高精度GPS测量中多路径误差的研究
GPS测量中多路径效应研究综述
Ａｂｓｒ ｔ：Ｍ ｕｌｉ ｔ ｆｅｃ ｅｓ ｔ ｎ ｔｈ ｉ －ｐｒ ｉ ｉ Ｓｐｏｓｔｏｎｎｇ ａ ｉ ｎｇ Ｅ ｓ ｔａｃ ｔｐａ ｈ ｅ ｔＰ ｒ ｅｎ ｉ ｅ ｈ ｇｈ ｓ ｅｃ ｓ ｎ ＧＰ ｉ ｉ ｎｄｔ ｍｉ ． ｏ ｉ － ｐｅ ｉｌｙ ｉ ｈ ｈｇｈ －ｐｒ ｃ ｏｎ ＧＰＳｐｏｓｔｏｎｎｇ ， ｕｌｉ ｔ ｆ ｅ ｔｉ ｈｅ ｎ ｉ ｒｏｒ ｓ ｕｒ ｅｏ ｃａ ｌ ｎ ｔ ｅ ｉ ｅ ｉｉ ｓ ｉ ｉ ｉ ｍ ｔｐａ ｈ ｅ ｃ ｓｔ ｎ ｎ ｅ ｒ ｏ ｃ ｆ
ｄ ｉ１ ． ９９ Ｊｉｓ ．６ ２－７ ４ ．０ ０ ０ ．２ ｏ ：０ ３６ ／ ．ｓｎ １ ７ ９ ０ ２ １ ．３ ０ ３
测 量 中 多 路 径 效 应 研 究 综 述
范晓燕 周 乾
ｆ 中国地质大 学 信息 工程 学院 ， 汉 ４ ０ ７） 武 ３ ０ ４
摘
要 ： 多路径效应存在于 Ｇ Ｓ Ｐ 高精度定位和授时中。 特别是在高精度 Ｇ Ｓ Ｐ 定位中 ， 多路径 效应是影响其
中图分 类号 ：２ ８ Ｐ２ 文献 标 识码 ： Ａ 收 稿 日期 ： ０ ０ ２ ２ １ ６—１ ０—
Ｒｅ ｅＷ ｆ Ｍ ｕ ｔ ｐ ｔ ｆ ｃ ｓ ｉ ＧＰＳ Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｖｉ ｏ ｌ ｉ ａ ｈ Ｅｆ ｅ ｔ ｎ ａ ｕ ｅ ｎ
Ｆａ ａ ｙ ｎ， ｈ ｕ Ｑ ａ ｎＸｉｏ ａ Ｚ ｏ ｉｎ
ｉ ｆｕｅｎ ｉ ａ ｓａｓｗ ｅｌａｓａ ｖａ ｅ ｙ ｏ ｏｍ ｅ ｔｃ ｎｌ ｃｎｇ ｌ ｗ ｌ ｒ ｔ ｆ ｄ ｉ ｓｉ ｍｕｌｉ ｔ ｅ ｒ ｏｃ ｓｎｇ ｔ ｃ ｏ ｏｇ ｅ ｔｐａ ｈ ｒ ｏｒｐｒ ｅｓ ｉ ｅ ｈｎ ｌ ｙ ａｒ ｓ ｍ ｍａｒｚ ｄ，ａｎ ｈ ｓ ｏ ｅ ｓｎ ｅ ｕ ｉ ｅ ｄ ｔ ｅ ｅＰ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｔ ｃｈｎｑ ｅ ｓ ｍｅ ｐ ， Ｎｙｚ ｄ ａｎ ｏｍｐａ ｅｄｂ ｅ ｉ ｕｅＳａｒ ｕｍ ｄｕ ａｎ ｅ ｄｃ ｒ ａｓ ｄ
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。
用实测数据分析GPS测量中的多路径误差
Ｓ 一． ４ ｄ ＋Ａ ＋２ ｄ Ａｓ ｉ ｎ ａ
上 式中 ， △＝ ｉ — ｖ 。其 中 ｉ 代表 的是测量仪 器的高度 ； ｖ 代 表的是 观测 ， 其高精度 的观测结果 对 Ｇ Ｐ Ｓ弦距有检核作用 ， 下表给 出的是 觇标的高度 ； ａ 代表的是两者 的垂直角度。 各期观测成果两种弦距的较差 ，其 中第 五期 观测 是在项 目结束时 ， ２ ． ２弦距的观测 。 结合某大型钢铁公 司为例 ， 技术人员在对该公 为检查 多路径效应 的影响情况 ， 在对厂房顶作 防信号反射处理后 进 司露天矿采矿场 区边坡稳定性 进行 观测 的过程 中 ， 为例来保证其观 行 的， 且 只对涉 ｃ点的各边进行 了 Ｇ Ｐ Ｓ观测 ， 并与前 四期光 电测距 测 的精准度 ， 技术人员 首先在检 测的区域布置高精度基 准网 ， 基准 弦距的均值进行 了较 差计 算 ，下表 的数据表 明 ： Ａ — Ｄ、 Ａ — Ｂ 、 Ｂ — Ｄ等 网型采用的是三等大地 四边形光 电测距 边角网与 Ｇ Ｐ Ｓ网相结合 的 米 明显受 多路径 效应影响 的基线 ， 两种弦距较 差不大 ， 最大较 差绝 基准网 。该 基准 网共有 Ａ、 Ｂ、 Ｃ 、 Ｄ四个点构成 ，在设置点位 的过程 对值为 ６ ．Ｉ ｍｍ， 涉及 Ｃ点的各基线边 多路径 效应影 响明显 ， 大 部 中， 要求 当地 区域稳定性 高并且需要在其 中设置观测墩 。这样才有 分较差绝对值在 １ ２ ｍ ｍ以上 ， 最大为 ３ ４ ｍｍ， 采取抗多路径效应影响 利于技术人员的观测 。在实际观测过程 中， 技术人员应该分成 四个 措施后 ， 两种 弦距 较差 明显减小 ， 最大 仅为 ８ ．６ ｍ ｍ， 与Ａ — Ｄ、 Ａ — Ｂ、 阶段进行 观测 ，每一个观测 阶段都 必须要将光 电测量方法 与 Ｇ Ｐ Ｓ Ｂ — Ｄ等未明显受多路径效应影 响的基线 比， 弦距较差仍稍显大 。 （ 见 测量方法结合起来对观测数据进行处理 ， 最后再通过相应 的计算公 表 １ ） 式 而获得光 电测距弦距 以及 Ｇ Ｐ Ｓ弦距 。 ４ 结论 在采用 Ｇ Ｐ Ｓ系统进行测量的过程中， 技术人员可以严格按照 Ｃ 通过对 Ｇ Ｐ Ｓ弦距及光 电测距 弦距 的分析 与比较 ， 可得到下面结 级 网的具体要求进行测量 ， 其 中涉及到的仪器是 ： Ｔ ｒ ｉ ｍ ｂ ｌ ｅ ４ ０ ０ ０ Ｓ Ｓ Ｅ 论： （ １ ）适当精度的光 电测距成果对 Ｇ Ｐ Ｓ的观测 质量有检核作用 ， 双频 Ｇ Ｐ Ｓ 接 收机 ４ 台 ，要求该仪器在测量 时其精度为 ± ５ ｍ ｍ ＋ １ × 可 发现 Ｇ Ｐ Ｓ作业 中出现 的粗差及 较大误差 ，特别是 多路 径误差 的 １ ０ ， 当达到这一要求 之后 ， 再 由相关 技术人员严格按 照规定 要求 影响； （ ２ ） 多路径效应对 Ｇ Ｐ Ｓ测量影响明显 ， 分析原因采取适 当措施 对其数据进行处理。 另外 ， 光 电测距 边角 网在测量过程 中， 我们采用 可减少其影响 ； （ ３ ） 适 当观测条件下 ， 丰富 、 可靠 的实测 资料 ， 可对多 的仪器 是 Ｄ Ｉ ２ ０红外测 距仪测 距 ，并对其 精度要 求 为 ±３ ｍｍ ＋ ｌ× 路径效应影 响进行定量分析 ； （ ４ ）本例分析 中有些资料可能含其他 １ ０ ， 然后再根据相关规定要求对该 区域进行边 长观测 ， 当获取观 影响因素， 故使某些数据突显异常， 但不一定是多路径效应的影响， 测结果之后 ， 技术人员还必须要对其 结果 进行全面检测 ， 使之 满足 尚需进一步探讨 。 规定要 求 ， 能够被技术人员所应用。 参考文献 ３ 采用实际测量数据进行计算 与分析 【 ｌ 】 时荣环． Ｇ Ｐ Ｓ测量的主要误 差及 其在 滑坡 监测 中的对策叭 科技 资 通过上述两个公式进行计算 之后 ， 我们认为计算所获得的弦距 ２ ０ １ １ （ １ １ ） ． 与坐标系统并无任何关系 。 此时技术人员在观测条件的基础上对统 讯 ， 【 ２ 】 杜 柏利， 林 艳红， 李庆斌． 浅谈 Ｇ Ｐ Ｓ测量误 差『 Ｊ １ ． 黑龙 江水利科技 ， 基准线上 的两种弦距数值进 行分 析发 现 ， 其产生 的多路径效应相 ２ ｏ ｏ ３ （ １ ） ． 对 比较明显。 因此我们需要采用定性与定量相结合的方 式对其进行 ｆ ３ 】 黄声享， 李沛鸿， 杨保岑， 向 东． Ｇ Ｐ Ｓ动 态监测 中多路 径效应 的规律 分析 。 性研 究［ Ｊ ］ ． 武汉大学学报 （ 信息科学版） ， ２ Ｏ Ｏ ５ ０Ｏ ） ． 通过上述可知 ， 在整个 观测 过程中 ， 在基 准网西部与 ｃ点相距 ６ ５ ｍ的地方有一个工业 厂房 ， 其 高程 要 比 Ｃ点低 ， 并 且在工业厂房
浅谈GPS多路径效应及误差处理技术
１ 多路 径 效 应 的概 念 、 类 型 和 特 性
１ ． １ 多 路 径 效 应 的 概 念
从Ｇ Ｐ Ｓ 卫 星发 射天线 相位 中心 直接 到达 Ｇ Ｐ Ｓ 信 号 接 收天线 相位 中心 的信 号 ， 称 为 直 接波 。当 Ｇ Ｐ Ｓ信 号 由 于 受到 附近 的如 物 体 地 面 、 水面 、 建筑物、 树 林 等 发 生 发 射 时， 出现 了发射 波 … 。实际 上 ， Ｇ Ｐ Ｓ接 收 机所 接 收 的信 号
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｂ ｉ ｒ ｅ ｌ ｆ ｙ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ＧＰ Ｓ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ ｍｕ ｌ ｔ ｉ —ｐ ａ ｔ ｈ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔ ，ｔ ｙ ｐ ｅ，ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ， ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎ
响测 量成 果精度 的主要误 差源 。
１ ． ３ 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 Ｇ Ｐ Ｓ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 。Ｇ Ｐ Ｓ接 收机 都 有 不 同的工作 原 理 ， 所 以跟 踪 和 锁定 Ｇ Ｐ Ｓ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 ； Ｇ Ｐ Ｓ接 收天线是 接收 系统 中的 重要部 件 ， 其性 能也 直接影 响对 多路径效 应 的抑制 能力 。 ３ ） 多路径 具有 重复性 。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
高精度GPS数据处理中的多路径效应与误差校正
高精度GPS数据处理中的多路径效应与误差校正引言：全球定位系统（GPS）已经成为现代社会中广泛应用的技术之一，无论是导航、测量还是定位，都依赖于GPS的精确定位信息。
然而，在实际应用中，由于信号传播过程中的多路径效应和其他误差因素的影响，GPS定位数据的准确性往往受到变化和干扰。
因此，研究和解决多路径效应与误差校正问题，对于提高GPS定位精度至关重要。
一、多路径效应的影响与原因在GPS信号传播的过程中，当信号遇到建筑物、树木、地形等障碍物时，会发生信号反射，从而导致多路径效应。
这种信号的多次反射会导致信号延迟和变形，进而影响GPS接收机的测量结果。
同时，多路径效应的产生还与GPS接收机的特性有关。
具体而言，接收机的天线指向、天线高度以及接收机的前端滤波等因素都会对多路径效应产生影响。
因此，为了减轻多路径效应的影响，需要在接收机的设计和信号处理算法中考虑这些因素，对数据进行合理处理和校正。
二、多路径效应的检测与评估为了准确评估多路径效应的影响以及进行相应的误差校正，需要先对多路径效应进行检测和评估。
这一过程主要包括以下几个方面的内容：1. 信号强度分析：通过分析接收到的GPS信号的强度以及接收机的接收机制，可以初步判断是否存在多路径效应。
在信号强度分析的基础上，可以进一步开展接收机前端滤波和增益的调整，以减少多路径效应的干扰。
2. 数据处理算法：通过适当的数据处理算法，对接收到的GPS数据进行分析和处理。
这些算法可以通过对比不同信号采样点的差异，检查是否存在信号的多次反射。
同时，还可以考虑接收机位置变化的因素，进一步确定是否存在多路径效应。
3. 离散时间系统分析：利用离散时间系统理论，可以将多路径效应建模为系统的输入和输出关系。
通过分析这一模型，可以定量评估多路径效应对GPS数据的影响，并进一步优化校正算法。
三、误差校正方法与技术针对多路径效应引起的误差，目前已经提出了多种校正方法和技术，以提高GPS定位的精确性和可靠性。
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测量中的多路径效应及其消除方法
GPS测量中的多路径效应及其消除方法引言：全球定位系统（GPS）一直是现代测量技术中不可或缺的工具，它在导航、测量和定位等领域具有广泛的应用。
然而，GPS测量中常常会出现多路径效应，这是一种误差现象，会导致测量结果的不准确。
本文将探讨多路径效应的原因，以及当前常用的消除方法。
一、多路径效应的原因多路径效应是指GPS接收器在接收到来自卫星的信号之外，还同时接收到经过建筑物或地面反射而来的信号。
这些额外的信号经过反射后会导致信号的延时和失真，从而引起测量误差。
多路径效应主要有以下几个原因：1. 建筑物和地形的遮挡：高楼、山地或森林等地形会导致信号的反射和散射，使得信号路径变得复杂。
2. 天线高度：天线距离地面越近，接收到的反射信号的强度越高，从而导致多路径效应的增加。
3. 信号衰减：信号在传播过程中可能会受到大气层、云层等的干扰和吸收，导致信号强度的减弱和变化。
4. 接收器误差：GPS接收器本身的设计和性能也会对多路径效应产生影响。
二、多路径效应的影响多路径效应会对GPS测量的准确性和可靠性产生负面影响。
具体来说，它会导致以下几个方面的问题：1. 测量误差的增加：多路径效应会引起信号的延时和失真，进而导致测量结果的误差增加。
2. 定位精度的降低：多路径效应使得接收到的信号变得复杂和不可靠，从而影响卫星定位的精度。
3. 数据质量的下降：多路径效应会导致信号的干扰和扰动，使得测量数据的质量下降，不利于后续的分析和处理。
三、多路径效应的消除方法为了消除多路径效应带来的测量误差，目前有多种方法和技术可供选择。
1. 天线设置和环境优化：合理设置GPS接收器的天线位置和高度，避免建筑物和地形的遮挡，以减少多路径效应的产生。
2. 选择合适的测量时刻：根据实际情况，在信号无遮挡且多路径效应较小的时间进行测量，以提高测量准确性。
3. 多路径效应建模：通过建立数学模型，对多路径效应进行建模和分析，从而估计和消除测量中的误差。
GPS测量技术的误差源与解决方法
GPS测量技术的误差源与解决方法GPS（Global Positioning System）是一种广泛使用的定位技术，它通过接收来自卫星的信号来确定接收器的位置，精度一般在数米到几十米之间。
然而，在实际应用中，GPS测量技术可能会受到各种误差源的影响，进而导致测量结果的不准确。
本文将探讨GPS测量技术的误差源及其解决方法。
1. 天线高度误差天线高度误差是指GPS接收器与测量点之间的天线高度差引起的误差。
由于不同测量点处的天线高度不同，接收到的信号路径长度也会不同，因此会对测量结果产生误差。
为了解决这一问题，可以采用高精度的GPS天线来减小高度误差。
同时，在测量中应尽量保持一致的天线高度。
2. 对流层延迟误差对流层延迟误差是指GPS信号在穿过大气层时受到的影响而引起的误差。
大气层中的水汽和其他气体会导致信号传输速度的变化，从而影响到测量结果的准确性。
为了解决这一问题，可以使用双频GPS接收器来消除对流层延迟误差。
双频GPS接收器可以通过同时接收L1和L2频段的信号来消除大气延迟误差。
3. 多路径效应误差多路径效应误差是指GPS信号在传播过程中被建筑物、地形等障碍物反射或绕射而产生的误差。
反射的信号会使接收器接收到多个信号源，从而影响到测量结果的准确性。
为了解决这一问题，可以采用反射板或天线罩等物理隔离措施来减少反射信号的影响。
此外，选择合适的测量时机和测量点位置也能够减少多路径效应误差。
4. 卫星几何误差卫星几何误差是指由于卫星位置相对于接收器的位置不理想而引起的误差。
当卫星位置与接收器位置接近于共面时，几何误差将会增加，导致测量结果的不准确。
为了解决这一问题，可以采用多频度观测和动态定位技术。
多频度观测可以提供更多的卫星数据，从而提高定位精度；而动态定位技术可以根据卫星位置的变化来进行误差补偿。
5. 卫星钟差误差卫星钟差误差是指由于卫星钟的不准确而引起的误差。
卫星钟的不准确将会导致测距误差的累积，进而影响到测量结果的精度。
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第19卷第1期 测 绘 工 程 Vol.19№.12010年2月 EN GIN EERIN G O F SU RV EYIN G AND MA PPIN G Feb.,2010高精度GPS 测量中多路径误差的研究何亮云(湖南城市学院,湖南益阳413000)摘 要:阐述多路径误差的特点、影响规律以及消除或削弱多路径误差影响的方法和措施,为从事高精度GPS 测量定位及其科研工作提供参考。
关键词:GPS 测量;多路径;反射信号;规律性中图分类号:P228.4 文献标识码:A 文章编号:100627949(2010)0120035204The study of multi 2path effects on high precision GPS surveyingH E Liang 2yun(Hunan City University ,Y iyang 413000,China )Abstract :This paper describes t he characteristics and laws of multi 2pat h errors.The met hods and measures on eliminating or weakening t he influence of multi 2pat h errors are also presented in t he paper.It provides reference for t ho se engaged in highly 2precise GPS po sitioning and scientific research.K ey w ords :GPS surveying ;multi 2pat h ;reflected signals ;error characteristic收稿日期:2009204217基金项目:湖南省“十一五”教育科学规划课题基金资助项目(X J K06CGD098);湖南省教育厅科技基金资助项目(05C775)作者简介:何亮云(1963-),男,副教授,硕士. 高精度GPS 测量定位技术以其高精度、高效率、低成本、实时定位和操作简便等优点被广泛地应用于土地利用规划和各项工程建设等众多领域。
随着GPS 测量定位技术的广泛应用,其定位方法和数据处理理论也在不断发展和完善。
由于在高精度GPS 测量定位技术中充分利用了一些误差在空间的强相关性,采用改正模型和差分定位等技术手段,绝大多数误差得到了很好的消除或削弱,其剩余残差已对高精度GPS 测量定位成果的精度威胁不大。
但是,多路径误差随着观测站周围环境(包括高层建筑物、山坡、树和水等)的变化,有时会对高精度GPS 测量定位成果精度造成很大甚至极坏的影响。
众所周知,多路径误差随着观测站周围环境变化的复杂性和在空间上的非相关性,无法利用严密的数学模型予以改正,亦不可能利用差分定位技术手段予以有效地削弱。
目前,利用GPS 技术在小范围(通常距离为几公里)内进行高精度测量定位,多路径误差已经成为影响测量成果精度的主要误差源[122]。
所以,为了提高GPS 测量定位成果精度,以满足高精度工程建设和变形监测等任务的需要,有必要对多路径误差的特性及其影响的规律进行深入研究。
十多年来,国内外许多学者对多路径误差的影响都给予了很大的关注,在多路径误差影响的特点以及削弱多路径误差影响的方法和措施等方面进行了大量的试验研究工作,取得了许多有益的研究成果,而且还在高精度GPS 测量定位的实践中进行应用,有效地提高了GPS 测量定位成果的精度。
本文对多路径误差特性及其影响的规律性进行分析和研究,并对一些削弱多路径误差影响的方法和措施及其特点进行介绍,以助于在GPS 测量定位工程实践中采取必要的方法和措施来削弱多路径误差的影响以达到提高最终成果精度之目的,同时也为深入研究多路径误差问题提供参考。
1 多路径误差的特性分析1.1 多路径误差特性在进行GPS 测量时,由于观测站周围反射源所反射的卫星信号(称为反射信号)也能进入接收机天线,它与直接进入接收机天线的卫星信号(称为直射信号)产生干涉,从而使码观测值和载波相位观测值产生误差,即称为多路径误差。
反射信号与直射信号产生干涉的现象称为多路径效应。
现假设直接进入接收机天线的直射信号为s Z =A co s ωt.(1) 进入接收机天线的反射信号为s F i =αi A co s (ωt +φi ).(2)式中:αi 为第i 个反射信号的反射系数,φi 为该反射信号的相位延迟。
由于一般反射信号不只一个。
那么接收机天线实际接收到的信号应该是直射信号和多个反射信号叠加的结果,即为S (t )=S Z +∑ni =1SF i.(3)为说明问题方便,暂且假设只有一个反射信号存在,则有S (t )=A cos ωt +αA co s (ωt +φ).经过推导整理有S (t )=Δα・co s (ωt +Δφ).(4)式中:Δφ为由于多路径反射信号的干涉所造成的载波相位误差,Δα、Δφ分别为Δα=(1+2αcos φ+α2)1/2,(5)Δφ=arctan [sin φ/(α-1+co s φ)].(6)可见,Δφ与多路径反射信号的反射系数α和相位延迟φ有关。
现在利用式(6)来求Δφ的极值,经过推导整理,当φ=±arccos (-α)时,载波相位误差Δφ有极大值Δφmax =±arcsin α.(7)可知,当α取最大值1时,Δφmax =π/2。
即载波相位误差将引起1/4周的载波波长的距离误差。
针对L 1载波,其波长为19.03cm ,多路径误差所造成的最大距离误差应该为4.8cm ;针对L 2载波,其波长为24.42cm ,多路径误差所造成的最大距离误差应该为6.1cm 。
上面分析讨论是基于只存在一个反射信号的情况,事实上反射信号将是多个,那么对观测值的影响也是多个反射信号的叠加结果。
所以客观上多路径反射信号对观测值的影响比上面的情况要复杂得多。
当观测站周围附近环境复杂、情况恶劣时,反射信号还将会使载波相位测量的整周数产生周跳[3],严重时将会使GPS 卫星信号产生失锁[4]。
国内外许多学者普遍认为多路径反射信号对码观测值的影响要比对载波相位观测值的影响复杂得多,其误差影响将比对载波相位观测值的影响大200倍[1]。
在一般反射环境条件下可达几厘米,在高反射环境条件下可达几米甚至几十米。
但多路径反射信号对码观测值的影响将不会超过一个码元的空间长度。
即对于P 码来说不会超过29.3m ;而对于C/A 码来说不会超过293m [5]。
1.2 多路径误差影响规律从式(6)可以看出,多路径误差的影响还与反射源的反射系数有关。
反射系数与反射源介质材料特性有密切的关系。
金属材料反射物,它会对电磁波产生全反射;对于非金属材料反射物而言,多路径误差与其介电常数有关。
介电常数越大反射越大,反之越小。
比如,对于水由于其介电常数大将会产生严重的反射。
而对于潮湿的木板、潮湿的土和潮湿的水泥板等其介电常数增大,反射更为严重。
多路径误差的影响还与观测站天线和反射源的距离有关。
一般来说多路径误差将随着观测站天线和反射源距离的增大而减小。
这是由于电磁波在大气中传播时会有衰减。
当天线和反射源的距离为10m 时,反射信号已衰减了10%;当天线和反射源的距离超过50m 时,则无需考虑反射信号对GPS 卫星信号的影响[6]。
另外,当观测站天线位于高压线的下方时,也将会产生多路径误差的影响[7]。
多路径误差的大小还与GPS 卫星的方位角及高度角有关。
卫星的高度角越小,多路径误差对载波相位测量的观测值影响越大[3]。
同时,多路径误差还具有周日重复的特性[8]。
这是由于多路径误差的大小与观测站天线周围环境、空间GPS 卫星以及反射源三者的相对位置密切相关。
而GPS 卫星沿着预定的轨道运行的周期是11h 58min 。
那么对于静态GPS 测量定位,如若连续观测几天时间,而且其周围环境保持不变时,在相邻两天的约同一时间(后一天约有4min 的提前)多路径误差对观测值的影响表现出极大的相关性。
根据文献研究认为,随着相隔天数的增加多路径误差的相关系数值将会逐渐下降。
如第1天和第3天的相关系数值比相邻两天的相关系数值要低。
不仅如此,多路径误差在相邻2历元间也具有强相关性。
可见,在GPS 测量定位中,多路径误差不仅在数值上与观测站天线周围反射源介质材料特性及距离远近有密切的关系。
而且还会随时间而发生改变,呈现周期性变化的特征。
根据文献[9]研究认为,多路径效应的变化频率可以利用下式进行估算。
f M =d (Δφ)/d t =0.521×10-3×D.(8)式中:D 是观测站天线和反射源的距离,以“m ”为单位。
由式(8)可知,当D =20m 时,其频率f 20为0101042Hz ,周期为96s ;当D =50m 时,其频率f 50为0.02605Hz ,周期为38s 。
可见,多路径误差表现为随时间而变化的周期性。
也正因为如此人们才难以利用数学模型对多路径误差进行改正或消除。
・63・测 绘 工 程 第19卷从式(8)还可以看出,对于远距离反射源所造成的多路径误差表现为高频率变化特性,而对于近距离反射源所造成的多路径误差则表现为低频率变化特性。
2 削弱多路径误差影响的方法和措施由于多路径误差是由反射信号产生的,而反射信号又是由各种不同的反射源造成的,所以消除或消弱多路径误差影响的最好方法就是在选择GPS 点位时避开或远离各种反射源,这在各种GPS测量规范中均有类似的规定。
因此,在布设高精度GPS 控制网时,尤其是为变形监测服务的GPS控制网,除了要求点位的顶空开阔以外,其周围附近还要尽量避开一些反射源,特别是一些对电磁波有全反射或反射能力很强的反射源。
如在观测站周围不应该有大面积的水域、金属屋顶的建筑物、平坦光滑的地面以及金属矿区等。
如果受当地客观环境限制有困难时,也要尽可能地使GPS点位远离反射源50m 以外,这样可以排除或极大地减弱反射信号的干扰。
但在从事高精度GPS测量定位时,遇到的客观环境往往是复杂多变不可预料的,尤其是在进行变形监测时,在工程建设区附近选择GPS点位很难或根本无法避开一些障碍物的影响。
还有一些点的位置是工程上早已确定好的,位置不能改变,而它又处在强反射源的附近。
这样就不可避免地要受到多路径反射信号的影响,致使在GPS观测值中存在多路径误差。
目前,可采取如下一些方法和措施来削弱多路径误差的影响。
2.1 完善接收机的硬件设备进行高精度GPS测量时,可以使用性能良好、构造先进的接收机设备,这样可以减弱多路径误差的影响。