整体式GNSS接收机多路径效应分析

2013-06-26何书镜

地理空间信息 2013年2期

何书镜

（1.福建省测绘院,福建福州 350003）

GNSS卫星信号从高空向地面发射，若接收机天线周边有强反射物体，接收机将接收到卫星到达天线的直接波信号以及经过反射和散射后到达天线的间接波信号。这2种信号产生干涉，使观测值偏离真实值，称为多路径效应[1,2]。多路径效应在GNSS观测中引起的误差虽然为偶然误差，但对测量结果的影响不可忽视，严重时会引起GNSS信号失锁。

整体式GNSS接收机由于天线单元、主机单元、电源单元整合在一起，与配有扼流圈或抑制板天线的分体式接收机相比，多路径效应的消除能力有所差别。为了解多路径效应对整体式GNSS接收机的影响，笔者使用整体式接收机Trimble R8 II和配套的TRM60158.00天线（该接收设备能提供L1、L2及P2三种原始观测值），运用自主编制的预处理程序处理，并与TEQC预处理结果进行对比分析，为之后的测量作业提供指导。

1 分析原理及方法

1.1 Turbo Edit周跳探测原理与方法

在进行数据质量分析之前，首先要对观测值数据进行周跳探测及粗差剔除。一般将LG组合观测值和MW组合观测值结合起来进行周跳探测，即Turbo Edit方法[3]。

在不考虑对流层、多路径、电离层高阶项及噪声影响的情况下，GNSS载波相位和伪距的观测方程进行组合，可以得到适用于周跳探测的LG组合和MW组合[4]，其表达式如下：

式中，φi为载波相位观测值；λi为载波波长；fi为载波频率；Ni为整周模糊度；I/fi2为电离层误差延迟；φLG为电离层残差组合观测值；NW为宽巷模糊度。

LG组合可以消除轨道误差、接收机钟差和对流层误差的影响，仅包含了电离层残差和L1、L2的实数模糊度组合的影响。MW组合得到的宽巷观测值波长达86 cm，因此适用于周跳探测及修复。对于MW组合，一般常采用Blewitt提出的递推算法来不断更新宽巷模糊度及其中误差。

1.2 多路径效应计算方法

由于载波的波长远小于伪距的波长，在计算伪距多路径效应时，可忽略载波的多路径效应。因此将式(1)考虑伪距多路径效应后，可组成线性组合观测值：

MP1、MP2分别包含了L1、L2伪距的多路径误差、测量噪声及整周模糊度与波长的乘积。从第1个历元至第i个历元求得均值然后用组合观测值减去该均值，得到去掉了整周模糊度的多路径与测量噪声误差。如果当前历元发生周跳或不连续，则需要以次历元为界线，前后分段计算。

2 多路径效应数据分析

2.1 分析软件程序流程及设计

根据式(3)设计数据预处理软件，见图1。

图1 程序流程图

选择测试数据（本次测试数据为0310号测试站点2012年第103天的数据，即03101030.12o与03101030.12n)，点击预处理。在程序状态窗口，将显示实时处理状态。数据预处理成功后，可进行后续操作，若不成功，应检查观测数据与导航星历时间是否匹配或格式是否正确。在该窗口下，可以对观测数据按截止高度角进行筛选，其值在输入框中给出即可。状态显示成功后，可查看站点信息、质量统计、多路径信息、周视图等信息。在站点信息中，可看到站点名称、观测数据的UTC日期、接收机及天线型号和测站点的笛卡尔及大地坐标系下的近似坐标等信息。在质量统计信息中，列出所有卫星的观测历元个数、观测值信息不足的无效历元个数、每颗卫星发生的周跳次数及粗差数以及所有有效历元的总时间和第1个有效历元开始时间，并在最后1行给出统计信息。在多路径信息中，列出每颗卫星所有有效历元的平均高度角、平均方位角、L1和L2波段上的多路径效应残差值，并在最后1行给出统计信息。在多路径周视图中，圆圈代表高度角，越靠近中心，高度角越高；图中向上方向为站点北方向，用来表示卫星相对于站点的方位角。

2.2 与TEQC结果的对比分析

TEQC是由美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体（UNAVCO Facility）研制的为地学研究GPS监测站数据管理服务的公开免费软件，主要功能有格式转换、编辑和质量检核。本文用TEQC检核实测数据质量，并与自编软件得到的结果进行比较，来验证精度分析方法的可行性以及程序的可靠性。

由于TEQC计算出的mp1、mp2、ele及azi这4个文件包含了所有观测数据，未对高度角进行筛选，可将这4个文件导入到本文软件中，然后读取信息，并将信息输出到表格，得到相对应的质量统计及多路径信息。

将由本软件直接计算得到的多路径信息中的表格数据，与从TEQC计算结果中提取的多路径信息中的表格数据，复制到Excel中，借助画图工具，可得到本文程序与TEQC结果对比图，如图2所示。本文软件计算结果与TEQC结果基本一致。个别较差大于0.05 m是由于所采用的周跳探测方法及相邻历元组合观测值之差的阈值不同，导致分段不同，从而使计算中消去的整周模糊度不同。

图2 与TEQC结果比较图

对图2中MP2值差别较大的12号卫星作进一步分析。利用软件输出单颗卫星的多路径及高度角信息，分别得到12号卫星的详细信息文件，使用Matlab绘图工具进行绘图，得到图3。可以发现，图3显示了12号卫星L2的伪距多路径信息，其中L2在高度角较低时，TEQC对该卫星进行了错误分段，使得其中一小段历元（362～418）计算的多路径值明显偏离，导致最后的MP2残差值与本文计算结果不同。