GPS多路径效应实验测试与分析研究

张光胜,李任之,程 钢

(1.河南理工大学 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室，河南 焦作 454000;2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

GPS多路径效应实验测试与分析研究

张光胜1,2,李任之1,2,程 钢1,2

(1.河南理工大学 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室，河南 焦作 454000;2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

作为影响GPS测量信号的干扰源，多路径效应为众多研究者所关注。多路径效应使得GPS测量的精度降低，严重时还将引起信号失锁。针对这一问题，文中从多路径效应产生的原理出发，设计并实施无线电干扰和镜面反射干扰实验，分析多路径效应对GPS单点定位精度、基线长度精度和网精度的影响。在既有的研究成果基础上，提出随着距离的变化多路径效应的影响程度不同、对网精度影响最小、对单点定位精度影响最大等结论，并总结了减弱多路径效应的相关措施。

GPS测量；定位精度；多路径效应；无线电干扰；镜面反射

近年来，GPS现代化不断发展，随着2010年8月1日美国第一颗block llF卫星的发射，导航定位信号扩展到L1、L2和L5，开启了导航定位的新格局[1]。自此全球广大用户可以使用GPS载波相位技术在信号未受到干扰的情况下获得厘米级、甚至毫米级精度。然而，GPS信号强度较为微弱，易受到干扰，其中多路径效应引起的误差是影响GPS测量精度的显著因素。多路径效应在GPS实际测量中的影响程度、规律及其规避方法是提高GPS测量精度及其抗干扰能力的重要课题。目前对于多路径效应的研究主要集中在对接收机信号的处理、对接收机天线的改进、数据后处理技术、选择站址环境等方面。伍锡锈提出利用增量Kalman滤波的系统误差最优估计方法，从带有噪声干扰的信号中提取有用信号，从而得到了精度和可靠性更高的接收信号[2]。数据后处理方面，张波等通过降低受多路径效应影响的观测值的权重，从而达到削减多路径误差的目的[3]。Minami等通过减少接收机的GPS信号码相位锁相环中的锁相环误差，消弱多路径效应。Townsend和Fenton提出利用多路径估计技术和多路径估计延迟锁定环技术来减弱多路径效应，降低多路径上的伪距偏置误差，提高定位精度[4]。本文以校园为实验场地，以无线电干扰和镜面反射作为干扰源分别对多路径效应对单点定位精度、基线长度精度、网精度影响进行实验，以期探索其影响程度、规律及规避办法。

1 多路径效应产生原理

GPS卫星从2万多公里的高空向地面发射电磁波，地面接收机天线可以收到信号并跟踪GPS卫星完成定位或导航任务。然而GPS 发射的电磁波信号并不是一条条的直线信号而是向四面八方的，地面上接收机周围有一些其他物体，这些物体或多或少要反射GPS信号[5]。因此，接收机天线不但收到了沿最小光程路径来的GPS直达信号，也会收到经各种反射物反射后到达接收机天线的信号[6]。在实际作业过程中，由于受环境条件的限制，周围反射物(地面、水面、树、墙体等)将把信号反射后再被接收机接收，这便形成了两种波：直接波和反射波，二者产生干涉，从而影响观测值，产生多路径误差。这种由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，是GPS测量中的一种重要误差源，严重损害GPS测量精度，严重时还会引起信号失锁。

GPS天线接收的反射波包括地面反射波、墙体反射波、树木反射波等，现以地面镜面反射为例说明多路径产生的过程。如图1所示，设GPS天线收到来自卫星的信号为S，同时收到经地面上镜面反射后的反射波信号S′，D为接收机所架点距镜面的距离，λ为载波波长，θ为反射波入射角，H为天线的高度，其中D与H关系如式(1)所示。这两种信号路径不同，其路径差值称为程差，用Δ表示。

H=D/tanθ,

(1)

Δ=GA-OA=GA-GA·cos 2θ=

GA·(1-cos 2θ)=H·(1-cos 2θ)/sinθ=

2H·sinθ,

(2)

δ=(Δ/λ)·2π=4π·H·sinθ/λ.

(3)

从式(1)、式(2)中可以看出，程差不仅与反射物的入射角有关，还与反射物距天线的距离有关。由于存在程差Δ，反射波和直接波之间存在一个相位延迟δ，如式(3)所示,不论是程差还是相位延迟，都会对测量观测产生误差，影响其定位的精度。

图1 地面反射示意图

2 实验方案设计与实施

卫星信号的强弱与天气条件有很大关系，阴雨、多云天气，会导致接收机接收到的信号有一定程度的减弱，而晴天观测能减弱天气因素的影响。本实验选择一天气良好的上午，选3个点C2、C3和C4分别架设GPS接收机，连续同步静态观测0.5 h。所选三点，如图2所示。

图2 实验区域

C2和C4是已知点，C3是施加干扰点，单点精度分析中把一台GPS接收机架在已经确定的点C2上，将另一台仪器架设在C3上，网精度分析中添加仪器架设在已知点C4。其中C2、C3和C4周围均没有高大障碍物，且地势比较平坦。在数据处理过程中，参考卫星是软件默认的信号接收较好的卫星，截止高度角为5°，采样间隔为5 s。

先进行无干扰测量，之后保持接收机静态模式下的参数设置，添加干扰源。干扰源添加方案如下：

方案1：将一台小型收音机放置于C3接收机附近，使得其与接收机间的距离分别为2 m、5 m、10 m，如图3所示。

图3 小功率收音机干扰实验图

方案2：将6架小镜子架设在C3仪器周围，使其距离接收机距离分别为2 m、5 m、10 m，如图4所示。

3 实验分析

3.1 单点定位精度影响分析

如图5所示，在单点定位影响分析中，C2和C3两台接收机接收到同一颗卫星的信号所产生的残差的分布是不均匀的，图5(a)为C2点的残差图，图5(b)是C3点的残差图，C3点的残差分布比C2的残差分布波动更大，表明其信号质量与环境干扰关系密切。

图4 镜面发射干扰实验图

图5 C2与C3点残差图对比

由施加无线电干扰的数据(见表1)可以看到，在小功率无线电的干扰下C3点接收到的反射信号与直达信号产生干涉，出现了相位延迟，使得测量点坐标偏移，有较强的多路径效应。施加镜面反射干扰的数据(见表2)可以看到，在镜面反射干扰下C3点接收到的反射信号与直达信号产生干涉，出现了相位延迟，使得测量点坐标偏移，表现出了较强的多路径效应。两种实验产生的偏差与干扰源到接收机的距离无明显规律性。

表1 无线电干扰对C3点位影响

表2 镜面反射干扰对C3点位影响

3.2 基线长度精度影响分析

基线长度精度实验，从基线的测站、星历状况以及基线处理中周跳剔除、精度分析等处理发现：无线电、镜面反射等干扰会使卫星信号强度大幅度减弱，导致了较强的多路径效应。通过表3、表4干扰前后基线长度的对比发现，施加小功率无线电干扰和施加镜面反射干扰下的基线距离都变长了，二者的影响均在厘米级，干扰距离变化未呈现明显的规律性。

表3 添加小功率无线电干扰的C2—C3点观测数据

表4 添加镜面反射干扰的C2—C3点观测数据

3.3 GPS网络精度影响分析

比较表5、表6、表7，从这些数据中可明显看到施加了干扰的三角网平差值高于未施加干扰的三角网的平差值。说明无线电、镜面反射等干扰会使卫星信号强度减弱，导致多路径效应。但对于三角网来说，本身精度较高，稳定性较好，所以造成的影响并不大[7]。

表5 无干扰的三角网平差指标

表6 添加小功率无线电干扰的三角网平差指标

表7 添加镜面反射干扰的三角网平差指标

3.4 分析与探讨

多路径效应有别于其他GPS测量的误差，通过差分或建立改正模型来消除和改正效果并明显。本文通过实验数据分析以及对前人研究成果的总结，从以下几个方面提出减弱多路径效应误差的若干措施。

1)选择合适的站址。选择站址应尽量避开强磁场以及平静水面，且不要架在山坡、山谷、盆地等地方，避免这些地区会引起强烈的信号反射。

2)适当延长观测时间。GPS卫星运行是有周期性的，多路径误差的大小和方向随时间而变化，长时间观测取平均值可一定程度消弱其影响。

3)避免人为影响。在静态外业观测过程中，观测者以及行人的来回走动也会影响到数据采集的精度[8]，应避免观测人员或其他人流对仪器观测的影响。

4)采用数据的后处理技术。数据的后处理方法主要是利用卫星、反射物、天线环境、GPS接收机所记录的各种信息从原始数据或定位结果数据去除或减弱多路径效应的影响[9]。常用方法包括信噪比法、小波分析法、经验模式分解法等。

5)选择合适的天线。在无法避免产生多路径效应的环境时，可选择合适的天线，在天线中设置抑径圈来减弱多路径效应。

在以上常用的削弱多路径效应的方法和措施中，选择合适的站址有时会受客观条件的限制，先进的接收机和信号处理技术目前较难得到显著改善，数据后处理技术仍是提高定位精度一个主要途径[10]。

4 结 论

通过本文设计实施的3个实验，充分说明多路径效应在GPS观测过程中产生了明显的干扰作用。

对于单点测量的精度，GPS接收机在受到无线电干扰和镜面反射干扰的时候，观测点坐标实际值出现了明显的偏移；对于基线长度测量的精度，施加小功率无线电干扰和施加镜面反射干扰下的基线距离明显变长；对于三角网测量的精度，施加了干扰的三角网平差值高于未施加干扰的三角网平差值，但总体影响不大。

总的来说，多路径效应对三角网精度的影响程度<对基线长度精度的影响<对单点定位精度的影响。随着干扰源距离接收机距离的变化，影响程度也会发生改变，但其中的规律性有待探索。

[1]刘基余.GPS现代化及其影响[J]. 数字通信世界,2011,(8):24-30.

[2]伍锡锈.基于增量Kalman滤波的GPS多路径效应系统误差研究[J].测绘工程, 2012,21(6):36-37.

[3]张波,黄劲松,苏林.利用信噪比削弱GPS多路径效应的研究[J].测绘学报,2003,28(1):23-24.

[4]TOWNSEND B，FENTON P．A Practical Approach to the Reduction of Pseudorange Multipath Errors in a L1 GPS Receiver[C]．Proceedings of the 7thInternational Technical %5ecting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Salt Lake City, UT, USA.，1994．143-148．

[5]杨天石．多路径效应对GPS 精密定位的影响及消除方法分析[J].勘察科学技术, 2006(3):54-55.

[6]秦皓.列车定位中应用GPS的选星方案分析与设计[D].北京:北京交通大学,2007.

[7]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社,2010．

[8]郭杭,余敏,薛光辉. GPS多路径效应实例计算与分析[J].测绘科学,2006，31(5):95-96.

[9]吴雨航,陈秀万,吴才聪.利用信噪比削弱多路径误差的方法研究[J].武汉大学学报：信息科学版,2008,33(8):842-845.

[10]张随甲，周晓忠.GPS-RTK误差来源及减弱误差的实用方法[J].交通科技与经济，2014，16(2):121-124.

[责任编辑：刘文霞]

Test and analysis on the multipath effects of GPS observation

ZHANG Guang-sheng1，2,LI Ren-zhi1，2，CHENG Gang1，2

(1.Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, He’nan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;2. School of Surveying and Land Information Engineering, He’nan Polytechnic University, Jiaozuo 454000， China)

As a significant interference source to the signal of GPS measurement, multipath effect has been focused by many researchers. GPS signal will be affected by multipath effect, which reduces the accuracy of GPS measurement. Sometimes it even leads to serious sign-lose. In order to solve this problem, starting from the principle of multipath effect, it designs and implements an experiment of radio interference and specular reflection interference, respectively analyzing the multipath effect on GPS single point positioning accuracy, the influence of the precision of baseline length and mesh precision. Based on the existing research some results are obtained with the change of the distance, the influence degree of the multipath effect is different. The minimal impact is on mesh precision, and the biggest influence is on single point positioning accuracy. Some solutions to weakening the multipath effects are made.

GPS observation; positioning accuracy; multipath effect; radio interference; specular reflection

2014-01-25；

2014-05-02

国家自然科学基金资助项目(41001226);河南省高等学校骨干教师资助计划(2012GGJS-055);河南省教育厅自然科学研究计划项目(2010B170006); 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室开放基金资助项目(KLM201202);数字制图与国土信息应用工程国家测绘地理信息局重点实验室开放基金资助项目(GCWD201002); 河南理工大学博士基金资助项目(B2010-9)

张光胜(1975-)，男，副教授，博士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)12-0031-04