整体式GNSS接收机多路径效应分析

何书镜

（1.福建省测绘院,福建 福州 350003）

GNSS卫星信号从高空向地面发射，若接收机天线周边有强反射物体，接收机将接收到卫星到达天线的直接波信号以及经过反射和散射后到达天线的间接波信号。这2种信号产生干涉，使观测值偏离真实值，称为多路径效应[1,2]。多路径效应在GNSS观测中引起的误差虽然为偶然误差，但对测量结果的影响不可忽视，严重时会引起GNSS信号失锁。

整体式GNSS接收机由于天线单元、主机单元、电源单元整合在一起，与配有扼流圈或抑制板天线的分体式接收机相比，多路径效应的消除能力有所差别。为了解多路径效应对整体式GNSS接收机的影响，笔者使用整体式接收机Trimble R8 II和配套的TRM60158.00天线（该接收设备能提供L1、L2及P2三种原始观测值），运用自主编制的预处理程序处理，并与TEQC预处理结果进行对比分析，为之后的测量作业提供指导。

1 分析原理及方法

1.1 Turbo Edit周跳探测原理与方法

在进行数据质量分析之前，首先要对观测值数据进行周跳探测及粗差剔除。一般将LG组合观测值和MW组合观测值结合起来进行周跳探测，即Turbo Edit方法[3]。

在不考虑对流层、多路径、电离层高阶项及噪声影响的情况下，GNSS载波相位和伪距的观测方程进行组合，可以得到适用于周跳探测的LG组合和MW组合[4]，其表达式如下：

式中，φi为载波相位观测值；λi为载波波长；fi为载波频率；Ni为整周模糊度；I/fi2为电离层误差延迟；φLG为电离层残差组合观测值；NW为宽巷模糊度。

LG组合可以消除轨道误差、接收机钟差和对流层误差的影响，仅包含了电离层残差和L1、L2的实数模糊度组合的影响。MW组合得到的宽巷观测值波长达86 cm，因此适用于周跳探测及修复。对于MW组合，一般常采用Blewitt提出的递推算法来不断更新宽巷模糊度及其中误差。

1.2 多路径效应计算方法

由于载波的波长远小于伪距的波长，在计算伪距多路径效应时，可忽略载波的多路径效应。因此将式(1)考虑伪距多路径效应后，可组成线性组合观测值：

MP1、MP2分别包含了L1、L2伪距的多路径误差、测量噪声及整周模糊度与波长的乘积。从第1个历元至第i个历元求得均值然后用组合观测值减去该均值，得到去掉了整周模糊度的多路径与测量噪声误差。如果当前历元发生周跳或不连续，则需要以次历元为界线，前后分段计算。

2 多路径效应数据分析

2.1 分析软件程序流程及设计

根据式(3)设计数据预处理软件，见图1。

图1 程序流程图

选择测试数据（本次测试数据为0310号测试站点2012年第103天的数据，即03101030.12o与03101030.12n)，点击预处理。在程序状态窗口，将显示实时处理状态。数据预处理成功后，可进行后续操作，若不成功，应检查观测数据与导航星历时间是否匹配或格式是否正确。在该窗口下，可以对观测数据按截止高度角进行筛选，其值在输入框中给出即可。状态显示成功后，可查看站点信息、质量统计、多路径信息、周视图等信息。在站点信息中，可看到站点名称、观测数据的UTC日期、接收机及天线型号和测站点的笛卡尔及大地坐标系下的近似坐标等信息。在质量统计信息中，列出所有卫星的观测历元个数、观测值信息不足的无效历元个数、每颗卫星发生的周跳次数及粗差数以及所有有效历元的总时间和第1个有效历元开始时间，并在最后1行给出统计信息。在多路径信息中，列出每颗卫星所有有效历元的平均高度角、平均方位角、L1和L2波段上的多路径效应残差值，并在最后1行给出统计信息。在多路径周视图中，圆圈代表高度角，越靠近中心，高度角越高；图中向上方向为站点北方向，用来表示卫星相对于站点的方位角。

2.2 与TEQC结果的对比分析

TEQC是由美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体（UNAVCO Facility）研制的为地学研究GPS监测站数据管理服务的公开免费软件，主要功能有格式转换、编辑和质量检核。本文用TEQC检核实测数据质量，并与自编软件得到的结果进行比较，来验证精度分析方法的可行性以及程序的可靠性。

由于TEQC计算出的mp1、mp2、ele及azi这4个文件包含了所有观测数据，未对高度角进行筛选，可将这4个文件导入到本文软件中，然后读取信息，并将信息输出到表格，得到相对应的质量统计及多路径信息。

将由本软件直接计算得到的多路径信息中的表格数据，与从TEQC计算结果中提取的多路径信息中的表格数据，复制到Excel中，借助画图工具，可得到本文程序与TEQC结果对比图，如图2所示。本文软件计算结果与TEQC结果基本一致。个别较差大于0.05 m是由于所采用的周跳探测方法及相邻历元组合观测值之差的阈值不同，导致分段不同，从而使计算中消去的整周模糊度不同。

图2 与TEQC结果比较图

对图2中MP2值差别较大的12号卫星作进一步分析。利用软件输出单颗卫星的多路径及高度角信息，分别得到12号卫星的详细信息文件，使用Matlab绘图工具进行绘图，得到图3。可以发现，图3显示了12号卫星L2的伪距多路径信息，其中L2在高度角较低时，TEQC对该卫星进行了错误分段，使得其中一小段历元（362～418）计算的多路径值明显偏离，导致最后的MP2残差值与本文计算结果不同。

图3 PRN12 L2伪距多路径

在GPS观测过程中，卫星的位置不断变化，其在测站极坐标系下的高度角也在不断变化，而不同高度角计算出的多路径残差值是不一样的。利用输出单颗卫星详细信息文件功能，在Matlab中画出7号卫星的详细图见图4。由图4可知，在高度角较低时，多路径误差明显较大，同时多数粗差和周跳也发生在高度角较低的时候。

图4 PRN7伪距多路径

综上所述， TEQC软件在低高度角数据计算分析时，常发生分段错误，这一点在本文设计软件中已得到克服。

2.3 多路径效应分析

在与TEQC对比的基础上，利用前面提到的手动选择截止高度角的功能，对03101030.12o和03101030.12n文件进行不同高度角下的详细分析，提取多路径信息数据并统计(见表1)，给出了在10°、15°和20°截止高度角条件下，每颗卫星的多路径残差值，绘制成图(见图5)。

图5 多路径残差结果图

表1 不同高度角的多路径效应均值

由图5及表1中可见，随着卫星高度角的增大，接收机的多路径效应有所减小，进一步证明了多路径与卫星高度角存在的一定的线性关系。使用本文分析软件对观测数据质量进行统计(见表2)，并利用每颗卫星的MP1值绘制多路径周视图，见图6。

图6 多路径效应周视图

表2 观测数据质量统计

由图6和表2可见，在10°截止高度角下，0310点的多路径效应主要来自东方向和南方向。

3 结 论

利用观测数据，比较了本文软件和最常采用的TEQC软件的计算结果。采用TurboEdit方法进行周跳探测，在卫星观测数据分段环节比TEQC更为准确合理，但是也并非一种万能的周跳探测方法，在处理一些质量参差不齐的观测数据时，也有缺陷，需要考虑结合更多方法进行准确的周跳探测及修复。

通过对比不同高度角下的多路径效应，说明多路径效应的大小与高度角存在线性关系，如果要获得高质量的观测数据，应采用天线加装抑径板的接收机，并适当提高截止高度角，或者重新选址。在实际数据预处理中，可利用本文软件代替TEQC，简单方便地获得测站点的多路径信息，对测站点的数据质量评定提供有效的质量信息。

[1]GB/T 18314-2009.全球定位系统(GPS)测量规范[S].

[2]夏林元. GPS观测值中的多路径效应理论研究及数值结果[D]. 武汉：武汉大学，2001

[3]方荣新，施闯，魏娜，等. GPS数据质量控制中实时周跳探测研究[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2009,34(9):1 094-1 097

[4]李征航，黄劲松. GPS测量与数据处理[M]. 武汉：武汉大学出版社，2005

[5]王小瑞，程传录.不同类型GPS接收机天线观测结果分析[J].全球定位系统，2011(6):73-75

[6]刘刚，李征航，于晓歆.TEQC与CF2PS在GPS数据预处理中的应用[J].地理空间信息， 2010，8(5):146-148

[7]聂桂根，王院.TEQC软件对GPS数据质量的评定及软件界面的开发[J].全球定位系统，2003(4):32-38