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1、GPS多路径误差处理南京信息工程大学资源环境与城乡规划管理系，南京210044摘要：多路径效应是GPS测量中一种主要的误差源,严重损害了GPS的测量精度。文中就多路径效应对GPS测量误差的影响,分析多路径效应产生的原理和一些特征,介绍消除或减弱多路径误差的方法措施。重点分析利用信噪比削弱多路径误差的方法,该方法从接收机接收的信噪比中分离多路径信号成分和直达信号成分,得到多路径对直达信号的影响量,通过改正相位观测量,从而达到消除或减弱多路径误差的目的。关键词：GPS多路径误差、处理方法、信噪比1引言随着近距差分GPS和民用GNS
2、S系统的发展在各项误差源中,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,动态定位精度已可达亚米级,因此环境影响引起的误差,尤其是多路径误差就成为影响高精度定位和授时的重要因素之一。对于一般的接收机来说,多路径信号对直视信号是一种干扰,因为多路径信号比直视信号经过了更长的路径才到达接收机,所以到达接收机时的多路径信号不论是载波相位还是码相位都和直视信号不一样,接收机对直视信号和多路径信号的混合信号进行捕获和跟踪,自然会产生误差,尤其是码相位,码相位误差最终会导致伪距误差,所以一般的
3、接收机都会采取一定的抗多径手段来消除多径干扰。目前,对GPS接收机多路径干扰的研究,主要切入点有:(1)射频前段,通过有效设计以提高天线增益,如扼止环(chokering)天线;(2)事后数据处理,主要用于差分GPS领域和RTK中;(3)接收机内部信号处理。接收机内部的处理技术可以消除短时延多路径干扰和长时延多路径干扰,是研究GPS接收机抗多路径的重点。2多路径误差的产生机理2.1多路径误差概念及特性一般情况下,除了直接的GPS信号外还有经测站周围各种介质如地表建筑物等一种或多种反射信号进入接收机天线,由于反射信号的振幅远小于
4、正常信号,迭加的结果是使接收信号有一附加干涉延迟,使观测值偏离真值。由多路径误差产生的机理可以看出,多路径效应与卫星相对于天线的空间关系以及天线周围的地物环境有关。经过一系列的研究和实验,发现多路径效应是:1)多径误差包括常数性和周期性两部分常数部分取决于天线周围的具体环境,属于系统误差,无法削弱和消除;周期性部分可以通过延长观测时间得以削弱或消除。多路径效应在各站之间没有相关性。2)多路径误差影响码观测值和载波相位观测值多路径效应对伪距观测值的影响可达几十米,比对载波相位观测值的影响通常大两个数量级。在高反射环境下,多径误差
5、常常导致信号失锁,许多周跳就是由于多路径误差引起的。无论是码观测值还是载波相位观测值,都受多路径误差的影响,其中码观测值的多路径影响更为复杂。其误差大约是载波相位多路径影响的几百倍。3)多路径效应的大小与卫星仰角有关,卫星仰角越低,影响就越大。4)在静态的测量中,多路径误差对伪距观测的影响在良好条件下约为1.3m,在反射很强的环境条件下约为4~5m,严重时还将引起信号失锁。多路径效应对载波相位观测值的影响造成相位偏差,给距离观测带入大约5cm的显著周期性偏差,而高程影响可以达到±15cm。2.2多路径误差模型下面只考虑有地面反
6、射的情况:从卫星发出的信号到达GPS接收机A的天线时,有直接信号,也有天线周围地物反射来的间接信号,同直接信号相比,反射信号的路程增加了(D1+D2),由图1所示。D1=D2cos(π-2ε)=-D2cos(2ε)(1)D2=H/sinε(2)其中,ε为卫星高度角,H为天线至地面的高度。图1 多路径误差示意图所以反射信号比直接信号多经过的路程为:D=2Hsinε(3)因此可以推算得反射信号与直接信号之间的相位差θ为:θ=2πλD=2πλ2Hsinε=4πHsinε/λ(4)3 多路径处理方法3.1 天线接收方面的处理方法在天线
7、接收方面的处理技术主要是使用各种方法将原始信号和反射信号分离出来,达到削弱多路径效应的目的。1)选择合适的天线站址多路径效应不仅与(4)式中的各项参数因素有关,也与天线周围的建筑物和环境因素有关,选择合适的站址时需要考虑以下因素:①实际工作中应选择点位周围高度角10°~15°以上无障碍物、无高压线的环境,但是实际测量中并不是能完全按照理想环境进行选择;②测站应离开高层建筑物、湖面或枝叶茂密的树林等能产生反射不利信号的地区,远离GPS信号干扰源;③观测时,人也不应走近并高于天线。2)天线加装抑径盘和扼流圈所谓抑径盘,指的是在天线
8、底部加装一个扁平圆盘,它的半径可以通过r=h/sinZ计算。但是单纯利用抑径盘,并不能达到很好的效果,因为反射信号会在抑径盘表面形成明显的衍射波,衍射波会在天线内部进行传输。国内的高玉平、刘子懿等人针对501天线,制作了带扼流圈和抑径盘的天线。501天线是用于综合原子时项目中
