多路径效应影响GPS测量精度分析探讨

孟 巍，杨开伟

（1.中国人民解放军92941部队43分队，葫芦岛 125001；2.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄 050081；3.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄 050081）

1 引言

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，经过传播到达地面的GPS信号强度较为微弱，易受到各种因素干扰，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。分析探讨多路径效应在GPS实际测量中的影响程度、规律及其消除方法是提高GPS测量精度的重要课题。

2 多路径效应及其特性

2.1 多路径效应

从GPS卫星发射天线相位中心直接到达信号接收天线相位中心的信号，称为直接波。当发射信号由于受到附近的物体地面、水面、建筑物、树林等发生散射时，出现了反射波。实际上，GPS接收机所接收的信号应该是直射波与反射波的合成波。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。所谓多路径误差，就是反射波对直射波的破坏性干涉而引起的测站至卫星距离误差，导致GPS信号的能量发射衰减和相位发生延迟。

图1 多路径效应图

2.2 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GPS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。GPS接收机都有不同的工作原理，所以跟踪和锁定GPS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。

（3）与卫星运行周期有关。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也是重复的，这直接导致它具有重复性。

（4）与一定频率相关。当产生多路径的场景一致时，反射介质的反射特性也一致，多路径信号随着卫星的运动而不断改变其入射角，而这种物理现象的产生和结束都是在一定的频率范围内进行的。

3 多路径效应实例分析

以三个GPS测量D级点（A点、B点、C点）作为测量真值进行多路径效应影响实例分析：

A点和B点位于山体中部位置，主要受到山上植被反射影响；C点位于开阔空地，周围无遮挡与干扰源干扰。选择在不同的季节时间所形成的不同条件，单点定位精度分析方法是将一台双频GPS接收机（GPS L1、L2频点，记录频率20Hz）分别架设A 点、B点、C点上，静态条件下连续观测1h，采集数据处理之后得出如表1～表3结果。

表1 A点时空环境变化影响分析

表2 B点时空环境变化影响分析

表3 C点时空环境变化影响分析

由实验结果可看出同一台接收机在同一时间位于不同环境下：A、B点位于山坡位置、C点位于开阔空地，其定位精度受多路径效应影响的情况显著，而与时间变化没有明显关系。

4 多路径误差削弱技术

4.1 GPS测量环境

GPS测量位置周围应选择开阔平坦地点，尽量不要架设于山坡、山谷、盆地底等位置，周围不应有大面积的平静的水面，附近不应有高层建筑物；尽可能地使GPS测量点远离发射源50m以外，这样可以排除或极大地减弱发射信号的干扰；同时为了提高测量精度可以延长观测时间。适当延长观测时间对消除或消弱多路径误差是必要的。

4.2 硬件设计

接收机天线应配备抑径圈或抑径板。接收机天线对于极化方向不同的信号应该有较强的抑制作用。

接收机内部跟踪环路进行改进来削弱多路径影响：窄相关技术和多路径估计技术改进多路径对延迟锁定环路（DLL）的影响；多路径估计延迟锁定环（MEDLL）和选通脉冲相关器技术很好地减弱高频多路径信号，通过载波平滑技术可充分减小码多路径。

4.3 数据后处理

数据后处理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，具体方法主要有：选星法、信噪比法、多路径重复性方法。

（1）选星法。若测站观测较多的卫星，可对参与后处理的卫星进行选择，去掉某颗卫星在某一时间段或某一高度角以下的观测数据。这种方法思路简单，实用方便，但局限性大。

（2）小波分析法。对高精度载波相位测量的观测进行分解，可以很好地将多路径误差的影响分解出来，留存“真实”的观测值用于数据处理。

（3）信噪比法。通过对观测值信噪比的分析和比较来评价观测值的质量，在数据处理中通过降低受多路径误差影响的观测值的权重，从而达到削弱多路径误差影响的目的。

5 结束语

多路径效应影响GPS测量精度的分析解决仍是重要的研究课题。本文通过实测数据分析了多路径效应的影响，提出了消除多路径误差要选取适宜的测量环境，要有性能良好的接收机及合适的数据后处理技术，这样综合应用，将得到满意的定位精度。■

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

[2] 成伟.GPS精密定位误差及其相位多路径误差分析研究.长安大学，2003.

[3] 谭观龙.浅谈GPS测量多路径误差[J].地理空间信息，56-58.

[4] 黄德武，熊永良基于小波分析的GPS多路径效应研究.工程勘察，2007（4）：63-69.

[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）：53-56.