GPS多路径误差处理

GPS多路径误差处理

南京信息工程大学资源环境与城乡规划管理系，南京 210044

摘要：多路径效应是GPS测量中一种主要的误差源,严重损害了GPS的测量精度。文中就多路径效应对GPS测量误差的影响,分析多路径效应产生的原理和一些特征,介绍消除或减弱多路径误差的方法措施。重点分析利用信噪比削弱多路径误差的方法,该方法从接收机接收的信噪比中分离多路径信号成分和直达信号成分,得到多路径对直达信号的影响量,通过改正相位观测量,从而达到消除或减弱多路径误差的目的。

关键词：GPS多路径误差、处理方法、信噪比

1 引言

随着近距差分GPS和民用GNSS系统的发展在各项误差源中,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, 动态定位精度已可达亚米级,因此环境影响引起的误差,尤其是多路径误差就成为影响高精度定位和授时的重要因素之一。对于一般的接收机来说,多路径信号对直视信号是一种干扰,因为多路径信号比直视信号经过了更长的路径才到达接收机,所以到达接收机时的多路径信号不论是载波相位还是码相位都和直视信号不一样,接收机对直视信号和多路径信号的混合信号进行捕获和跟踪,自然会产生误差,尤其是码相位,码相位误差最终会导致伪距误差,所以一般的接收机都会采取一定的抗多径手段来消除多径干扰。目前,对GPS接收机多路径干扰的研究,主要切入点有:(1)射频前段,通过有效设计以提高天线增益,如扼止环(choke ring)天线;(2)事后数据处理,主要用于差分GPS领域和RTK中;(3)接收机内部信号处理。接收机内部的处理技术可以消除短时延多路径干扰和长时延多路径干扰,是研究GPS接收机抗多路径的重点。

2 多路径误差的产生机理

2.1多路径误差概念及特性

一般情况下,除了直接的GPS信号外还有经测站周围各种介质如地表建筑物等一种或多种反射信号进入接收机天线,由于反射信号的振幅远小于正常信号,迭加的结果是使接收信号有一附加干涉延迟,使观测值偏离真值。由多路径误差产生的机理可以看出,多路径效应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。经过一系列的研究和实验,发现多路径效应是:

1)多径误差包括常数性和周期性两部分常数部分取决于天线周围的具体环境,属于系统误差,无法削弱和消除;周期性部分可以通过延长观测时间得以削弱或消除。多路径效应在各站之间没有相关性。

2)多路径误差影响码观测值和载波相位观测值多路径效应对伪距观测值的影响可达几十米,比对载波相位观测值的影响通常大两个数量级。在高反射环境下,多径误差常常导致信号失锁,许多周跳就是由于多路径误差引起的。无论是码观测值还是载波相位观测值,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几

百倍。

3)多路径效应的大小与卫星仰角有关,卫星仰角越低,影响就越大。

4) 在静态的测量中,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,给距离观测带入大约5 cm的显著周期性偏差,而高程影响可以达到±15 cm。

2.2多路径误差模型

下面只考虑有地面反射的情况:

从卫星发出的信号到达GPS接收机A的天线时,有

直接信号,也有天线周围地物反射来的间接信号,同直

接信号相比,反射信号的路程增加了(D1+D2),由图1

所示。

D1=D2cos(π-2ε)=-D2cos(2ε)(1)

D2=H/sinε(2)

其中,ε为卫星高度角,H为天线至地面的高度。图1多路径误差示意图

所以反射信号比直接信号多经过的路程为:

D=2Hsinε(3)

因此可以推算得反射信号与直接信号之间的相位差θ为:

θ=2πλD =2πλ2Hsinε=4πHsinε/λ(4)

3多路径处理方法

3.1天线接收方面的处理方法

在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。

1)选择合适的天线站址

多路径效应不仅与(4)式中的各项参数因素有关,也与天线周围的建筑物和环境因素有关,选择合适的站址时需要考虑以下因素:

①实际工作中应选择点位周围高度角10°~15°以上无障碍物、无高压线的环境,但是实际测量中并不是能完全按照理想环境进行选择;

②测站应离开高层建筑物、湖面或枝叶茂密的树林等能产生反射不利信号的地区,远离GPS 信号干扰源;

③观测时,人也不应走近并高于天线。

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 /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。国内的高玉平、刘子懿等人针对501天线,制作了带扼流圈和抑径盘的天线。501天线是用于综合原子时项目中的单频接收机的GPS天线,扼流圈是带多个圆环形凹槽的圆盘,当凹槽的深度略大于观测信号波长1/4时,可以阻止衍射信号在其表面进行传播。实验证明,改进的接收机天线即带扼流圈的天线,可以明显改善接收机的抗干扰能力,可以有效削弱多路径效应的影响。另外,对于固定位置进行长期信号观测也可以

削弱多路径效应。

3.2接收机的改进方法

孙淑光进行了基于窄相关技术的GPS接收机多径误差分析窄相关技术是使迟早信号超前、滞后准时信号的上升沿和下降沿,当多路径信号的时延超过1/2码宽时,可部分屏蔽掉多路径误差;邵连军、王泽民等人研究了消除多路径效应的DBF算法在GPS接收机部分的应用, DBF天线是由一组独立天线组成的活性阵列,它将各单元接收的信号先进行A/D转换,然后再进行DBF算法处理,这样可以削弱或消除多路径效应。

4多路径效应的消减方法

4.1 一般方法

目前解决多路径误差的方法大致可分2类:硬件设计和事后数据处理。硬件设计主要集中在对天线构造的改良和对接收机内部载波跟踪环、延迟锁定环性能的改进。而对于大多数用户来讲,解决多路径误差的方法主要集中于从事后数据处理的角度入手。在存在恶劣多路径的环境下,多路径测量的误差可达到米级。如果多路径效应不解决,就不可能得到高精度的测量结果。常用的削弱多路径效应的方法有:

1)选择合适的站址。GPS测站应远离大面积平静的水面,不宜建在山坡、盆地或金属矿区等地,这些地区会引起强烈的反射信号。另外,GPS测站不应选择在高层建筑物附近及具有电磁波强辐射源的地方。

2)接收机。多路径误差在很大程度上取决于接收机的设计方案。若给定一组多路径参数,相干延迟锁相环(DLL)的平均多路径误差比非相干延迟锁相环(DLL)的小。当多路径的相对相位变化率与码跟踪环带宽相比很大时,相干(DLL)误差确实平均为零。

3)采用相关器窄间隔的技术。在非相干DLL中采用超前和滞后相关器窄间隔的方法。利用小部分的相关函数(在峰值周围)来构成鉴相器,可使最大多路径误差减少10倍,并可完全消除相对延迟大约在一个码位或更大的多路径。

4)采用抗多路径天线。在某些天线设计中,通过增益方向图的赋形,使天线自身具有部分多路径抑制性能。当用户天线离地面有一定高度时,来自导航星的直达信号都从天线的主瓣上入射,而由地面反射的多路径干扰主要从天线的旁瓣入射,基于直达信号与多路径干扰的到达角不一样,使用抗多路径天线是一种比较简单的方法。

5)采用空域和时域自适应天线阵列。多路径干扰随空间和时间的变化而在不断的变化,用单一的抗多路径天线空域处理或自适应滤波的时域处理方法都难以获得理想效果,结合空域和时域2个方面的思想,用时空自适应阵列处理应是较好的选择。不过由于GPS接收机的低本、机动性和多通道同时接收的特殊要求,目前看到的仅仅是一些简单的、易于实现的时空组合处理方法。

6)采用加权几何精度因子选星的方法。采用加权几何精度因子选星方法并采用定位误差方差最小原则,构造不同加权的GDOP值,尽量不用那些多路径误差可能相对较大的观测方程。这种方法可以明显减小多路径对定位误差的影响。综合定位误差可减小到原有的三分之一以下。

7)多路径估计技术和多路径估计延迟锁定环技术。多路径估计技术是采用接收机接收的信号的自适应函数的斜率来估计在多路径环境下码对于直达信号的相位延迟,从而减少多路径对观测的影响。而延迟锁定环技术是应用极大似然估计的方法来非线性拟合多路径误差的振幅、

相位和延迟等参数。

4.2 利用信噪比消除多路径误差的方法

信噪比(SNR)是指接收的载波信号强度与噪声强度的比值。大多数的接收机将SNR表示成C/No,单位:dB-Hz。其主要受天线增益参数、接收机中相关器的状态、多路径效应3个方面的影响。当卫星信号发生多路径效应时,卫星信号质量将会降低,SNR值将随之发生变化。由于信噪比与相位残差相比,对天线姿态有较小的敏感性,则可以通过对每颗卫星接收信号的信噪比率(SNR)进行分析,从而估计出多路径对信号的影响程度,并通过一定的方法,从复合信

号中分离出多路径影响,得到“干净”的观测量,消除多路径对GPS观测量的影响。

4.2.1天线增益信噪比

天线是用来发射和接收电磁波的。天线性能一般是由一些特性参量来表征的。同一种天线既可用于接收,也可用于发射。无论发射或接收,其天线的基本特性参量保持不变。信噪比是表征接收机天线所接收到信号大小的一个量值。在大多数GPS接收机里,信噪比(SNR)表示载波信号与噪声的比例关系(即载噪比No),它定义为接收机接收载波信号的强度与噪声强度的比值。影响信噪比的因素很多,主要有接收机内部跟踪环路中相关器的特性及相关器的执行

情况,所使用接收天线的增益特性及多路径信号的强度等。

4.2.2信噪比模型

信噪比能较好地反映接收卫星信号的质量,当多路径效应发生时, SNR值会发生相应变化。

C/No值通常在45 dB-Hz左右,信噪比值越高,相应的信号质量越好,观测精度越高。用信噪比表示L1、L2载波观测值中误差的近似方程

式中:B为接收机锁相环的带宽,C/No为信噪比强度,λ为载波波长。

利用接收机获得的信噪比信息,可建立模型

式中:σ为卫星载波相位观测值中误差,C/No为观测历元的信噪比,Ci为常数项,Brunner给出

常数项Ci为。

4.2.3利用信噪比削弱多路径误差的算法

根据电磁波理论,接收机接收到的直达信号和多路径信号复合成复合信号被接收机PLL环路跟踪,信号可表示为复数形式r=Aejφ。式中:A表示信号振幅,φ表示信号相位,J为复数单位。一般来讲,当多路径信号ai均小的时候,则有

式中:A0为直达信号振幅中的固定部分,Aa为标准化的天线增益。

在GPS接收机中,跟踪环路除记录锁定的GPS卫星的载波相位观测量外,还同时记录了每个历元载波相位观测量对于噪声的大小,即信噪比率SNR,在本文讨论信噪比率时,主要指它在

振幅上的大小,而不是它在能量上的强度。因此,用SNRA来代替SNR,表征信号的振幅率,则

有SNRAc表示复合信号的信噪比率。SNRAd表示信号的信噪比率,SNRAm表示多路径信号的信噪比率。则有

对于不同的天线,天线增益图也不同,用户难以获得很精确的天线增益图来求出SNRAd,可以假设天线增益图在空间连续平滑变化且对卫星高度角和方位角不是特别敏感,当历元间隔不是很大时,可以认为历元间SNRAd是非常接近,可在历元间求差来消除直达信号的信息。即ΔSNRAm=ΔSNRA+v.

可解出各个历元中多路径的振幅aiA0cosψi。由于各个多路径之间是相互独立的,它们对合成信号的影响并不是简单的叠加而是代数和,即

在解出多路径信号的振幅后,可由上式求解出各个历元由多路径引起的相位偏差σψ,并在相位观测量中加以改正,就可以得到完全“干净”的观测量,然后再求解GPS基线。

4.2.4 处理流程

根据上文所述，同时由于VB 是一个功能强大的可视化编程工具，其灵活性是开发该软件的最大优点，它可以根据系统的需求来实现功能，设计的系统短小精悍，软硬件要求低，运行速度快。另外，用VB 开发的系统，易于扩展成各种系统。故本软件采用VB 开发，其开发流程如图 2 所示。

图2 软件实现流程

5 结束语

在GPS定位测量中出现的多路径效应的改善方法中,采用改进天线的方法在某些地方能起到一定的显著效果,但是这些方法成本较高,并且不易实现;接收机改进技术也能够有效的改善多路径误差的影响,但是同天线改进一样,也存在用户接触硬件并且进行相关技术改造实施难的问题。多路径效应是影响定位精度的决定性因素,只有很好地消除多路径效应的影响,才能使测量精度得到实质性提高。本文通过分析多路径产生的原图,介绍了几种常用的抗多路径的方法,另外通过分析GPS信号的信噪比SNR,利用频率特性来削弱多路径效应。该方法从接收机接收的信噪比中包含了载波相位多路径的影响出发,通过分离多路径信号成分和直达信号成分,得到多路径对直达信号的影响量,来改正载波相位观测量,达到消除或减弱多路径的目的。如何消除或减弱多路径效应的影响已成为国内外学者研究的热点问题,随着GPS接收机性能的提高,新技术手段的应用,对多路径效应产生的误差一定可以找到有效的消除或减弱的方法,从而提高GPS测量的精度。

参考文献：

[1]张波,黄劲松,苏林2利用信噪比削弱GPS多路径的研究[J]2测绘科学, 2003, 28(3)2

[2]张文明,周一宇,姜文利2基于扩展卡尔曼滤波的GPS多径抑制技术[J]2宇航学报, 2003, (1)2

[3]孙淑光2基于窄相关技术的GPS接收机多径误差分析[J]22004, (1)2

[4]高玉平,等2单频GPS接收机天线扼流圈的研制与测试[J]2时间频率学报, 2006, (6)2

[5]周晓卫,等2HVF方法在GPS多路径效应研究中的应用[J]2大地测量与地球动力学, 2007, (2)2

[6]钟萍,丁晓利,郑大伟2CVVF方法用于GPS多路径效应的研究[J]2测绘学报, 2005, (5)2

[7]卢晓春,杨旭海,李孝辉,胡永辉2一种新的多通道GPS共视资料的处理算法[ J]2武汉大学学报(信息科学版), 2003, (12)2

[8]马煦,侯俊,瞿稳科2GPS多路径特性分析及处理技术[J]2电讯技术, 2006, (3)2

[9]戴吾蛟,丁晓利,朱建军,陈永奇,李志伟2基于经验模式分解的滤波去噪法及其在GPS多路径效应中的应用[J]2测绘学报, 2006, (11)2

[10]邵连军,王泽民,伍岳,孟泱2GPS消除电子干扰和多路径效应的新方法[J]2全球定位系统, 2004, (6)