应用EMD方法削弱GPS测量中多路径效应实例分析
GPS测量中的多路径误差分析与抑制方法
GPS测量中的多路径误差分析与抑制方法GPS（Global Positioning System）是一种通过卫星导航定位的技术，它在现代社会中发挥着重要的作用。
然而，在实际的测量应用中，我们常常会遇到多路径误差的问题。
本文将对GPS测量中的多路径误差进行分析，并介绍一些抑制方法。
一、多路径误差的成因分析多路径误差是指卫星信号在传播过程中，经过反射、折射等导致信号在接收机处反复干涉造成的误差。
主要的成因包括：1. 建筑物和地形：由于建筑物和地形在信号的传播过程中会发生反射或阻挡，导致信号存在多条路径到达接收机，产生多路径误差。
2. 植被和水体：植被和水体也会导致信号的反射，特别是在绿色植被茂盛或水面平坦的地区，多路径误差更加严重。
3. 天气条件：天气条件的变化，特别是雨、雪、雾等天气情况下，会导致信号的散射和延迟，增加多路径误差。
二、多路径误差对GPS测量的影响多路径误差对GPS测量会产生一些负面影响，主要包括以下几个方面：1. 定位误差增大：多路径信号的干扰会使接收机接收到的信号发生偏差，导致定位误差的增大。
2. 高精度测量受限：在需要进行高精度测量的应用中，多路径误差会严重影响测量结果的准确性和精度。
3. 时钟同步误差：GPS接收机的内部时钟由于多路径干扰的影响，可能导致时钟同步误差的增大。
三、多路径误差的抑制方法为了减小或抑制多路径误差的影响，我们可以采取以下一些方法：1. 天线设计优化：通过改变天线的设计和安装方式，减少信号的进入和反射，降低多路径误差的发生。
2. 多天线接收：利用多天线接收系统，可以通过接收到多个信号进行抗干扰和抑制多路径误差。
3. 算法优化：通过改进算法，对接收到的信号进行处理和滤波，提高定位的准确性。
4. 参考站技术：通过设置一个或多个参考站，对GPS信号进行监测和修正，减小多路径误差对定位的影响。
5. 外部传感器的使用：通过与其他传感器（如惯性导航仪）的融合，提高测量的准确性和精度，减少多路径误差的影响。
GPS定位中的多路径效应分析与抑制技术综述
GPS定位中的多路径效应分析与抑制技术综述摘要：全球定位系统（GPS）在现代导航和定位应用中扮演着重要的角色。
然而，由于多种干扰和环境因素的影响，GPS定位准确度受到了很多挑战。
多路径效应是其中一个主要的问题之一，它是由于信号在到达接收器之前经历了多个路径的反射、折射或散射而引起的。
本文将从理论分析、算法设计和抑制技术等方面，综述GPS定位中的多路径效应分析与抑制技术。
引言：GPS定位系统由一组卫星和地面接收器组成，通过与卫星的通信，可以获得接收器的位置和时间信息。
然而，在实际应用中，由于信号在传播过程中可能会经历多路径效应，GPS定位的准确性会受到严重的影响。
多路径效应是由于信号在到达接收器之前经历了反射、散射或折射等过程，导致接收器收到的信号中包含多个时间延迟和幅度衰减不同的信号成分。
1. 多路径效应原理分析多路径效应是GPS定位中的主要误差源之一，它对定位精度和可靠性造成了持续的影响。
多路径效应的发生原因主要有以下几个方面：地面上的建筑物、山丘、树木和其他结构物会引起信号的反射和散射，形成多个传播路径；大气层中的湍流运动会导致信号的传播路径变化；地面上的输电线路、建筑物的支架和其他移动物体也可能对信号的传播造成影响。
2. 多路径效应分析方法针对多路径效应的分析方法主要包括实测方法和仿真方法。
实测方法通过在不同环境条件下进行实地数据采集，并对采集到的数据进行分析，从而获取多路径效应的特征和影响程度。
仿真方法则是通过建立信号传播模型，模拟信号在不同环境中的传播过程，从而得到多路径效应引起的误差。
这两种方法结合起来可以更全面地了解多路径效应的特性。
3. 多路径效应抑制技术为了减小多路径效应对GPS定位精度的影响，研究者们提出了多种抑制技术。
常用的技术包括：天线阵列和干涉技术、信号处理算法、空时处理和滤波技术等。
天线阵列和干涉技术通过利用多个接收天线，对不同路径上的信号进行时延和相位差分析，进而减小多路径效应的影响。
多径效应对GPS定位精度的影响及应对分析
多径效应对GPS定位精度的影响及应对分析作者：朱丽梅邱雪君来源：《计算机光盘软件与应用》2013年第19期摘要：多径效应是影响GPS定位精度的主要环境因素之一，会对GPS接收机定位结果造成影响。
本文针对多径效应的产生和特点，分析了多径效应对GPS定位精度的影响，提出了几种可行的解决方法来减少其影响，提高定位精度。
关键词：误差；多径干扰；GPS定位精度中图分类号：P228.4GPS具有定位精度高，环境适应性强等诸多优点，在军用和民用等领域均得到广泛应用。
其基本定位原理是：通过接收至少4颗以上GPS卫星的伪距、伪距变化率和载波相位，计算相应的伪距和伪距变化，同时接收卫星的位置、时间与状态等电文信息，计算出当前GPS接收机自身的位置和速度，实现定位。
在GPS接收信息测量过程中，存在着各种对精度有影响的因素，为了提高定位精度需要对各种误差因素进行分析。
目前普遍采用基于两个或多个GPS接收机的差分定位，但采用差分定位只能对公共误差部分进行消除，无法解决多径效应对定位精度的影响，所以解决径效应问题是提高GPS定位精度的重要途径。
1 GPS定位精度影响因素及影响程度根据GPS定位原理，影响定位精度的主要因素来源于信号传播过程、相应的时间定位精度和接收机误差，因此对定位误差的贡献因子主要包括SA误差、大气层干扰、对流层延迟改正后残差、星历误差及多路径效应误差。
概括起来定位的主要误差来源可分为3类，即卫星误差、信号传播误差和接收误差。
（1）卫星误差主要包括星历误差和星钟授时误差；（2）信号传播误差主要包括电离层和对流层时延改正误差、多径效应误差、相对论效应误差和地球自转效应误差；（3）接收误差与GPS接收机有关，主要包括观测噪声误差、内时延误差和无线相位中心误差。
GPS卫星定位误差量级由表1所示：在上述误差因素中，GPS卫星的星历误差、卫星钟误差、GPS接收机钟差以及大气折射造成的误差等都有一定的规律可循，可采取一定的措施将误差影响降至最低。
基于一种改进EMD算法的GPS多径效应抑制方法
基于一种改进EMD算法的GPS多径效应抑制方法崔冰波;陈熙源【摘要】An improved filter method based on EMD is proposed to mitigate the multipath effects in short baseline double-difference GPS observation. Noise-assist data analysis is adopted to compress the noise for low-order intrinsic mode function (IMF) after analyzing thepropagation ofnoise in EMD. Signal-to-noise ratio (SNR) of the higher order IMF is increased which improves the accuracy of the EMD decomposition. A new threshold de-noising method is developed based on the proposed EMD algorithm. By altering in a random way the position of the samples of the first IMF, different noise versions of the original signal are obtained, and the position sensitive error of EMD is mitigated by averaging the multiple de-noising results. A comparative evaluation is made on simulation signals among wavelet de-noising method, conventional EMD threshold de-noising and our proposed method, and the results show that our proposed method outperforms the other two. At last, the method is applied in short baseline double difference GPS observation to separate the multipath errors and the results show that the new method is effective.%为了抑制短基线双差分GPS测量中的多径误差，提出了一种改进的经验模态分解(EMD)滤波方法。
GPS测量使用中常见问题解析
GPS测量使用中常见问题解析GPS（Global Positioning System）是一项被广泛应用于测量、导航和定位领域的技术。
在GPS测量使用过程中，常常会遇到一些问题。
本文将针对这些常见问题进行解析，并提供相应的解决方案。
一、信号遮挡GPS接收器需要接收来自卫星的信号进行定位，但在城市区域、山区、森林等环境中，往往会有高楼、树木、山脉等遮挡物阻挡卫星信号的到达。
这就容易导致定位误差。
解决方案：1. 尽量选取空旷无遮挡的区域进行测量，避免信号被遮挡。
2. 在天线安装位置的选择上，应尽量避免高楼、山脉等遮挡物存在的区域。
二、多路径效应多路径效应是指信号在传输过程中，会被地面、建筑物等物体反射，形成多条路径到达接收器，导致接收到的信号存在时间延迟，从而影响定位精度。
解决方案：1. 尽量选择开阔区域进行测量，减少距离接收器的反射物体数量。
2. 优化天线的安装位置，避免位于反射物体附近，尽量使接收到的信号一次传播到达。
3. 使用增强型的接收器，能够识别和抑制多路径效应，提高定位的准确性。
三、时间延迟由于天线到接收器之间的信号传播需要时间，而GPS系统中的距离计算是基于信号传播时间完成的，因此时间延迟的存在会导致距离计算不准确。
解决方案：1. 在实际测量中，应通过校正时间延迟来减小误差。
2. 使用精确的接收器和高精度时钟，能够减小时间延迟对测量结果的影响。
四、多径干扰多径干扰是指由于反射、散射等原因，导致与直射信号同一个频率的其他信号同时到达接收器，从而干扰接收到的信号，降低定位精度。
解决方案：1. 使用抗干扰能力较强的接收器，能够有效抑制多径干扰。
2. 在高干扰环境下，可以使用外部抗干扰天线或者滤波器来减小多径干扰对定位结果的影响。
五、卫星分布卫星的分布情况也会对GPS定位精度产生影响。
当卫星分布不均匀的时候，会导致某些区域的信号较弱，进而影响定位结果。
解决方案：1. 在进行测量时，尽可能选取卫星分布均匀的区域，以提高信号接收的准确性。
应用EMD方法削弱GPS测量中多路径效应的实例分析
应用EMD方法削弱GPS测量中多路径效应的实例分析摘要：随着科技的迅猛发展，GPS测量方法开始广泛应用。
GPS应用于水利、土木等各项工程,已取得许多试验研究成果。
在GPS的各项误差源中，卫星和接收机中差、轨道误差、大气折射和延迟误差等可通过双差观测或精确的模型改正予以消除或削弱。
因此，多路径效应成为GPS中影响高精度定位的主要误差来源之一。
而众多多路径效应误差的削弱方法中，数据后处理法是其中的主要途径。
其中的EMD方法是对一个信号进行平稳化处理,即将信号中不同尺度的信号逐级分解开来,产生一系列具有不同特征尺度的平稳的窄带信号，从而削弱多路径效应的影响。
关键词：GPS测量，多路径效应，EMD方法1前言随着近年来测绘事业的快速发展，GPS测量开始普遍应用，GPS测量具有高效、快速、全自动、全天候、高精度等优越性能，其卫星和接收机中差、轨道误差、大气折射和延迟误差（电离层和对流层误差）等也可通过双差观测或精确的模型改正予以消除或削弱，但是其多路径效应却成为了GPS中影响高精度定位的主要误差来源之一[3]。
因此如何削弱多路径效应误差已成为GPS高精度测量的主要问题之一。
多路径效应可以通过选择合适的站址、改进接收机、处理信号以及数据后处理法进行削弱。
目前，数据后处理技术仍是削弱多路径效应影响的一个主要途径。
但是目前的理论和方法还不是很成熟。
在目前应用的几种方法中，应用信噪比来提取多路径效应之前必须要进行误差筛选，而这也是一个非常困难的问题，故限制了此方法的运用。
而基于小波分析的Kalman滤波动态变形监测模型中，小波基的选择问题和小波分解层的确定是比较难确定的。
目前无论哪种方法还都不能将多路径效应产生的影响完全消除,多路径效应的研究还有许多值得深入的地方。
本文介绍、分析了EMD方法来削弱多路径效应的影响的实例。
2 多路径效应的含义2.1 多路径效应的产生GPS测量中的多路径误差是由于卫星信号的多路径传播所引起的，即GPS接收机天线在观测过程中收到的不止是卫星的直接波信号，而且还接收到经测站周围各种介质（如地表、建筑物、水面等）一次或多次的反射波信号。
GPS动态监测多路径效应分析
GPS动态监测多路径效应分析摘要：GPS给导航定位及大地测量等学科带来了一场革命性的变革。
它具有速度快、全天候、自动化程度高、测站间无需通视、可同时测定点的三维位移等优点，因而广泛应用于各种形式(如大坝、桥梁或工程结构等)的动态监测。
本文首先阐述了研究多路径效应的现实意义，并对目前国内外多路径的研究现状及其存在的问题进行了总结；其次是分析了多路径效应的信号特征，并利用多路径信号的频率特性，对基于小波分析的多路径效应研究；最后，通过算例分析，检验了小波分析减弱多路径效应对动态监测的影响，得到了满意结果。
关键词: GPS；多路径效应；小波滤波；滤波器设计Abstract: GPS navigation orientation and the earth to measure, and other disciplines bring a revolutionary change. It has high speed, all-weather, a high degree of automation, between stations without the sight, the simultaneous determination of point can be 3 d displacement etc, and thus widely applied in all kinds of forms (such as DAMS, Bridges or engineering structure, etc.) of the dynamic monitoring. This article elaborates the multipath effect of practical significance, and many of the path at home and abroad research present situation and problems are summarized; Second is analyzed the multipath effect of the signal characteristics, and using the frequency of the signal path characteristics of wavelet analysis based on the multipath effect research; Finally, through the analysis of the example, test the wavelet analysis abate multipath effect of dynamic monitoring, the effects of the results are satisfactory.Keywords: GPS; Multipath effect; Wavelet filter, Filter design0 前言GPS作为新一代的空间定位系统，自从20世纪80年代以来，尤其是进入90年代后，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。
GPS车辆定位导航系统中多路径效应的误差分析
【 关键 词】 车栽定位 导航 系统 ； Ｇ Ｐ ｓ ； 多路径 效应 ； 误差 ０ 前 言
车载定位 导航系统是集 中应用 了自动车辆定位技术 、 地理信息系 统与数据库技 术、 计算机技术 、 多媒体技术 、 无线通信技术的高科技综 合系统， 为车辆驾驶员提供 自 动 车辆定 位、 行车路线设计 、 路径引导服 务、 综合信息服务、 无线通信等功能 。提供车辆的位置 、 速度和航 向等 信息是车辆导航定位 系统的首要功能 对任何性能 良 好 的车辆定位导 航系统来说 ． 精度可靠 的车辆定位是实现导航功能的前 提和基础 在车辆 定位导航 系统 中． Ｇ Ｐ Ｓ 定位误 差 的性 质与其 他 Ｇ Ｐ Ｓ 应 用 中的误差有所不同。因为车辆 主要在高楼林立 、 林荫道纵横的城市环 境 中运行 ，所 以城市 当中的电磁环境会严 重的干扰 Ｇ Ｐ Ｓ 信 号而使定 位误差增大 ， 同时 Ｇ Ｐ Ｓ 接收机将遭遇非常复杂 的 ． 且变 化无 常 的多路 径。 在存在恶劣多路径的环境下 ， 多路径定位误差可高达几十米 ． 甚至 上百米 。因此在车辆导航定 位中 ． 多路径误差就成为一个必须考虑 的 误差源
部分 的相关 函数（ 在峰值周 围１ 来构成鉴 相器 ， 可使最大 多路径 误差减 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 Ｇ Ｐ Ｓ 信 少１ Ｏ 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 。 号接收机所观测的 Ｇ Ｐ Ｓ 信号是直接波 和间接 波的合成 波 所谓 的“ 多
△ ＝ ＧＡ — Ｏ Ａ＝ Ｇ Ａ（ １ 一 ｃ 。 ｓ ２ ８ ） ＝ —！ （ １ 一 ｃ 。 ｓ ２ 口 ） ＝ ２ 日ｓ ｉ ｎ
８ １ｎ Ｏ ＇
３ ） 采用抗多路经天线 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
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应用EMD方法削弱GPS测量中多路径效应的实例分析摘要
随着科技的迅猛发展，gps测量方法开始广泛应用。
gps应用于水利、土木等各项工程,已取得许多试验研究成果。
在gps的各项误差源中，卫星和接收机中差、轨道误差、大气折射和延迟误差等可通过双差观测或精确的模型改正予以消除或削弱。
因此，多路径效应成为gps中影响高精度定位的主要误差来源之一。
而众多多路径效应误差的削弱方法中，数据后处理法是其中的主要途径。
其中的emd方法是对一个信号进行平稳化处理,即将信号中不同尺度的信号逐级分解开来,产生一系列具有不同特征尺度的平稳的窄带信号，从而削弱多路径效应的影响。
关键词：gps测量，多路径效应，emd方法
1前言
随着近年来测绘事业的快速发展，gps测量开始普遍应用，gps 测量具有高效、快速、全自动、全天候、高精度等优越性能，其卫星和接收机中差、轨道误差、大气折射和延迟误差（电离层和对流层误差）等也可通过双差观测或精确的模型改正予以消除或削弱，但是其多路径效应却成为了gps中影响高精度定位的主要误差来源之一[3]。
因此如何削弱多路径效应误差已成为gps高精度测量的主要问题之一。
多路径效应可以通过选择合适的站址、改进接收机、处理信号以及数据后处理法进行削弱。
目前，数据后处理技术仍是削弱多路径效应影响的一个主要途径。
但是目前的理论和方法还
不是很成熟。
在目前应用的几种方法中，应用信噪比来提取多路径效应之前必须要进行误差筛选，而这也是一个非常困难的问题，故限制了此方法的运用。
而基于小波分析的kalman滤波动态变形监测模型中，小波基的选择问题和小波分解层的确定是比较难确定的。
目前无论哪种方法还都不能将多路径效应产生的影响完全消除,多路径效应的研究还有许多值得深入的地方。
本文介绍、分析了emd 方法来削弱多路径效应的影响的实例。
2 多路径效应的含义
2.1 多路径效应的产生
gps测量中的多路径误差是由于卫星信号的多路径传播所引起的，即gps接收机天线在观测过程中收到的不止是卫星的直接波信号，而且还接收到经测站周围各种介质（如地表、建筑物、水面等）一次或多次的反射波信号。
这些信号和直接来自卫星的信号产生干涉叠加，从而使观测值偏离真值，产生所谓“多路径误差”。
这种由于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。
2.2 多路径效应的影响
在目前的工程实践中，多路径误差的量级在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[2]。
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。
2.3 多路径效应的削弱
具体消除多路径效益措施可以从以下几方面：
2.3.1选择合适的站址
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,免受反射信号的干扰。
gps测站不应选在具有强反射的环境中，如水面、山坡、山谷、盆地及建筑物旁，以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gps测站应尽量避免有电磁波强辐射源的地方,如雷达、电台、微波中继站等[3]。
2.3.2对gps接收机进行改进
为了防止地面反射的卫星信号进入天线产生多路径误差，进行精密定位的接收机天线下应配置抑径板或抑径圈。
但是这种方法由于与硬件联系紧密，普通用户很难详细了解其内部构造，而且各种技术对不同的接收机处理方法也不相同，一般是硬件厂家重点研究的内容。
2.3.3数据后处理法
数据后处理法主要是从原始观测数据或定位结果数据中提取多路径效应的影响。
后处理方法是比较常用的一种用来削弱多路径误差的方法，各种分析和研究表明提高数据后处理技术仍然是解决高精度定位多路径效应的最有效方法,掌握这些方法对实际工作有重要意义。
3 实例分析
3.1 emd方法的基本思想
emd的基本思想是,认为任何复杂的信号都是由一些相互不同
的、简单的、非正弦函数的分量信号组成[4]。
基于此，可从复杂的信号中直接分离出从高频到低频的若干阶基本信号,即固有模态函数(intrinsic mode function,简称imf)。
imf需满足以下两个条件:①待分析信号中的极大点和极小点数之和与过零点的个数之差不超过1；②由极大点所构成的上包络线与极小点所构成的下包络线相对时间t轴对称。
emd的核心是产生imf的筛选分解过程,其具体步骤如下：
⑴初始化:r0=x(t),且i=1。
⑵提取第i个imf信号:
①初始化:h0(t)=ri(t),k=1；
②获取hk-1(t)的极大值点序列与极小值点序列；
③用三次样条插值拟合hk-1(t)的极值点序列,获得hk-1(t)的上、下包络线uk-1(t)和vk-1(t)；
④计算上、下包络线的均值曲线
mk-1(t)=(uk-1(t)+vk-1(t))/2；
⑤计算hk(t)=hk-1(t)-mk-1(t)；
⑥如果迭代标准满足则imfi(t)=hk(t),否则k=k+1并跳转至(2)继续迭代计算。
⑶计算剩余信号: ri( t)=ri-1( t)-imfi(t)。
⑷如果ri(t)的极值点数大于2,则i=i+1，并跳转至2,否则分解结束,ri(t)则为残余信号分量。
把所有imf信号分量以及参与信号分量相加即可完成原有信号的重构。
从以上emd分解过程可以看出,其本质是对一个信号进行平稳化处理,即将信号中不同尺度的信号逐级分解开来[5],产生一系列具有不同特征尺度的平稳的窄带信号。
3.2 实验结果
为了验证本文所用的emd法来提取多路径效应的有效性，我对emd处理前后单历元进行了统计，结果见下图。
从图中可以比较看出，在提取多路径后，单历元坐标序列优于emd处理前。
这说明了多路径效应的提取是成功的。
图1. 三天n方向坐标序列
图2 三天e方向坐标序列
图3 三天u方向坐标序列
图4 剔除自身多路径效应后的neu坐标序列
4 结语
在gps测量中，多路径效应影响的削弱已成为gps高精度测量的最主要的问题之一。
多路径误差的改善方法中,采用接收机改进技术也能够有效的改善多路径误差的影响，但也存在用户接触硬件并且进行实施可能的问题，改进天线在某些地方能起到一定得显著
效果，但是这些方法成本较高，并且不易实现。
目前，数据后处理技术仍是削弱多路径效应影响的一个主要途径。
多路径误差消除的程度直接与精密定位精度密切相关。
因此，关于多路径效应的研究仍然是今后gps精密定位中的一个发展趋势和研究热点。
注：文章内的图表及公式请以pdf格式查看。