淺析GPS測(cè)量中的多路徑效應(yīng)

1、淺析GPS測(cè)量中的多路徑效應(yīng)摘要：本文討論了GPS測(cè)量中多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)，對(duì)GPS多路徑誤差進(jìn)行了分析，探索抑制多路徑效應(yīng)的途徑。關(guān)鍵詞：GPS；多路徑效應(yīng)；多路徑誤差（InnerMongoliaTechnicalCollegeofConstruction，Province010070，P.R.China）Abstract:ThispaperdiscussedthecausesandcharacteristicsofthemultipatheffectinGPSsurveying,analyzedtheGPSmultipatherrors,findwaystosuppressmult

2、ipatheffects.Keywords:GPS;multipatheffects;multipatherrors中圖分類號(hào)：P228.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：GPS測(cè)量定位技術(shù)以其高精度、高效率、低成本、實(shí)時(shí)定位和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于土地利用規(guī)劃和各項(xiàng)工程建設(shè)等眾多領(lǐng)域。隨著GPS測(cè)量定位技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其定位方法和數(shù)據(jù)處理理論也在不斷發(fā)展和完善。由于在GPS測(cè)量定位技術(shù)中充分利用了一些誤差在空間的強(qiáng)相關(guān)性，采用改正模型和差分定位等技術(shù)手段，絕大多數(shù)誤差得到了很好的消除或削弱，其剩余殘差已對(duì)GPS測(cè)量定位成果的精度威脅不大。但是，隨著觀測(cè)站周圍環(huán)境（包括高層建筑物、山坡、樹和水等

3、）的變化，多路徑誤差有時(shí)會(huì)對(duì)GPS測(cè)量定位成果精度造成很大的影響。眾所周知，由于多路徑誤差隨測(cè)站周圍環(huán)境變化的復(fù)雜性和在空間上的非相關(guān)性，無法利用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型予以改正，亦不可能利用差分定位技術(shù)手段子以有效地削弱。目前，利用GPS技術(shù)在小范圍（通常距離為幾公里）內(nèi)進(jìn)行高精度測(cè)量定位，多路徑誤差已經(jīng)成為影響測(cè)量成果精度的主要誤差源。所以，為了提高GPS測(cè)量定位成果精度，以滿足工程建設(shè)和變形監(jiān)測(cè)等任務(wù)的需要，有必要對(duì)多路徑誤差的特性及其影響的規(guī)律進(jìn)行深入研究。一、多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生多路徑效應(yīng)是在發(fā)射GPS定位信號(hào)的衛(wèi)星，接收機(jī)天線及天線附近的物體間構(gòu)成的某種相對(duì)空間關(guān)系的環(huán)境下產(chǎn)生的合成信號(hào)相對(duì)于直

4、達(dá)接收天線信號(hào)的一種延遲現(xiàn)象。此處直達(dá)信號(hào)（LOS）系指從衛(wèi)星直接到達(dá)從衛(wèi)星直接到達(dá)天線而未經(jīng)物體反射或繞射的信號(hào)，而合成信號(hào)則指直達(dá)信號(hào)與反射或繞射信號(hào)的和。如圖1所示，GPS射頻信號(hào)通過兩路或可能更多的幾種不同路徑到達(dá)同一固定的接收天線，幾路到達(dá)信號(hào)雖在發(fā)射時(shí)間上有共同的時(shí)間起點(diǎn)，但到達(dá)時(shí)刻不同，并兼而存在相對(duì)相位偏移，信號(hào)的幅度也發(fā)生了相對(duì)變化，這便造成了接收信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的結(jié)構(gòu)畸變，從而影響碼和相位的量測(cè)，形成了多路徑效應(yīng)。由此產(chǎn)生的定位誤差稱為多路徑誤差?，F(xiàn)假設(shè)直接進(jìn)人接收機(jī)天線的直射信號(hào)為(l)進(jìn)入接收機(jī)天線的反射信號(hào)為(2)式中：為第個(gè)反射信號(hào)的反射系數(shù)，為該反射信號(hào)的相位延遲

5、。由于一般反射信號(hào)不只一個(gè)。那么接收機(jī)天線實(shí)際接收到的信號(hào)應(yīng)該是直射信號(hào)和多個(gè)反射信號(hào)疊加的結(jié)果，即為為說明問題方便，暫且假設(shè)只有一個(gè)反射信號(hào)存在，則有經(jīng)過推導(dǎo)招理有式中：為由于多路徑反射信號(hào)的干涉所造成的載波相位誤差，、分別為可見，與多路徑反射信號(hào)的反射系數(shù)和相位延遲有關(guān)。現(xiàn)在利用式（6）來求的極值，經(jīng)過推導(dǎo)整理，當(dāng)時(shí)，載波相位誤差有極大值可知，當(dāng)取最大值1時(shí)，。即載波相位誤差將引起1/4周的載波波長(zhǎng)的距離誤差。針對(duì)L1載波，其波長(zhǎng)為19.03cm，多路徑誤差所造成的最大距離誤差應(yīng)該為4.8cm；針對(duì)L2載波，其波長(zhǎng)為24.42cm，多路徑誤差所造成的最大距離誤差應(yīng)該為6.1cm。上面分析討

6、論是基于只存在一個(gè)反射信號(hào)的情況，事實(shí)上反射信號(hào)將是多個(gè)，那么對(duì)觀測(cè)值的影響也是多個(gè)反射信號(hào)的疊加結(jié)果。所以客觀上多路徑反射信號(hào)對(duì)觀測(cè)位的影響比上面的情況要復(fù)雜得多。當(dāng)觀測(cè)站周圍附近環(huán)境復(fù)雜、情況惡劣時(shí)，反射信號(hào)還將會(huì)使載波相位測(cè)量的整周數(shù)產(chǎn)生周跳,嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使GPS衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生失鎖。二、多路徑效應(yīng)的特點(diǎn)多路徑效應(yīng)這種物理現(xiàn)象有如下特點(diǎn)：1、多路徑效應(yīng)為一時(shí)空環(huán)境效應(yīng)多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生可以理解為一時(shí)空環(huán)境效應(yīng)，它與衛(wèi)星相對(duì)于地物的空間位置及地物均有密切關(guān)系。地物所造成的多路徑效應(yīng)影響與地物對(duì)GPS信號(hào)的反射能力又有關(guān)。反射能力常以地物的反射系數(shù)表示，此時(shí)地物為GPS信號(hào)傳播的一種介質(zhì)。對(duì)于不同的

7、信號(hào)頻率，不同的地物來說，其反射系數(shù)都是不一樣的。對(duì)于GPS的測(cè)距碼和調(diào)制導(dǎo)航電文的相應(yīng)頻率的信號(hào)而言，表1得出的一些典型地物類的反射系數(shù)是具有參考意義的?？梢姡瑢?duì)該波段的電磁波信號(hào)，水面的反射能力最強(qiáng)，多路徑信號(hào)主要表現(xiàn)為反射；森林、山地或城市這類地物最弱。不同具體環(huán)境，如晴天、雨天，其導(dǎo)電性、吸收性和散射系數(shù)往往存在一些變化。表12、多路徑效應(yīng)的影響與接收機(jī)的抑制能力有關(guān)由不同工作原理工作的GPS接收機(jī)跟蹤和鎖定GPS衛(wèi)星信號(hào)的過程也有所不同，從而導(dǎo)致接收機(jī)輸出的觀測(cè)量受到的多路徑效應(yīng)的影響不一樣。因此，除觀測(cè)環(huán)境外，GPS接收機(jī)內(nèi)部工作機(jī)理與多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生是密不可分的。另外，GPS接收

8、天線也是接收系統(tǒng)中的重要單元，其性能直接影響到對(duì)多路徑效應(yīng)的克服能力；而且，接收機(jī)中采用MEDLL、窄相關(guān)技術(shù)等技術(shù)只能改善或削減其遠(yuǎn)距離反射，而改善或削弱其近距離反射的影響目前還有待研究。3、靜態(tài)時(shí)的多路徑效應(yīng)具有重復(fù)性由第一特點(diǎn)可以理解到，在靜態(tài)情況下，衛(wèi)星空間結(jié)構(gòu)相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)是依衛(wèi)星的運(yùn)行周期而重復(fù)的，而產(chǎn)生多路徑的場(chǎng)景也是重復(fù)的，這就直接導(dǎo)致多路徑效應(yīng)也應(yīng)具有重復(fù)性。4、多路徑效應(yīng)的影響在量值上具有一定的范圍GPS接收機(jī)在對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)對(duì)比和跟蹤鎖定時(shí)決定了多路徑效應(yīng)的最終產(chǎn)生具有量值上的范圍，即理論上面?zhèn)尉啻a不會(huì)超過一個(gè)碼元的寬度，而相位不會(huì)超過四分之一載波波長(zhǎng)。5、多路徑效應(yīng)具有一定的頻率行為當(dāng)產(chǎn)生多路徑的場(chǎng)景一定時(shí)，反射介質(zhì)的反射特性也一定，多路徑信號(hào)隨著衛(wèi)星的運(yùn)行而不斷改變其入射角；而這種物理現(xiàn)象的產(chǎn)生和結(jié)束都是在一定的頻率內(nèi)進(jìn)行的，這表明可以用頻譜分析的方法來進(jìn)行分析多路徑效應(yīng)。三、多路徑誤差削減方法圖2為多路徑效應(yīng)對(duì)GPS測(cè)量影響流程圖。從