GPS多路径效应误差及处理技术

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1、目录一. 引言二. GPS多路径效应误差2.1 多路径误差概念2.2 多路径误差模型2.3 多路径误差特性三. GPS多误差效应的处理技术3.1 空间处理技术在降低多路径误差方面的使用3.2 接收机的改进机技术在降低多路径误差方面的使用3.3 数据后处理技术在降低多路径误差方面的使用3.4基于EMD的虑波方法四. 结论摘要：本文介绍了有关多路径误差的产生概念，产生机制，及在实际中的一些处理技术 包括空间处理技术、接收机改进技术和数据后处理技术。关键字：GPS，多路劲误差效应，反射，处理技术一引言GPS是英文Global Positioning System （全球定位系统）的简 称。GPS是2

2、0世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫 星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全 天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等 一些军事目的。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3 月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。GPS全球定位系统在现代科技领域得到了广泛的使用，它主要是 通过地面接收设备接收卫星传送的信号来测定地面点的三维坐标。它拥有良好的定位精度，定位精度可达毫米级，授时精度可达ns级，从 而达到全球广泛使用。但其在使用过程中也会产生误差，为了达到高 要求，应对误差进行处理。对于GPS相对定位而言

3、，在采集GPS定位数 据时，关键在于如何消除和减弱GPS信号的传播误差。它主要是电离 层和对流层的时延误差以及多路径误差。其中卫星星历误差,，对流 层、电离层延迟误差，接收机误差等都可以通过模型改正或双差进行 消除或者削弱。但对多路径这样的随机性误差无法利用长期观测数 据来建模彻底，因此消除多路径误差即比较困难。多路径误差已成为 卫星导航定位中最难以克服和修正的误差之一。本文介绍了多路径误 差的有关知识，并介绍当前领域多路径误差的处理方式包括：空间处 理技术，接收机的改进机技术，数据后处理技术等。二.GPS多路径效应误差2.1多路径误差概念GPS信号接收机所测得的站点距离，应该是GPS信号接收

4、天线相位 中心至GPS卫星发射天线相位中心的距离。接收的GPS信号理论应该是 GPS信号接收天线相位中心直接到达GPS信号接收天线相位中心，称为 直接波。实际上除了直接波还有：地面反射波、星体反射波、介质散 射波等几种间接波。GPS信号从高空通过电离层和对流层而到达地面 时包括直接从GPS卫星到达用户接收天线的直接波以及经过反射和散 射而到达用户接收天线的间接波oGPS信号接收机所接收的GPS信号是 直接波和间接波的合成波。所谓的“多路径误差”就是间接波对直接 波的破坏干涉而引起的站点距离误差。这种由多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作“多路径误差效应”。GPS在实际测量中接收到的信号是

5、直接波和反射波产生干涉后 的叠加信号。而来自卫星的直接信号和经反射体反射后的信号所经过 的路程度是不一样的，两种路程长度的差值称为程差或冲离延迟量， 此是产生多路径效应的根源。2.2多路径误差模型我们可以通过模拟多路径误差效应的形成过程，了解多路径误差 效应。多路径误差效应实际是一种信号延迟效应。实际中，由于经过 放射到达接收器的路径比直接到达接收器的路径要长，所以会出现 时间延长效应。下面分三种情况考虑反射对引起“多效应误差“的影响：如图所示，由反射引起的误差主要是由于si和s2叠加的结果，其中si二d/sin0s2二d/cos (180-20 )总距离延迟量为s=s1+s2=2dsin0式

6、中：d接收天线至建筑物垂直面的水平距离0 反射波的入射角si由于反射引起的路程差的一部分s2由于反射引起的路程差的另一部分s=由于反射引起的总路程差(2) 在只有水平面反射波多路径效应程差图2在只有水平面反射波多路径效应程差如图所示在这种情况下误差主要是上面的si和s2叠加的结果，其中s1=d/cos0s2=dsin(90-20 )/ cos0总距离延迟量为s二sl+s2=(d+dcos20 ) /cos0 式中：d接收天线至建筑物垂直面的水平距离0 反射波的入射角si由于反射引起的路程差的一部分s2由于反射引起的路程差的另一部分s=由于反射引起的总路程差(3) 在只有斜面反射波多路径效应程差

7、图3在只有斜面反射波多路径效应程差在只有斜射波放射下，产生的差程为s1+s2,其中s1=d/sin(a -0 )s2=s1sin(90-20 )=dcos20 / cos(a -0 )总距离延迟量为s=s1+s2=2dsin20 / cos(a -0 )式中：d接收天线至建筑物垂直面的水平距离0 反射波的入射角a 一反射面的倾角si由于反射引起的路程差的一部分s2由于反射引起的路程差的另一部分s=由于反射引起的总路程差从上面的模式可以看出“多路径误差效应”主要是由反射引起 的总距离延迟量引起的，而反射有三种模式，“多路径误差效应”可 以是这三种模式的一种两种或三种，这就要求我们在研究对“多路径

8、 误差效应”时要了解接收器周围的环境情况，从而了解“多路径误差 效应”的形成模式，达到更好实现研究目的的意图。2.3多路径误差特性经过对多路径误差的详细研究，发现多路径误差效应有以下几个 特征：(1) 多路径误差包括随机部分和周期性部分，随机部分在观测 时间段内一直存在，它决于天线周围的具体环境，属于系统误差，无 法削弱和消除，周期性部分可通过延长观测时间予以削弱和消除。多 路径效应在各站之间没有相关性。【1】(2) 多路径效应造成的误差量级由GPS接收机中的相关器和跟踪锁定 环的特性所决定。理论上伪距的量测精度不会超过一个码元的宽度载 波相位的量测精度不会超过1 /4波长，但都受多路径误差的

9、影响，其 中码观测值的多路径影响更为复杂，其误差大约是载波相位多路径影响的200倍。【2】(3) 在测量点位坐标时即静态测量时，多路径误差对伪距观测的 影响在良好条件下约为1. 3 m,在反射很强的环境条件下约为45 m, 严重时还将引起信号失锁。多路径效应对载波相位观测值的影响造成 相位偏差,给距离观测带来大约5 cm的显著周期性偏差,而高程影响 可以达到土 15 cm。许多周跳就是由于多路径误差引起的【1】。4)多路径效应的大小和卫星仰角有关，卫星仰角越低，影响就越大。 【3】由于这些特征的存在，我们在研究“多路径误差效应”时就应 该考虑这些因素的影响。由于“多路径误差效应”是由没有规律的

10、随 机部分和有一定规律的周期部分构成的，我们在对其进行研究时就要 找出这两部分，并把随机部分去除，只研究周期性部分。由于“多路 径误差效应”对伪距观测的影响和环境有很大的关系，因此我们在研 究“多路径误差效应”时可以通过环境估计伪距观测偏差，同时可以 根据研究得出的伪距观测偏差和环境对照，达到检验研究结果准确性 的目的。由于GPS接收机中的相关器和跟踪锁定环决定多路径效应造 成的误差量级，所以通过了解GPS接收器的性质可以达到估计或检验 研究结果的目的。三、GPS “多路径误差效应”的处理技术GPS “多路径误差效应”的处理技术由于天线和接收器硬件技术 的提高得到了很大的改进。为了得到更精确的

11、数据，我们必须采用一 定的技术手段降低“多路径误差效应”的影响。目前降低“多路径误差”的技术大致可以分为以下几类:空间处理技术、接收机改进技术 和数据后处理技术。空间处理技术是使用一种已知或部分已知信号传 输的几何特性的天线将原始信号分离出来，比如采用特殊天线、用多 天线阵进行空间处理、天线定位策略或者利用长期的信号观察来推断 多路径干扰特性。而接收机改进技术和数据后处理技术则是对接收机 接收到的信号人为地进行分解,以确定直接到达天线的导航信号。而 近几年科学家又发现了基于EMD的虑波方法。这些方法对GPS的精确度 都有很大提高。3.1空间处理技术在降低多路径误差方面的使用（1）选择合适的天线

12、站址多路径误差不仅和卫星信号方向和反射系数有关，而且和反射物 离站远近有关，天线接收方面的处理技术主要是使用各种方法将原始 信号和反射信号分离出来，达到削弱多路径效应的目的。需用考虑以 下因素：1）测站周围地面应该能较好地吸收微波信号的能量，这样使接收器更 好的接收信号。2）不易选在山坡、山谷、盆地或高层建筑等，避免反射信号从天线抑 径板上方进入天线产生多路径误差；山坡、山谷、盆地等是易产生反 射的地区，这些反射波将产生很大多路径误差，从而影响精度。3）将天线放置在地面上，使地面反射点和天线位置重合，这样次级路 径和原始路径几乎具有相同的延迟。4）观测时，人也不应走近并高于天线。这样避免信号以

13、人为反射面而产生的多误差效应。(2) 天线加装抑径盘和扼流圈所谓抑径盘，指的是在天线底部加装一个扁平圆盘，它的半径可以通 过r二h/sinZ计算。但是单纯利用抑径盘，并不能达到很好的效果, 因为反射信号会在抑径盘表面形成明显的衍射波，衍射波会在天线 内部进行传输。改进的抑径板设计了一个阻塞回路，该回路由 一系列同轴槽谷组成，槽谷的深度是载波波长的1 /4,这些很短的槽 谷就能对GPS传输频率产生很高的阻抗，感应的表面波就难以形成，并 且能够极大减小从水平板下面到达的信号，这就是扼流圈。但是这种 设计并不能很有效地减少从上面传输来的次级路径信号，这就需要其 它方式进一步的处理。(3) 定向天线阵

14、列空间处理方法的一个更有效的方法就是使用一个天线阵列，它能 够对原始路径信号的传输方向产生一个高度定向的空间相应模式，并 且减少次级传输信号的到达。但是由于来自不同卫星的信号有着不同 的到达方向和不同的多路径几何特性，很多定向模式必须能够随卫 星在天空中的移动和卫星不断改变的几何模式同步。由于这个原因， 这种定向的天线阵列不太具有实用性，并且对于许多设备来说也是非 常昂贵的。(4) 长期的信号观测如果一个GPS信号能够被长时期地观测，那么就能够利用卫星活 动所产生的多路径的几何特性。这种活动使得原始路径信号和次级路径信号之间的相对延迟发生变化,在接收到的信号中能够测量出该变 量。例如，由反射信

15、号对相位的不断增强或削弱而产生信号强度的周 期性变化是可以测量出来的。这对于固定位置（比如说一个差分GPS 基站）是一个很有效的消除多路径的方法，在这种情况下，就可以通过 每天观测同一个卫星来找出它的伪距模式或相位测量值。【3】 3.2接收机的改进机技术在降低多路径误差方面的使用除了对天线进行改进外，接收器的改进技术也是当前降低多路径 误差效应的一种重要方法。在GPS定位中，接收机收到的信号中,原始路径信号总是优于次级 路径信号，所以互相关函数的最左边部分理论上是不受多路径干的。 因此，如果测量出了左边部分的位置，它就是没有多路径干扰的原始 路径延迟。但是在原始路径和次级路径只有很小区分的情况下，互相 关函数不受干扰的部分仅仅是左边的很小一部分，从那里曲线开始上 升。在这一部分不仅信噪比很小，而且曲线的斜率也非常小，这会很大 地降低延迟估计的精度。由于这种原因，在原始路径和次级路径区别比较大的情况，可以 利用相关技术测出左边函数，得到没有多路径误差效应的数据。但是 即使是在这种情况下对互相关函数最左边斜率的估计也会有问题，因 为它能使信号强度产生变化。同时NovA tel公司的MEDLL技术在消除多路径方面也得了广泛的 利用。这种技术能消除单独使用窄相关器这种技术下伪距和载波相位 多路径延迟引入误差的90%。MEDLL使用了NovAtel