摘 要：多徑效應是影響GPS定位精度的主要環(huán)境因素之一，會對GPS接收機定位結(jié)果造成影響。本文針對多徑效應的產(chǎn)生和特點，分析了多徑效應對GPS定位精度的影響，提出了幾種可行的解決方法來減少其影響，提高定位精度。

關鍵詞：誤差；多徑干擾；GPS定位精度

中圖分類號：P228.4

GPS具有定位精度高，環(huán)境適應性強等諸多優(yōu)點，在軍用和民用等領域均得到廣泛應用。其基本定位原理是：通過接收至少4顆以上GPS衛(wèi)星的偽距、偽距變化率和載波相位，計算相應的偽距和偽距變化，同時接收衛(wèi)星的位置、時間與狀態(tài)等電文信息，計算出當前GPS接收機自身的位置和速度，實現(xiàn)定位。在GPS接收信息測量過程中，存在著各種對精度有影響的因素，為了提高定位精度需要對各種誤差因素進行分析。

目前普遍采用基于兩個或多個GPS接收機的差分定位，但采用差分定位只能對公共誤差部分進行消除，無法解決多徑效應對定位精度的影響，所以解決徑效應問題是提高GPS定位精度的重要途徑。

1 GPS定位精度影響因素及影響程度

根據(jù)GPS定位原理，影響定位精度的主要因素來源于信號傳播過程、相應的時間定位精度和接收機誤差，因此對定位誤差的貢獻因子主要包括SA誤差、大氣層干擾、對流層延遲改正后殘差、星歷誤差及多路徑效應誤差。概括起來定位的主要誤差來源可分為3類，即衛(wèi)星誤差、信號傳播誤差和接收誤差。

（1）衛(wèi)星誤差主要包括星歷誤差和星鐘授時誤差；

（2）信號傳播誤差主要包括電離層和對流層時延改正誤差、多徑效應誤差、相對論效應誤差和地球自轉(zhuǎn)效應誤差；

（3）接收誤差與GPS接收機有關，主要包括觀測噪聲誤差、內(nèi)時延誤差和無線相位中心誤差。

GPS衛(wèi)星定位誤差量級由表1所示：

在上述誤差因素中，GPS衛(wèi)星的星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差、GPS接收機鐘差以及大氣折射造成的誤差等都有一定的規(guī)律可循，可采取一定的措施將誤差影響降至最低。如利用差分GPS技術可將衛(wèi)星鐘誤差和星歷誤差消除，并將電離層延遲和對流層延遲誤差部分消除，但無法消除或減弱多徑效應誤差對定位精度的影響。由表1可知，多徑效應誤差對GPS定位精度影響較大，而且多徑效應誤差在不同站點，對應不同的反射體有不同的多徑傳播表現(xiàn)，很難用模型來修正，有時甚至會引起定位失鎖，因此其成為GPS定位誤差的重要貢獻因子。

2 多徑效應的產(chǎn)生及特征

多徑效應是由于衛(wèi)星發(fā)射的信號通過多個路徑到達衛(wèi)星接收天線，從而在天線面上產(chǎn)生多個不同相位和幅度的信號疊加而造成的現(xiàn)象。由于接收天線周圍的各種反射體（主要指粗糙度小于20的平面反射體）均能反射GPS信號，除直達波信號外，還有經(jīng)由周圍物體一次或多次反射到達的信號，GPS接收機天線面接收的信號是直達波和反射波產(chǎn)生干涉后的合成信號。由于直達波與反射波的路徑及長度不同，導致信號相位與幅度均不同，使最終的合成信號波形產(chǎn)生扭曲，從而產(chǎn)生多徑效應誤差。

在實際應用中，根據(jù)多徑效應的作用模式可將其分為兩種，分別對GPS接收信號的影響有很大不同。一種是在接收機周圍反射物粗糙不平時，反射信號表現(xiàn)為漫反射形態(tài)，從而到達接收機天線面的信號為很微弱的反射信號，這些漫反射信號相位的相關性較小，其在接收機通道表現(xiàn)為包絡服從瑞利分布的噪聲，對接收機跟蹤測量的影響很??；而當接收機周圍存在類似于鏡面反射的發(fā)射物時，通過這種反射的信號一旦進入衛(wèi)星接收機，其信號強度大，相位一致性好，與直射波疊加后使信號的相位與幅度變形比較大，從而引起較大的多徑效應誤差。

多徑效應示意如圖1所示：

根據(jù)多徑效應產(chǎn)生的原理，其一般具有如下特征：

（1）到達接收機的反射波比直達波傳播路徑長，因此反射的多徑信號總是在直達波信號之后到達接收機天線；

（2）多徑效應誤差中通常包括常數(shù)誤差和周期誤差。常數(shù)誤差每天重復出現(xiàn)且無法消除，而周期誤差可通過長時間觀測處理進行削弱；

（3）多徑誤差的比例為直接信號能量和反射信號能量之比，在動態(tài)測量中，多徑誤差具有極大的偶然性、不確定性；

（4）GPS接收機無論是采用碼觀測或是載波相位觀測方法，定位精度都會受多徑效應的影響，尤其是在衛(wèi)星數(shù)目較少時多徑效應誤差容易直接導致接收機相位失鎖，從而無法進行定位；

（5）多徑信號存在一定的衰減，因此多徑信號的強度通常比直射信號弱。

3 多徑干擾對外測定位的影響

在某特殊應用的外測定位中，GPS接收機工作在容易產(chǎn)生高鏡面反射的海平面附近，且使用海拔高度較低，并且根據(jù)實際使用要求限制，接收機的接收天線在低仰角下和背瓣對多路徑信號抑制度較差，從而使GPS接收機受多徑效應信號影響的風險大大提高。

C/A碼是用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號的偽隨機碼。在某特殊應用的外測定位中GPS接收機采用L1-C/A碼信號，通過偽隨機碼測距進行時間、位置和速度測量。L1-C/A碼碼速率為1.023MHz，碼長1023chip（碼片），每個chip的碼片周期Tc為0.98us，對應的空間距離為293m[2]。多徑效應中的反射信號與接收碼波形相同，不同時延（從而相位不同）、不同強度的多徑效應信號與真實的直達波衛(wèi)星信號疊加后，將對這種偽距測量帶來不同的影響。

多徑效應誤差包絡曲線用來描述給定多徑效應信號幅度和延遲所能引起的最大測距誤差。根據(jù)多徑效應誤差包絡曲線可知，如果忽略旁瓣因素，相對于真實直達波信號時延在1.5chip（相當于距離439.5m）以下的多徑效應信號會對偽距測量造成較大影響，引起的最大偽距測量誤差為293m。因此即使有多徑信號參與定位，只要偽距測量誤差在293m內(nèi)接收機也不會自動剔除該衛(wèi)星，所以多徑效應信號直接對接收機定位精度造成影響，在高反射環(huán)境下甚至會使衛(wèi)星信號失鎖。

4 解決措施

4.1 通過環(huán)境選擇改善多徑干擾

（1）選擇可視衛(wèi)星多，接收條件較好的時機

選擇可用衛(wèi)星較多和衛(wèi)星布局較好的時機，可以大大提高GPS接收機定位的概率與定位穩(wěn)定度。根據(jù)原理，GPS定位基本條件為4顆以上（含4顆）可用衛(wèi)星，在可用衛(wèi)星數(shù)量大于6顆以上的條件下，接收機根據(jù)參與定位的衛(wèi)星信號狀態(tài)剔除一顆可能存在多徑效應信號的衛(wèi)星，一般為低仰角衛(wèi)星。多徑效應信號直接導致接收機信噪比降低，當可用衛(wèi)星數(shù)較少時，接收機信噪比降低導致接收機捕獲的衛(wèi)星數(shù)減少，此時GPS接收機工作狀態(tài)為先確保定位所需要的衛(wèi)星數(shù)，即使有多徑衛(wèi)星信號存在，只要偽距測量誤差在293m內(nèi)就不會自動剔除，從而接收機定位超差的概率提高。所以選擇星歷較好的時機，保證可用衛(wèi)星數(shù)量較多、且衛(wèi)星可視仰角較高，從而提高接收機定位穩(wěn)定性和定位精度。

（2）改善測量使用環(huán)境

在使用GPS接收機進行定位時選擇低多徑效應的地點放置接收天線，應盡量避開平靜的水面、有反射能力的房屋及微波發(fā)射塔等建筑物，以減少多徑效應對其的影響。但在動態(tài)測量中對環(huán)境選擇受到很大的限制。

4.2 通過硬件設計改善多徑干擾

（1）采用抗多路徑能力較強的接收天線

可以使用抗多路徑天線，這種天線適用于地面或海面反射的多徑效應環(huán)境。當GPS天線離地面或海平面有一定高度時，基于直射信號與多徑效應信號到達角不一樣，GPS直射波信號主要從天線主辮進入，而多徑效應信號主要自天線旁辮進入。提高天線的主副辮增益比從而提高接收機的信噪比達到抑制多徑效應目的。

目前在某特殊應用的外測定位中常使用的有微帶天線和徑向扼流圈天線。這兩種天線均可以有效抑制GPS的多徑效應，且滿足天線通道要求，可使多徑效應誤差減小一半左右，運動載體上的GPS接收天線常采用微帶天線，而徑向扼流圈抗多徑天線多安裝在GPS基準站，可以提高差分定位精度。

（2）將天線設置為右旋接收[3]

GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號是右旋極化的，因此直達波信號為右旋極化不變，而多徑效應信號經(jīng)過反射后通常變?yōu)樽笮陀倚龢O化的混合信號，所以如果采用右旋極化天線則可以抑制多徑反射中的左旋分量，從而提高接收機信噪比，提高定位精度。

（3）改進GPS接收機硬件電路

多徑效應會降低接收機的定位精度，并使處理時間加長，從接收機硬件電路入手，在電路設計中采取一定措施減小多徑效應的影響。目前常采用的是Novatel公司研究的MET及后續(xù)的MEDLL技術，其主要是根據(jù)經(jīng)驗估計出多徑信號幅度，大小和相位，對失真的相關函數(shù)曲線進行彌補修正，得到直達波信號的相關函數(shù)，從而達到減小多徑信號引起的載波和碼相位測量誤差，這種方法大概能將多徑效應減少90%。

4.3 通過軟件算法改善多徑干擾

（1）選擇參與定位衛(wèi)星[4]

分析GPS定位算法可以總結(jié)出，無論是選擇所有可觀測到的衛(wèi)星參與定位或是利用幾何精度因子（GDOP）最小方法選擇最佳的4顆衛(wèi)星參與定位，選擇的計算依據(jù)都是普通最小二乘法，這種方法適合于對觀測量誤差特性未知或是誤差均服從相同分布的情況。但實際應用中，電離層、對流層、多徑效應誤差等都與衛(wèi)星視線的幾何形態(tài)有關。只要在定位觀測量中包含有多徑效應誤差的干擾，GPS定位誤差必然加大。所以依據(jù)定位誤差方差最小的原則利用GDOP值選擇參與定位的衛(wèi)星，而盡量不用多徑誤差較大的觀測量，可以明顯減小多徑效應對GPS定位精度的影響。

（2）增大GPS選星仰角門限

低仰角下多徑信號往往較強，適當提高仰角門限可以屏蔽掉低仰角信號，從而減少多徑效應的影響。通常GPS選星采用大于5°的仰角門限，在可用衛(wèi)星足夠的情況下如果使用大于15°的仰角門限，可使因多徑效應產(chǎn)生的定位誤差減小一半，而相應的GDOP值變化不大。

（3）利用定位數(shù)據(jù)平滑濾波減小GPS動態(tài)定位誤差

在GPS動態(tài)定位中，接收機以一定速度運動，多徑分量的反射點、多徑信號與直射信號的相位差及幅度差隨著接收機的運動不斷變化，尤其是相位差變化較大，使多徑效應誤差的均值和方差出現(xiàn)振蕩，此種狀況下可對運動接收機的定位數(shù)據(jù)進行平滑濾波，達到減小多徑誤差，改善多徑效應帶來的影響。但如果靜態(tài)定位，用定位數(shù)據(jù)平滑濾波方法效果就不明顯。

（4）利用時空處理方法

實際應用中多徑效應具有隨機性，隨時間和空間在不斷變化，用單一的方法，如單一抗多徑天線難以達到理想效果。結(jié)合空域和時域兩個方面，可以使用距離較近的多臺GPS接收機進行定位，它們受到的多徑效應在時間和空間上是基本相干的，因此可以使用時空處理法對多徑參數(shù)進行校正，達到降低多徑效應的影響。

5 結(jié)束語

GPS定位是目前應用最廣泛的定位手段，隨著應用領域不斷拓寬，對它的定位精度要求越來越高，而多徑效應由于它的特殊性一直制約著定位精度的提高。隨著人們研究的深入，提出了更多的解決辦法，努力將它對定位精度的影響降至更低。

參考文獻：

[1]熊志昂，李紅瑞，賴順香.GPS技術與工程應用[M].國防工業(yè)出版社，2005.

[2]李鐵，孫貴新，李鋼.GPS衛(wèi)星信號的接收與多徑誤差[J].科技論壇，2005，20.

[3]張守信.GPS衛(wèi)星測量定位理論與應用[M].國防大學出版社，1996.

作者簡介：朱麗梅，女，遼寧錦州，研究方向：遙測遙控，講師。

作者單位：遼寧葫蘆島92515部隊，遼寧葫蘆島 125000