[科普中国]-多路径误差

背景

高精度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。由于在高精度

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，其剩余残差已对高精度GPS测量定位成果的精度威胁不大。但是，多路径误差随着观测站周围环境（包括高层建筑物、山坡、树和水等）的变化，有时会对高精度GPS测量定位成果精度造成很大甚至极坏的影响。众所周知，多路径误差随着观测站周围环境变化的复杂性和在空问上的非相关性，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予以有效地削弱。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，以满足高精度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。

十多年来，国内外许多学者对多路径误差的影响都给予了很大的关注，在多路径误差影响的特点以及削弱多路径误差影响的方法和措施等方面进行了大量的试验研究工作，取得了许多有益的研究成果，而且还在高精度GPS测量定位的实践中进行应用，有效地提高了GPS测量定位成果的精度。

多路径误差简介在进行GPS测量时，由于观测站周围反射源所反射的卫星信号（称为反射信号）也能进入接收机天线，它与直接进入接收机天线的卫星信号（称为直射信号）产生干涉，从而使码观测值和载波相位观测值产生误差，即称为多路径误差。反射信号与直射信号产生干涉的现象称为多路径效应。

全球定位系统依赖的思想是一个GPS卫星信号直接从卫星到接收机。但不幸的是，在现实世界的信号也将受到周围的一切的反弹然后再到达接收机。其结果是在接收到直接的信号后，大量的经反射的信号也到达接收机，这将创建一个混乱的信号。如果反射的信号足够强大，他们会混淆GPS接收机并导致错误的测量。先进的GPS接收器使用各种信号处理技术，以确保他们只考虑最早到达的信号（这是直接的）。

多路径误差影响规律多路径误差的影响还与反射源的反射系数有关。反射系数与反射源介质材料特性有密切的关系。金属材料反射物，它会对电磁波产生全反射；对于非金属材料反射物而言，多路径误差与其介电常数有关。介电常数越大反射越大，反之越小。比如，对于水南于其介电常数大将会产生严重的反射。而对于潮湿的木板、潮湿的土和潮湿的水泥板等其介电常数增大，反射更为严重。

多路径误差的影响还与观测站天线和反射源的距离有关。一般来说多路径误差将随着观测站天线和反射源距离的增大而减小。这是由于电磁波在大气中传播时会有衰减。当天线和反射源的距离为10m时，反射信号已衰减了10%；当天线和反射源的距离超过50 m时，则无需考虑反射信号对GPS卫星信号的影响。另外，当观测站天线位于高压线的下方时，也将会产生多路径误差的影响。多路径误差的大小还与GPS卫星的方位角及高度角有关。卫星的高度角越小，多路径误差对载波相位测鼍的观测值影响越大。

同时，多路径误差还具有周日重复的特性。这是由于多路径误差的大小与观测站天线周围环境、空间GPS卫星以及反射源三者的相对位置密切相关。而GPS卫星沿着预定的轨道运行的周期是11h58min。那么对于静态GPS测量定位，如若连续观测儿天时间，而且其周围环境保持不变时，在相邻两天的约同一时间（后一天约有4min的提前）多路径误差对观测值的影响表现出极大的相关性。

根据文献研究认为，随着相隔天数的增加多路径误差的相关系数值将会逐渐下降。如第1天和第3天的相关系数值比相邻两天的相关系数值要低。不仅如此，多路径误差在相邻2历元间也具有强相关性。1

减弱多路径误差影响的方法和措施完善接收机的硬件设备进行高精度GPS测量时，可以使用性能良好、构造先进的接收机设备，这样呵以减弱多路径误差的影响。如在接收机天线的下面设置抑径板，可以屏蔽地面反射电磁波的影响，这样可以减少多路径误差的1/3左右。使用扼流罔天线，能使多路径误差的影响减少50%左右。

使用经过结构优化设计的接收机设备，如在接收机中使用窄相关技术，也可以改善和削弱多路径误差的影响。加拿大NovAtel公司研制的多路径误差消减技术MET可以使多路径误差的影响减少60%左右。该公司于1994年在MET技术基础上又开发了多路径延迟锁相环MEDLL技术，使GPS接收机硬件技术得到了重大的发展，可以使多路径误差的影响减少90%左右。

可见通过使刚性能良好、构造先进的接收机设备，可以有效地减弱多路径误差的影响。其对于远距离反射源造成的高频反射信号消减效果较好。但是使用上述方法时也有其不足之处。例如使用扼流圈天线的接收机，体积大、机身较重，外业使用不太方便，其价格也比较昂贵等。

数据处理前面已经分析说明，远距离反射源所造成的多路径误差表现为高频率变化特性，而近距离反射源所造成的多路径误差则表现为低频率变化特性。采用上面的方法对高频反射信号消减效果较好。但是中、低频多路径误差才是多路径效应误差的关键所在。所以，在GPS测量的观测值中往往还存在有多路径误差的影响。这就非常有必要在数据处理中采取一定的方法和措施来检验多路径误差并削弱多路径误差的影响。

方法一是利用小波分析的方法对高精度载波相位测量的观测值进行分解，可以很好地将多路径效应误差的影响分解出来，留存“真实”的观测值用于数据处理和进行建筑物变形数据的分析。

方法二是为了避免偶然误差的影响，首先采用Daubechies小波对数据序列进行滤波处理，然后再根据多路径误差具有周日重复的特性，对滤波处理后的数据序列进行周日求差。利用此方法对GPS动态监测数据进行处理，处理后的成果精度可以达到毫米级，尤其是垂直方向的精度改善显著。

方法三是考虑多路径误差对观测值的影响势必要体现于接收机观测值的信噪比指标上。通过对现测值信噪比的分析和比较来评价观测值的质量，在数据处理巾通过降低受多路径误差影响的观测值的权重，从而达到削弱多路径误差影响的目的。此方法对抵制多路径效应误差的影响效果明显。2

方法四的基本思想是首先利用Vondrak数字滤波器对GPS观测数据序列进行滤波去噪，去除噪声的影响并提取多路径误差的模型，再充分利用多路径误差具有周日重复的特性，对后续的GPS观测数据序列进行改正，有效地削弱多路径误差的影响，以提高GPS测量定位的精度。

方法五是利用经验模式分解（简称EMD）的滤波去噪法。EMD是一种新的信号处理技术，是基于数据信号本身的，且能在空间域中将信号进行分解，从而达到区分噪声和有用信号的目的。利用EMD滤波去噪法能最大限度地削弱测量的随机误差，并能有效地剔除瞬时强噪声，从而能够提取更精确的GPS多路径误差模型，并利用该模型对多路径误差进行改正，有效地削弱多路径误差的影响，提高PS测量定位的精度。3