá)天線時,它們的振幅是固定不變的。也即我們忽略了大氣折射對信號振幅的影響。2)天線增益圖是連續(xù)平滑變化的空間直線。而且它對衛(wèi)星的高度角和方位角的變化并不是特別敏感。3)在一定的時間內(nèi),多路徑信號的頻率可以看作是固定的,也即多路徑信號應(yīng)保持足夠的時間,以便使我們能確定地區(qū)別它而加以改正。根據(jù)以上假設(shè),并考慮(1)、(2)式則有:SNRA≈SNRAc=Ac=A0Aα+∑iαiA0cosΨi=SNRAd+SNRAmSΝRA≈SΝRAc=Ac=A0Aα+∑iαiA0cosΨi=SΝRAd+SΝRAm對于不同的天線,天線增益圖均不同,用戶難以獲得很精確的天線增益圖來求出SNRAd,由假設(shè)2)可知,天線增益圖在空間連續(xù)平滑變化且對衛(wèi)星高度角和方位角不是特別敏感,當(dāng)歷元間隔不是很大時,可以認(rèn)為歷元間SNRAd是非常接近,近似相等的?？稍跉v元間求差來消除直達(dá)信號的信息。即ΔSNRAm=ΔSNRA+v(3)ΔSΝRAm=ΔSΝRA+v(3)從中解出各個歷元中多路徑的振幅αiA0cosΨi,由于各個多路徑之間相互獨立,它們對復(fù)合信號的影響并不是簡單的迭加,而是代數(shù)和。即∑iαiA0cosΨi=±α1A0cosΨ1±α2A0cosΨ2±?∑iαiA0cosΨi=±α1A0cosΨ1±α2A0cosΨ2±?在解出多路徑信號的振幅后,可由(1)式求解出各個歷元由多路徑引起的相位偏差值。在相位觀測量值中加以改正,得到完全“干凈”的觀測量,再求解GPS基線。4.2.3數(shù)據(jù)下載及分析現(xiàn)采用兩臺ASHTECH接收機(jī),一臺安置在學(xué)校運動場中心,四周反射物均在50m以外。多路徑效應(yīng)對其影響為高頻項(周期為30～40s),在數(shù)據(jù)處理中,多路徑成分可歸入噪聲處理;另一臺安置在一高墻邊,墻高3m,長10余米。儀器高1.6m,距墻約0.9m。其多路徑誤差主要來自墻面反射。多路徑效應(yīng)對其影響表現(xiàn)為低頻特性,周期在20min至1h左右,其對基線精度影響需進(jìn)行改正。觀測數(shù)據(jù)由接收機(jī)自動記錄,歷元間隔20s,觀測時間為下午15時20分至17時30分,共記錄有效數(shù)據(jù)2小時,實際使用數(shù)據(jù)時間為1小時45分。數(shù)據(jù)下載采用ASHTECH公司solutions軟件。首先使用沒有經(jīng)過多路徑改正的原始觀測值,用solutions軟件計算基線精度及殘差。用C語言設(shè)計程序從B文件中直接讀取每個歷元的各個衛(wèi)星的高度角、方位角、信噪比等信息。由圖形化的信噪比數(shù)據(jù)分析、判斷多路徑的周期,并通過傅立葉變換算法編程計算每個周期的振幅和初相,再按利用信噪比改正多路徑誤差的算法編程計算各衛(wèi)星各歷元的相位改正數(shù)。將原始文件轉(zhuǎn)化為RINEX格式文件,對載波觀測值進(jìn)行改正。再重新計算各基線精度及殘差,并與原始結(jié)果比較,評估對多路徑效應(yīng)的改正效果。從B文件中直接讀取信噪比數(shù)據(jù)。將信噪比數(shù)據(jù)圖形化,并畫出2min移動平均線。從圖中很容易看出,當(dāng)衛(wèi)星高度角大于35°后,信噪比率會明顯增大。由于多路徑影響,信噪比率呈周期性變化。首先采用未經(jīng)多路徑改正的原始數(shù)據(jù)計算基線向量,從solution軟件給出的基線精度、基線精度圖、各個衛(wèi)星相對于基準(zhǔn)星的差分相位殘差圖中可以看出,該基線由于多路徑影響,相位差分殘差較大,基線精度較低。按利用信噪比改正多路徑誤差的算法對各個衛(wèi)星多路徑誤差計算并改正,從改正后的基線相位殘差圖中可明顯看出,相位殘差有較大改善,最大相位殘差均小于0.15周,經(jīng)多路徑改正后,基線精度也有較大提高。5利用信噪比改進(jìn)多路徑多路徑效應(yīng)是影響定位精度的決定性因素,只有很好地消除多路徑效應(yīng)的影響,才能使定位精度得到實質(zhì)性提高。處理多路徑的方法很多,可歸結(jié)為硬件改進(jìn)方法和后處理方法。本文研究了由Christopher.T.Comp提出的利用信噪比改進(jìn)多路徑的方法。該方法從接收機(jī)接收的信噪比中包含了載