[科普中国]-多径传播误差

简介

在实际定位过程中，被定位对象不仅可能存在于通信环境比较理想的农村和郊区，而且还可能存在于通信环境比较恶劣的市区，甚至是通信环境特别恶劣的环境，如:具有很多高大建筑物的市区或高大建筑物内部等。在这些通信环境中信号从基站到被定位对象以及从被定位对象到定位测量设备的传输均存在非直达路径，信号是经过多次反射和衍射后到达定位测量设备的，甚至是经过多条不同的路径到达定位测量设备的。即使在通信环境比较理想的农村环境下也可能存在多径传播，由于这些因素的存在使得定位参数的估计往往会带来很大的偏差。对定位参数的估计造成影响的主要因素有:多径传播、非视距传播(NLOS)、远近效应、多址干扰以及测量误差等，但这些因素中对定位参数估计影响比较大的是多径传播和非视距误差。这些因素的存在不仅会使信号到达方位角的判断产生偏差，甚至会产生错误判断，所以要提高定位精度就必须消除多径传播误差和NLOS误差对信号到达角估计的影响，尤其是消除多径传播误差的影响。

多径传播是信号以多条路径到达接收设备的现象。多径传播误差是指由于信号经过多条路径传播而引起的误差。多径传播主要影响基于AOA(信号的到达角度)的定位算法和基于信号强度的定位算法。多径传播造成信号经过多条路径到达定位测量设备，定位测量设备接收到的是路径不同、强度不同的多个信号的叠加，因而测量的信号强度也受到很大的影响。因此要实现信号到达角的准确估计就必须消除多径传播误差对信号强度(或载干比)的影响。1

多径传播多径传播是从发射机天线发射的无线电波（信号），沿两个或多个路径到达接收机天线的传播现象。

无线电波是一种电磁波，其传播的主要方式是空间波，即直射波、反射波、折射波、绕射波以及它们的合成波。当无线电波遇到物体时，产生反射、折射和散射，而在电波传播的过程中会遇到不同的物体，因而会产生不同的反射、折射和散射，所以在任何一个接受点上均可能收到来自不同路径的同源电磁波，这就是多径传播。

接收端接收到的信号是直达波和多个反射波的合成。由于大气折射是随时间变化的，传播路径差也会随时间和地形地物而变化。那么多径信号如果同相，则相加；如果反相，则抵消。由此造成接收端信号的幅度变化，称为衰落。由于这种衰落是由多径引起的，因此称之为多径衰落。

在FM（调频）无线电广播中，在发射台和接收机之间，信号出现了二个或更多个的传播途径的情况。多径传播效应是由于大型建筑物或山脉反射信号所引起的。接收天线将会收到直达信号和经反射而有延迟的信号。多径效应会产生失真，在收看电视节目时，多径传播效应便会让图像出现“重影”。

GPS点位测量中的多径误差特点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地形地物，日复一日重复出现，即使连续观测好几天也无法消除。周期部分可通过延长观测时间予以削弱和消除。但是，采用动态测量和RTK时,不能延长观测时间，显然无法削弱多径误差。

2，无论是码观测值还是载波相位观测值，都受多径误差的影响。

3，就多径误差的大小而言，P码观测值比载波相位观测值大两个数量级。

4，载波相位值的多径误差对点位坐标的影响，一般条件下为±(1～ 5)cm，在高反射环境下可达± 19 cm。

5， P码观测值的多径误差在中等反射条件下为±(1～ 3)cm，在高反射环境下为±(4～ 5)m，凡采用P码接收机观测，软件原理采用码/载波相位综合法解算模糊值时，更应注意消除多径误差的影响。

6，在高反射环境下,多径误差常常导致接收机相位失锁。

7，观测值中的多数周跳常常是由于多径误差引起的。

8，在解算模糊值时,如果采用码/载波相位值综合技术，即广泛用于车、船和飞机等动态条件下的“途中”(On The Fly或On The Way,简称OTF或OTW)技术解算模糊值时，码信号的多径误差将变得特别严重。

因此，凡要求± 1 cm精度的GPS点位测量任务，无论采用何种测量方法(静态、动态、RTK)都要考虑多径误差。

几种参数对多径误差的影响总参测绘局谢世杰等为了验证多径传播对相位观测值的影响，使用4台接收机(2台为普通天线，2台为扼流圈天线)在GPS微边检验网(边长约5m)上的9天内观测了90h。全部观测的外部环境(反射体，天线高度等)完全相同。

1）卫星的高度角和方位角对多径误差的影响

图是以卫星高度角和方位角为函数的相位残差的中误差(RMS)值。

由图可见:

1，卫星高度角越小,多径误差对相位观测值的影响越大；

2，残差的方位角分布同多径效应的影响没有明显的系统性。

2）截止高度角对多径误差的影响

1，当截止高度角较小时,两种天线得出的距离和高程的RMS值为最小；

2，截止高度角大于15°后，基线重现度明显降低；

3，使用抗多径效应的天线时，在各种情况下，高程都提高20%～ 30%；

4，就距离而言,截止高度角小于30°后，RMS有明显改进。

3）时段长度对多径误差的影响

分析表明，延长时段长度能够提高GPS相位观测值的精度,即提高所求坐标的精度。究其原因，一是大量的观测值能够极大地提高多余观测量，从而提高坐标精度。二是长时间的观测,最后组成总平均值，可使难以模拟的各种系统误差(例如：电离层误差、对流层误差等)减到极小。

削弱多径误差措施1，选点时，尽量避开高反射体(垂直面、平面、斜面、水体等)；

2，选用能削弱多径效应的天线，例如具有Pinwheel技术的天线;

3，采用扼流圈天线；

4，可能时，延长每点观测时间，最好在一天的不同时间进行观测。2