GPS多路径效应误差及处理技术

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20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, 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。

GPS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：
(1)在只有垂直面反射波多路径效应程差
图1 在只有垂直面反射波多路径效应程差
如图所示，由反射引起的误差主要是由于s1和s2叠加的结果，其中
s1=d/sinβ
s2=d/cos（180-2β）
总距离延迟量为
s=s1+s2=2dsinβ
式中：d—接收天线至建筑物垂直面的水平距离
β—反射波的入射角
s1—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s1和s2叠加的结果，其中
s1=d/cosβ
s2=dsin(90-2β)/ cosβ
总距离延迟量为
s=s1+s2=(d+dcos2β) /cosβ
式中：d—接收天线至建筑物垂直面的水平距离
β—反射波的入射角
s1—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
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(α-β)
s2=s1sin(90-2β)=dcos2β/ cos(α-β)
总距离延迟量为
s=s1+s2=2dsin2β/ cos(α-β)
式中：d—接收天线至建筑物垂直面的水平距离
β—反射波的入射角
α—反射面的倾角
s1—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4～5 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±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 = h / sin Z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NovAtel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的平行通道采样专
利技术来获得接收信号完整的相关函数包络线。

MEDLL使用平行相关器采样技术和极大似然估计技术的组合实时分解到达天线的接收信号,并分解出反射到达的接收信号。

MEDLL 技术通过对所有分解出来到信号振幅、延迟和相位的分析,确定出延迟最小的信号就是直接到达的信号,然后把其它和其相比延迟更大的信号剔除,从而实现消除多路径误差。

3.3数据后处理技术在降低多路径误差方面的使用
现在的GPS在天线和接收器的硬件方面得到了很大的提高。

和此同时数据后处理技术的配合使用也大大增加了GPS数据的精度。

所谓的数据处理技术是从原始的观测技术或定位结果数据中提取多路径效应的影响。

今年来出现了多种数据后处理技术，主要有1）信噪比技术
多路径效应的周日重复性和其对周边观测环境的依赖性来判断出多路径效应在特定卫星、特定时间段上的存在, 并且考察同一时间段上SNR值(信噪比)的变化以及卫星观测残差的变化, 验证了当有多路径效应发生时,SNR值会相应降低, 利用观测值的信噪比降低受多路径效应影响的观测值的权重, 从而削弱多路径误差。

【4】
2) 扩展卡尔曼滤波技术
利用小范围多天线系统中多路径对各天线之间伪距测量值影响的相关性, 出现了采用扩展卡尔曼滤波技术得到多路径信号各参数, 然后从接收信号中消去多路径信号以抑制其影响的方法。

【5】
3) 仰角加权方法
有一种处理多通道GPS共视资料的方法, 即利用仰角
加权的方法。

B IPM (国际权度局)目前采用去掉低仰角(20°
以下) 的数据, 然后对每13min的跟踪时间内多通道的共
视比对进行等权平均。

我们知道, 卫星仰角越低, 多路径
效应的影响就越大。

因此, 可以通过对仰角加权算法达到更真实的方差逼近, 以期更好的消除多路径误差【6】
3.4基于EMD的虑波方法
EMD(即经验模式分解技术)是一种新的信号处理技术, 它基
于数据本身且能在空间域中将信号进行分解, 从而区分噪声信号和
有用信号。

戴吾蛟、丁晓利等人提出了根据EMD分解白噪声而得到的本征模式函数( IMF)分量的能量密度和其平均周期的乘积为一常量
这一特征, 建立一种新的EMD滤波去噪方法, 将其使用于多路径效应中, 可以达到削弱多路径误差的目的。

【7】
该方法的本质是对一个信号进行平稳化处理，对信号中不同尺度的信号逐级分解开来，产生具有一系列具有不同特征尺度的数据序列。

每个系列称为一个本证模式函数分量。

EMD的虑波是一个从高频到低频的逐级筛选过程，它无需进行频域上的转换，因此比小波方法更直接，是一种基于数字本事的自适应滤波去噪方法。

在GPS定位测量中，多路径误差是影响数据精度的一个重要因素。

而本文介绍的误差处理技术对降低“多路径误差效应”有很大改观，和此同时科学家们也在研究更有效的措施来降低“多路径误差效应”
虽然以上的几种多路径误差的处理技术在降低“多路径误差效应”上提供了一定的帮助，但他们仍存在一些问题。

空间处理方法在误差处理方面有一定的效果，但是他的成本比较高，而且可行性比较低。

接收器改进技术可以比较出色的解决路径多效应，但是这项技术比较高端，很难普及。

数据后处理技术还需要进一步的理论论证和实际工作汇中的检验。

最近几年,小波变换、非线性估计理论和扩展Kalman滤波等也被使用于处理多路径问题,结果有待实践的检验。

不过随着科技的进步，GPS测量技术一定会更加普及，在人类的智慧面前，多路径效应终会被很好的解决。

四．结论
从本文的有关介绍可以看出，GPS 定位测量精度和所处的外界环境有很大的关系。

在已有工程实践中，多路径误差的量级在一般环境下伪距定位时可达米级, 在载波相位测量中可达厘米级,在高反射环境下更大。

即使延长观测时间, 也无法完全削弱其影响。

因此,在高精度的测量及导航中,必须顾及多路径误差的影响。

同时，多路径效应可以作为检验卫星信号质量优劣的一个参考。

由于多路径效应和环境变化、天线特性、反射物特性及反射物和接收机位置关系密切,多路径效应处理的理论和方法还不成熟,因此多路径效应的研究有很大的发展空间。

本文介绍了多路径误差的概念及特点。

了解有关内容，有利于在研究多“路径误差效应”实验时检验实验结果。

之后，介绍了现在一些比较常用的处理技术，包括天线和接收器的硬件方面及数据
后处理方面，这些技术对处理“多路径误差效应”都有明显效果，但是他们都存在一些不足。

因此研究“多路径误差效应”已成为现代科技研究的一个重要课题。

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