浅析GPS测量中的多路径效应

1、浅析GPS测量中的多路径效应摘要：本文讨论了GPS测量中多路径效应产生的原因和特点，对GPS多路径误差进行了分析，探索抑制多路径效应的途径。关键词：GPS；多路径效应；多路径误差（InnerMongoliaTechnicalCollegeofConstruction，Province010070，P.R.China）Abstract:ThispaperdiscussedthecausesandcharacteristicsofthemultipatheffectinGPSsurveying,analyzedtheGPSmultipatherrors,findwaystosuppressmult

2、ipatheffects.Keywords:GPS;multipatheffects;multipatherrors中图分类号：P228.4文献标识码：A文章编号：GPS测量定位技术以其高精度、高效率、低成本、实时定位和操作简便等优点被广泛地应用于土地利用规划和各项工程建设等众多领域。随着GPS测量定位技术的广泛应用，其定位方法和数据处理理论也在不断发展和完善。由于在GPS测量定位技术中充分利用了一些误差在空间的强相关性，采用改正模型和差分定位等技术手段，绝大多数误差得到了很好的消除或削弱，其剩余残差已对GPS测量定位成果的精度威胁不大。但是，随着观测站周围环境（包括高层建筑物、山坡、树和水等

3、）的变化，多路径误差有时会对GPS测量定位成果精度造成很大的影响。众所周知，由于多路径误差随测站周围环境变化的复杂性和在空间上的非相关性，无法利用严密的数学模型予以改正，亦不可能利用差分定位技术手段子以有效地削弱。目前，利用GPS技术在小范围（通常距离为几公里）内进行高精度测量定位，多路径误差已经成为影响测量成果精度的主要误差源。所以，为了提高GPS测量定位成果精度，以满足工程建设和变形监测等任务的需要，有必要对多路径误差的特性及其影响的规律进行深入研究。一、多路径效应的产生多路径效应是在发射GPS定位信号的卫星，接收机天线及天线附近的物体间构成的某种相对空间关系的环境下产生的合成信号相对于直

4、达接收天线信号的一种延迟现象。此处直达信号（LOS）系指从卫星直接到达从卫星直接到达天线而未经物体反射或绕射的信号，而合成信号则指直达信号与反射或绕射信号的和。如图1所示，GPS射频信号通过两路或可能更多的几种不同路径到达同一固定的接收天线，几路到达信号虽在发射时间上有共同的时间起点，但到达时刻不同，并兼而存在相对相位偏移，信号的幅度也发生了相对变化，这便造成了接收信号相对发射信号的结构畸变，从而影响码和相位的量测，形成了多路径效应。由此产生的定位误差称为多路径误差。现假设直接进人接收机天线的直射信号为(l)进入接收机天线的反射信号为(2)式中：为第个反射信号的反射系数，为该反射信号的相位延迟

5、。由于一般反射信号不只一个。那么接收机天线实际接收到的信号应该是直射信号和多个反射信号叠加的结果，即为为说明问题方便，暂且假设只有一个反射信号存在，则有经过推导招理有式中：为由于多路径反射信号的干涉所造成的载波相位误差，、分别为可见，与多路径反射信号的反射系数和相位延迟有关。现在利用式（6）来求的极值，经过推导整理，当时，载波相位误差有极大值可知，当取最大值1时，。即载波相位误差将引起1/4周的载波波长的距离误差。针对L1载波，其波长为19.03cm，多路径误差所造成的最大距离误差应该为4.8cm；针对L2载波，其波长为24.42cm，多路径误差所造成的最大距离误差应该为6.1cm。上面分析讨

6、论是基于只存在一个反射信号的情况，事实上反射信号将是多个，那么对观测值的影响也是多个反射信号的叠加结果。所以客观上多路径反射信号对观测位的影响比上面的情况要复杂得多。当观测站周围附近环境复杂、情况恶劣时，反射信号还将会使载波相位测量的整周数产生周跳,严重时将会使GPS卫星信号产生失锁。二、多路径效应的特点多路径效应这种物理现象有如下特点：1、多路径效应为一时空环境效应多路径效应的产生可以理解为一时空环境效应，它与卫星相对于地物的空间位置及地物均有密切关系。地物所造成的多路径效应影响与地物对GPS信号的反射能力又有关。反射能力常以地物的反射系数表示，此时地物为GPS信号传播的一种介质。对于不同的

7、信号频率，不同的地物来说，其反射系数都是不一样的。对于GPS的测距码和调制导航电文的相应频率的信号而言，表1得出的一些典型地物类的反射系数是具有参考意义的。可见，对该波段的电磁波信号，水面的反射能力最强，多路径信号主要表现为反射；森林、山地或城市这类地物最弱。不同具体环境，如晴天、雨天，其导电性、吸收性和散射系数往往存在一些变化。表12、多路径效应的影响与接收机的抑制能力有关由不同工作原理工作的GPS接收机跟踪和锁定GPS卫星信号的过程也有所不同，从而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。因此，除观测环境外，GPS接收机内部工作机理与多路径效应的产生是密不可分的。另外，GPS接收

8、天线也是接收系统中的重要单元，其性能直接影响到对多路径效应的克服能力；而且，接收机中采用MEDLL、窄相关技术等技术只能改善或削减其远距离反射，而改善或削弱其近距离反射的影响目前还有待研究。3、静态时的多路径效应具有重复性由第一特点可以理解到，在静态情况下，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，而产生多路径的场景也是重复的，这就直接导致多路径效应也应具有重复性。4、多路径效应的影响在量值上具有一定的范围GPS接收机在对信号进行相关对比和跟踪锁定时决定了多路径效应的最终产生具有量值上的范围，即理论上面伪距码不会超过一个码元的宽度，而相位不会超过四分之一载波波长。5、多路径效应具有一定的频率行为当产生多路径的场景一定时，反射介质的反射特性也一定，多路径信号随着卫星的运行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内进行的，这表明可以用频谱分析的方法来进行分析多路径效应。三、多路径误差削减方法图2为多路径效应对GPS测量影响流程图。从