GPS测量中的多路径分析综述

■赵立都

（长安大学地质工程与测绘学院 陕西西安710064）

GPS测量中的多路径分析综述

■赵立都

（长安大学地质工程与测绘学院 陕西西安710064）

作为影响GPS测量信号的干扰源，多路径效应为众多研究者所关注。多路径效应使得GPS测量的精度降低，严重时还将引起信号失锁。针对这一问题，本文综述了多路径效应产生的原理、作用特性、影响规律以及目前处理多路径误差的技术。

GPS多路径效应直射信号反射信号数据后处理

1　引言

在高精度GPS测量各种误差源中许多误差诸如星历误差、卫星钟误差、大气折射误差和接收机钟差，都可以通过改正模型或差分技术得到减弱或消除。但是多路径效应在基线两端不具有相关性[1]，无法通过上述方法减弱或消除，从而使多路径误差成为GPS测量的主要误差源，因此如何削弱多路径误差成为高精度GPS测量主要问题。本文阐述了多路径产生的机理、特性及影响规律，为测绘工作者工程实践提供参考与依据。

2　多路径特性分析

2.1多路径产生机理

在正常情况下，卫星信号沿光程最小的路径从卫星直接到达接收机天线。如果天线附近有反射物体，到达接收机天线的信号为直接信号和反射信号的叠加信号，反射信号对观测值的影响产生了一个附加的时延量，这种现象称为多路径效应。多路径效应严重时会导致信号失锁，多路径效应是GPS测量的主要误差源[2]。

设直接信号为

反射信号为

这里V和φ为直接信号的振幅和相位，aV为反射信号的振幅，0≤α≤1，θ为反射信号对直射信号的相移，则合成的接收信号为：

式中ψ为由接收机多路径干扰引起的载波相位误差。经简单推导得到：

由于卫星、反射体和天线的几何变化，θ随时间缓慢变化，导致载波相位多路径误差ψ的周期性变化。对于给定的α，对（2）式求极值可得出，当θ=±arccos(-α)时，ψ达到最大值为ψmax=± arcsinα，由此可知，多路径载波相位误差的振幅仅取决于反射信号的相对信号强度。当α=1时，得到这一最大误差为90°，对于L1频率而言，相当于4.8cm的距离误差，对于L2频率而言，相当于6.2cm的距离误差。

2.2多路径特性

由多路径误差产生的机理可知，多路径误差与卫星相对于天线的空间关系以及天线周围的地物环境有关。有关研究表明,多路径误差可分为两部分[3]，即周期性部分，通过增加观测时间可以消除；固定部分，即使多次重复观测也消除不了的，因为多路径效应在各站之间无相关性。多路径效应的大小也与卫星高度角有关，卫星高度角越低，影响就会越大[4]。

3　多路径误差的减弱措施

由于多路径误差具有时空环境效应的特殊性质，它不同于其他GPS测量的误差可以通过差分或改正模型来消除和改正，因此国内许多学者对多路径误差做了大量的分析和研究。本文将把这些成果从外业观测、接收机硬件、数据后处理三个方面进行归纳、分析和比较，对测绘工作者在外业观测和内业数据处理都有借鉴意义。

3.1外业观测的处理

由上述多路径误差的产生机理可知，多路径误差是由反射信号造成的。因此削弱多路径误差影响的最有效途径就是在数据采集时点位的选择应尽量避开各种反射源。因此，选择合适的站址时需要考虑以下因素：①测站应离开高层建筑物、湖面、枝叶茂密的树林、高压线等能产生不利反射信号的地区，远离电磁波强辐射的GPS信号干扰源；②测站周围地面能较好地吸收微波信号的能量，比如灌木丛、草地和其他地面植被；③观测时，人不应走近并高于天线。注意汽车也不要停放在离测站很近的地方。

3.2接收机硬件处理

接收机的改进技术主要是改进跟踪环路来削弱多路径效应的方法[6]。目前改进技术主要包括一下几个方面：①用扼流圈天线，阻断较低高度角的卫星信号和多路径信号；②在底部安装抑径板，隔断反射物反射的低于天线的多路径信号，可使多路径误差减少近1/3[7]；③采用右旋极化天线，削弱左旋信号的接收强度；④采用组合天线,提高组合天线主瓣增益，减弱多路径影响。

3.3数据后处理技术

后处理方法的主要思想是承认所测的数据中包含有多路径信息。从原始观测数据中去除或者减小多路径效应的影响，从而得到较“干净”的数据，再利用这些“干净”的数据求得基线向量。现有的后处理较常用的方法是建立多路径效应模型。目前已被广泛使用的滤波方法有小波变换法、EMD滤波法、Vondrak滤波、卡尔曼滤波等。

4　结论和展望

由于多路径效应不同于GPS测量中的其他误差,它具有较强的时空环境效应，在一定的客观环境条件下，它具有系统误差的特点，然而当客观环境条件发生变化时，它又表现出一定的偶然性，目前还很难用一个简单而又确切的数学模型来全面描述多路径误差影响的规律性。尽管目前已出现了多种新的多路径误差处理技术，但是由于多路径误差有其复杂的特性和产生形式，一些更有效地削弱多路径误差的方法和技术还需要进一步的研究和探讨。

[1]戴吾蛟,丁晓利,朱建军.GPS动态变形测量中的多路径效应特征研究 [J].大地测量与地球动力学,2008,28(1):65-70.

[2]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理 [M].武汉：武汉大学出版社,2012:12

[3]何丽敏,李小红.浅谈GPS多路径效应及误差处理技术 [J].测绘与空间地理信息. 2013,36(11):133-137.

[4]吉绪发,卢辰龙.GPS多路径误差滤波方法比较研究 [J].测绘通报,2015(4):10-13. [5]董绪荣,张守信,华仲春.GPS/INS组合导航定位及其应用 [M].长沙：国防科技大学出版社,1998.

[6]王利,刘超,范丽红等.一种GPS接收机抑径性能检测新方法 [J].工程勘察,2015(2): 64-68.

[7]张光胜,李任之,程钢.GPS多路径效应实验测试与分析研究 [J].测绘工程,2014,23 (12):31-34.

P217[文献码]B

1000-405X（2016）-2-158-1

赵立都（1991～），男，大地测量学与测量工程专业，硕士研究生。