多路径效应影响GPS测量精度分析探讨

2018-04-13杨开伟

数字通信世界 2018年2期

孟巍，杨开伟

（1.中国人民解放军92941部队43分队，葫芦岛 125001；2.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄 050081；3.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄 050081）

1 引言

近年来，GPS现代化不断发展，随着2010年8月1日美国第一颗block llF卫星的发射，导航定位信号扩展到L1、L2和L5，开启了导航定位的新格局[1]。自此全球广大用户可以使用GPS载波相位技术在信号未受到干扰的情况下获得厘米级、甚至毫米级精度。然而，经过传播到达地面的GPS信号强度较为微弱，易受到各种因素干扰，其中多路径效应引起的误差是影响GPS测量精度的显著因素。分析探讨多路径效应在GPS实际测量中的影响程度、规律及其消除方法是提高GPS测量精度的重要课题。

2 多路径效应及其特性

2.1 多路径效应

从GPS卫星发射天线相位中心直接到达信号接收天线相位中心的信号，称为直接波。当发射信号由于受到附近的物体地面、水面、建筑物、树林等发生散射时，出现了反射波。实际上，GPS接收机所接收的信号应该是直射波与反射波的合成波。这种由多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称作多路径效应，是GPS测量中的一种重要误差源，严重损害GPS测量精度，严重时还会引起信号失锁。所谓多路径误差，就是反射波对直射波的破坏性干涉而引起的测站至卫星距离误差，导致GPS信号的能量发射衰减和相位发生延迟。

图1 多路径效应图

2.2 多路径效应的特性

（1）与时空环境相关。与卫星相对于地物的空间位置有关，与地物对GPS信号的反射能力有关，即与发射物的反射系数有密切关系。

（2）与接收机的性能（抑制能力）有关。GPS接收机都有不同的工作原理，所以跟踪和锁定GPS卫星信号的过程会有所不同，那么会导致接收机输出的观测量受到的多路径效应的影响不一样。

（3）与卫星运行周期有关。卫星空间结构相对于观测点是依卫星的运行周期而重复的，因此产生多路径的场景也是重复的，这直接导致它具有重复性。

（4）与一定频率相关。当产生多路径的场景一致时，反射介质的反射特性也一致，多路径信号随着卫星的运动而不断改变其入射角，而这种物理现象的产生和结束都是在一定的频率范围内进行的。

3 多路径效应实例分析

以三个GPS测量D级点（A点、B点、C点）作为测量真值进行多路径效应影响实例分析：

A点和B点位于山体中部位置，主要受到山上植被反射影响；C点位于开阔空地，周围无遮挡与干扰源干扰。选择在不同的季节时间所形成的不同条件，单点定位精度分析方法是将一台双频GPS接收机（GPS L1、L2频点，记录频率20Hz）分别架设A 点、B点、C点上，静态条件下连续观测1h，采集数据处理之后得出如表1～表3结果。

表1 A点时空环境变化影响分析

表2 B点时空环境变化影响分析

表3 C点时空环境变化影响分析

由实验结果可看出同一台接收机在同一时间位于不同环境下：A、B点位于山坡位置、C点位于开阔空地，其定位精度受多路径效应影响的情况显著，而与时间变化没有明显关系。

4 多路径误差削弱技术

4.1 GPS测量环境

GPS测量位置周围应选择开阔平坦地点，尽量不要架设于山坡、山谷、盆地底等位置，周围不应有大面积的平静的水面，附近不应有高层建筑物；尽可能地使GPS测量点远离发射源50m以外，这样可以排除或极大地减弱发射信号的干扰；同时为了提高测量精度可以延长观测时间。适当延长观测时间对消除或消弱多路径误差是必要的。