GPS多路径效应误差及处理技术

万文韬　傅林华　杨惠晨

摘 要：介绍了有关多路径效应误差的概念、产生原理及在实际中的一些处理技术，包括空间处理技术、接收机改进技术和数据后处理技术。这些处理技术的应用主要是为了降低多路径效应误差。

关键词：GPS；多路径效应误差；三维坐标；数据后处理技术

中图分类号：P228.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.151

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS是20世纪70年代由美国军队联合研发并自主生产的新一代空间卫星导航定位系统，其主要任务是为陆军、海军、空军三大领域提供实时性、全天候性以及全球性的信息，并用于情报信息获取、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。

GPS在现代科技领域得到了广泛的应用，它的主要工作原理是通过地面接收设备接收卫星传送的信号，进而测定地面点的三维坐标数据。它能广泛应用于全球的一个重要原因在于它的高精度，它对目标的定位精度达到毫米级别。但其在使用过程中也会产生误差，为了达到更高的水平，要对测量误差实施一些改进措施。在GPS相对定位中，当获取GPS定位数据时，其主要在于怎样消除和减少GPS信号的传播误差。这些传播误差包括电离层和对流层的时延误差和多路径效应误差。我们可以利用模型改正或双差方法消除或削弱除多路径效应误差以外的传播误差，但是，由于多路径效应误差的随机性，我们不能基于采集的观察数据来建模，因此消除或者削弱多路径效应误差是比较困难的。

1 多路径效应误差

1.1 多路径效应误差概念

GPS信号接收机所测得的站点距离应该是GPS信号接收天线相位中心至GPS卫星发射天线相位中心的距离。接收的GPS信号理论上应该是GPS信号接收天线相位中心直接到达GPS信号接收天线相位中心，称为直接波。GPS接收天线除了接收直接波以外，还接收间接波，包括星体反射波、介质散射波等。GPS信号接收机所接收的GPS信号是由直接波和间接波所合成的信号。通常认为的“多路径误差”其实是所测的站点距离误差，由间接波对直接波的破坏干涉而引起的。由这种破坏干涉所引起的时延效应叫作“多路径误差效应”。

1.2 多路径效应误差特性

多路径效应误差主要有以下几个特征：①多路径效应误差包括随机部分和周期性部分，随机部分在观测时间段内一直存在，它决于天线周围的具体环境，属于系统误差，无法削弱和消除。②GPS接收机中的相关器特性和跟踪锁定环特性能够决定多路径效应造成的误差量级。③在静态测量中，也就是测量点位坐标时，情况良好时，多路径效应误差对伪距观测造成的影响约为1.3 m，在反射很强的环境情况下大概为4～5 m；情况严重时可能引起信号失锁。④多路径效应误差的大小也与卫星的仰角有关，其影响与卫星仰角成反比，多路径效应误差的影响随仰角的减小而增大。

由于这些特征的存在，我们在研究多路径效应误差时，就应该综合考虑这些因素的影响。

2 GPS“多路径效应误差”的处理技术

GPS“多路径效应误差”的处理技术由于天线和接收器硬件技术的提高得到了很大的改进。目前降低“多路径效应误差”的技术大致可以分为空间处理技术、数据后处理技术和接收机改进技术三种。

2.1 空间处理技术的应用

2.1.1 选择合适的天线站址

多路径效应误差的产生原因主要有两方面：①卫星信号的方向和反射系数；②反射物与接收站之间的距离关系。天线接收方面的处理技术主要是通过某种技术手段将原始信号和反射信号分离，以达到削弱多路径效应误差的目的。

2.1.2 天线加装抑径盘和扼流圈

所谓“抑径盘”，指的是在天线底部加装一个扁平圆盘，它的半径可以通过r=h /sinZ计算。

2.1.3 定向天线阵列

使用天线阵列是空间处理技术中用来降低多路径效应误差的一个更好的方法，使用天线阵列有两个主要的作用：①可以在原始信号路径的传输方向上建立一个高度定向的空间相应模式；②可以减少次级传输信号的通过。

2.2 数据后处理技术的应用

现在的GPS在天线和接收器的硬件方面得到了很大的提高。与此同时，数据后处理技术的配合使用也大大增加了GPS数据的精度。所谓“数据后处理技术”，是从原始的观测技术或定位结果数据中提取多路径效应误差的影响。近年来出现了多种数据后处理技术，主要有以下几种。

2.2.1 信噪比技术

我们可以通过多路径效应的周日重复性和其对周边观测环境的依赖性预判出多路径效应误差的存在，主要在特定卫星、特定时间段上的判断。当多路径效应误差发生改变时，信噪比会相应降低，根据观测值的信噪比降低受多路径效应误差影响的观测值的比例，从而削弱多路径效应误差。

2.2.2 扩展卡尔曼滤波技术

根据小范围多天线系统中多路径对各天线之间伪距测量值的相互影响，可得到削弱多路径效应误差的方法，其主要过程为通过使用扩展卡尔曼滤波技术来获取多路径信号的各种参数，然后在接收信号中消除多路径信号。

在GPS定位测量中，多路径效应误差是影响数据精度的一个重要因素。而本文介绍的误差处理技术对降低多路径效应误差效应有很大效果。虽然以上几种多路径效应误差的处理技术有助于降低多路径效应误差，但它们仍存在一些问题。空间处理方法在误差处理方面有一定的效果，但其成本比较高，而且可行性比较低；接收器改进技术可以比较出色地解决多路径效应误差，但是这项技术比较高端，很难普及。

3 结束语

本文主要对多路径效应误差的原理以及如何削弱或消除多路径效应误差进行了介绍。在以后的GPS使用中，多路径效应误差的研究是热点问题，在工程实践中，即使延长其观测时间也不能完全消减多路径效应误差对精度的影响。在实际观测中，特别是在进行高精度导航测量中，必须要降低多路径效应误差带来的影响。

参考文献

[1]陈凯，俞庆.GPS多路径效应原理及数据后处理方法研究[J].城市道桥与防洪，2010（04）.

〔编辑：王霞〕