張光勝,李任之,程 鋼

(1.河南理工大學(xué) 礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

GPS多路徑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測試與分析研究

張光勝1,2,李任之1,2,程 鋼1,2

(1.河南理工大學(xué) 礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

作為影響GPS測量信號的干擾源，多路徑效應(yīng)為眾多研究者所關(guān)注。多路徑效應(yīng)使得GPS測量的精度降低，嚴(yán)重時(shí)還將引起信號失鎖。針對這一問題，文中從多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的原理出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)施無線電干擾和鏡面反射干擾實(shí)驗(yàn)，分析多路徑效應(yīng)對GPS單點(diǎn)定位精度、基線長度精度和網(wǎng)精度的影響。在既有的研究成果基礎(chǔ)上，提出隨著距離的變化多路徑效應(yīng)的影響程度不同、對網(wǎng)精度影響最小、對單點(diǎn)定位精度影響最大等結(jié)論，并總結(jié)了減弱多路徑效應(yīng)的相關(guān)措施。

GPS測量；定位精度；多路徑效應(yīng)；無線電干擾；鏡面反射

近年來，GPS現(xiàn)代化不斷發(fā)展，隨著2010年8月1日美國第一顆block llF衛(wèi)星的發(fā)射，導(dǎo)航定位信號擴(kuò)展到L1、L2和L5，開啟了導(dǎo)航定位的新格局[1]。自此全球廣大用戶可以使用GPS載波相位技術(shù)在信號未受到干擾的情況下獲得厘米級、甚至毫米級精度。然而，GPS信號強(qiáng)度較為微弱，易受到干擾，其中多路徑效應(yīng)引起的誤差是影響GPS測量精度的顯著因素。多路徑效應(yīng)在GPS實(shí)際測量中的影響程度、規(guī)律及其規(guī)避方法是提高GPS測量精度及其抗干擾能力的重要課題。目前對于多路徑效應(yīng)的研究主要集中在對接收機(jī)信號的處理、對接收機(jī)天線的改進(jìn)、數(shù)據(jù)后處理技術(shù)、選擇站址環(huán)境等方面。伍錫銹提出利用增量Kalman濾波的系統(tǒng)誤差最優(yōu)估計(jì)方法，從帶有噪聲干擾的信號中提取有用信號，從而得到了精度和可靠性更高的接收信號[2]。數(shù)據(jù)后處理方面，張波等通過降低受多路徑效應(yīng)影響的觀測值的權(quán)重，從而達(dá)到削減多路徑誤差的目的[3]。Minami等通過減少接收機(jī)的GPS信號碼相位鎖相環(huán)中的鎖相環(huán)誤差，消弱多路徑效應(yīng)。Townsend和Fenton提出利用多路徑估計(jì)技術(shù)和多路徑估計(jì)延遲鎖定環(huán)技術(shù)來減弱多路徑效應(yīng)，降低多路徑上的偽距偏置誤差，提高定位精度[4]。本文以校園為實(shí)驗(yàn)場地，以無線電干擾和鏡面反射作為干擾源分別對多路徑效應(yīng)對單點(diǎn)定位精度、基線長度精度、網(wǎng)精度影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以期探索其影響程度、規(guī)律及規(guī)避辦法。

1 多路徑效應(yīng)產(chǎn)生原理

GPS衛(wèi)星從2萬多公里的高空向地面發(fā)射電磁波，地面接收機(jī)天線可以收到信號并跟蹤GPS衛(wèi)星完成定位或?qū)Ш饺蝿?wù)。然而GPS 發(fā)射的電磁波信號并不是一條條的直線信號而是向四面八方的，地面上接收機(jī)周圍有一些其他物體，這些物體或多或少要反射GPS信號[5]。因此，接收機(jī)天線不但收到了沿最小光程路徑來的GPS直達(dá)信號，也會收到經(jīng)各種反射物反射后到達(dá)接收機(jī)天線的信號[6]。在實(shí)際作業(yè)過程中，由于受環(huán)境條件的限制，周圍反射物(地面、水面、樹、墻體等)將把信號反射后再被接收機(jī)接收，這便形成了兩種波：直接波和反射波，二者產(chǎn)生干涉，從而影響觀測值，產(chǎn)生多路徑誤差。這種由多路徑的信號傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱作多路徑效應(yīng)，是GPS測量中的一種重要誤差源，嚴(yán)重?fù)p害GPS測量精度，嚴(yán)重時(shí)還會引起信號失鎖。

GPS天線接收的反射波包括地面反射波、墻體反射波、樹木反射波等，現(xiàn)以地面鏡面反射為例說明多路徑產(chǎn)生的過程。如圖1所示，設(shè)GPS天線收到來自衛(wèi)星的信號為S，同時(shí)收到經(jīng)地面上鏡面反射后的反射波信號S′，D為接收機(jī)所架點(diǎn)距鏡面的距離，λ為載波波長，θ為反射波入射角，H為天線的高度，其中D與H關(guān)系如式(1)所示。這兩種信號路徑不同，其路徑差值稱為程差，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)

從式(1)、式(2)中可以看出，程差不僅與反射物的入射角有關(guān)，還與反射物距天線的距離有關(guān)。由于存在程差Δ，反射波和直接波之間存在一個相位延遲δ，如式(3)所示,不論是程差還是相位延遲，都會對測量觀測產(chǎn)生誤差，影響其定位的精度。

圖1 地面反射示意圖

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

衛(wèi)星信號的強(qiáng)弱與天氣條件有很大關(guān)系，陰雨、多云天氣，會導(dǎo)致接收機(jī)接收到的信號有一定程度的減弱，而晴天觀測能減弱天氣因素的影響。本實(shí)驗(yàn)選擇一天氣良好的上午，選3個點(diǎn)C2、C3和C4分別架設(shè)GPS接收機(jī)，連續(xù)同步靜態(tài)觀測0.5 h。所選三點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域

C2和C4是已知點(diǎn)，C3是施加干擾點(diǎn)，單點(diǎn)精度分析中把一臺GPS接收機(jī)架在已經(jīng)確定的點(diǎn)C2上，將另一臺儀器架設(shè)在C3上，網(wǎng)精度分析中添加儀器架設(shè)在已知點(diǎn)C4。其中C2、C3和C4周圍均沒有高大障礙物，且地勢比較平坦。在數(shù)據(jù)處理過程中，參考衛(wèi)星是軟件默認(rèn)的信號接收較好的衛(wèi)星，截止高度角為5°，采樣間隔為5 s。

先進(jìn)行無干擾測量，之后保持接收機(jī)靜態(tài)模式下的參數(shù)設(shè)置，添加干擾源。干擾源添加方案如下：

方案1：將一臺小型收音機(jī)放置于C3接收機(jī)附近，使得其與接收機(jī)間的距離分別為2 m、5 m、10 m，如圖3所示。

圖3 小功率收音機(jī)干擾實(shí)驗(yàn)圖

方案2：將6架小鏡子架設(shè)在C3儀器周圍，使其距離接收機(jī)距離分別為2 m、5 m、10 m，如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 單點(diǎn)定位精度影響分析

如圖5所示，在單點(diǎn)定位影響分析中，C2和C3兩臺接收機(jī)接收到同一顆衛(wèi)星的信號所產(chǎn)生的殘差的分布是不均勻的，圖5(a)為C2點(diǎn)的殘差圖，圖5(b)是C3點(diǎn)的殘差圖，C3點(diǎn)的殘差分布比C2的殘差分布波動更大，表明其信號質(zhì)量與環(huán)境干擾關(guān)系密切。

圖4 鏡面發(fā)射干擾實(shí)驗(yàn)圖

圖5 C2與C3點(diǎn)殘差圖對比

由施加無線電干擾的數(shù)據(jù)(見表1)可以看到，在小功率無線電的干擾下C3點(diǎn)接收到的反射信號與直達(dá)信號產(chǎn)生干涉，出現(xiàn)了相位延遲，使得測量點(diǎn)坐標(biāo)偏移，有較強(qiáng)的多路徑效應(yīng)。施加鏡面反射干擾的數(shù)據(jù)(見表2)可以看到，在鏡面反射干擾下C3點(diǎn)接收到的反射信號與直達(dá)信號產(chǎn)生干涉，出現(xiàn)了相位延遲，使得測量點(diǎn)坐標(biāo)偏移，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的多路徑效應(yīng)。兩種實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的偏差與干擾源到接收機(jī)的距離無明顯規(guī)律性。

表1 無線電干擾對C3點(diǎn)位影響

表2 鏡面反射干擾對C3點(diǎn)位影響

3.2 基線長度精度影響分析

基線長度精度實(shí)驗(yàn)，從基線的測站、星歷狀況以及基線處理中周跳剔除、精度分析等處理發(fā)現(xiàn)：無線電、鏡面反射等干擾會使衛(wèi)星信號強(qiáng)度大幅度減弱，導(dǎo)致了較強(qiáng)的多路徑效應(yīng)。通過表3、表4干擾前后基線長度的對比發(fā)現(xiàn)，施加小功率無線電干擾和施加鏡面反射干擾下的基線距離都變長了，二者的影響均在厘米級，干擾距離變化未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。

表3 添加小功率無線電干擾的C2—C3點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)

表4 添加鏡面反射干擾的C2—C3點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)

3.3 GPS網(wǎng)絡(luò)精度影響分析

比較表5、表6、表7，從這些數(shù)據(jù)中可明顯看到施加了干擾的三角網(wǎng)平差值高于未施加干擾的三角網(wǎng)的平差值。說明無線電、鏡面反射等干擾會使衛(wèi)星信號強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致多路徑效應(yīng)。但對于三角網(wǎng)來說，本身精度較高，穩(wěn)定性較好，所以造成的影響并不大[7]。

表5 無干擾的三角網(wǎng)平差指標(biāo)

表6 添加小功率無線電干擾的三角網(wǎng)平差指標(biāo)

表7 添加鏡面反射干擾的三角網(wǎng)平差指標(biāo)

3.4 分析與探討

多路徑效應(yīng)有別于其他GPS測量的誤差，通過差分或建立改正模型來消除和改正效果并明顯。本文通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析以及對前人研究成果的總結(jié)，從以下幾個方面提出減弱多路徑效應(yīng)誤差的若干措施。

1)選擇合適的站址。選擇站址應(yīng)盡量避開強(qiáng)磁場以及平靜水面，且不要架在山坡、山谷、盆地等地方，避免這些地區(qū)會引起強(qiáng)烈的信號反射。

2)適當(dāng)延長觀測時(shí)間。GPS衛(wèi)星運(yùn)行是有周期性的，多路徑誤差的大小和方向隨時(shí)間而變化，長時(shí)間觀測取平均值可一定程度消弱其影響。

3)避免人為影響。在靜態(tài)外業(yè)觀測過程中，觀測者以及行人的來回走動也會影響到數(shù)據(jù)采集的精度[8]，應(yīng)避免觀測人員或其他人流對儀器觀測的影響。

4)采用數(shù)據(jù)的后處理技術(shù)。數(shù)據(jù)的后處理方法主要是利用衛(wèi)星、反射物、天線環(huán)境、GPS接收機(jī)所記錄的各種信息從原始數(shù)據(jù)或定位結(jié)果數(shù)據(jù)去除或減弱多路徑效應(yīng)的影響[9]。常用方法包括信噪比法、小波分析法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥ǖ取?/p>

5)選擇合適的天線。在無法避免產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的環(huán)境時(shí)，可選擇合適的天線，在天線中設(shè)置抑徑圈來減弱多路徑效應(yīng)。

在以上常用的削弱多路徑效應(yīng)的方法和措施中，選擇合適的站址有時(shí)會受客觀條件的限制，先進(jìn)的接收機(jī)和信號處理技術(shù)目前較難得到顯著改善，數(shù)據(jù)后處理技術(shù)仍是提高定位精度一個主要途徑[10]。

4 結(jié) 論

通過本文設(shè)計(jì)實(shí)施的3個實(shí)驗(yàn)，充分說明多路徑效應(yīng)在GPS觀測過程中產(chǎn)生了明顯的干擾作用。

對于單點(diǎn)測量的精度，GPS接收機(jī)在受到無線電干擾和鏡面反射干擾的時(shí)候，觀測點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)際值出現(xiàn)了明顯的偏移；對于基線長度測量的精度，施加小功率無線電干擾和施加鏡面反射干擾下的基線距離明顯變長；對于三角網(wǎng)測量的精度，施加了干擾的三角網(wǎng)平差值高于未施加干擾的三角網(wǎng)平差值，但總體影響不大。

總的來說，多路徑效應(yīng)對三角網(wǎng)精度的影響程度<對基線長度精度的影響<對單點(diǎn)定位精度的影響。隨著干擾源距離接收機(jī)距離的變化，影響程度也會發(fā)生改變，但其中的規(guī)律性有待探索。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41001226);河南省高等學(xué)校骨干教師資助計(jì)劃(2012GGJS-055);河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010B170006); 礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(KLM201202);數(shù)字制圖與國土信息應(yīng)用工程國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(GCWD201002); 河南理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B2010-9)

張光勝(1975-)，男，副教授，博士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)12-0031-04