多径效应对GPS定位精度的影响及应对分析

摘 要：多径效应是影响GPS定位精度的主要环境因素之一，会对GPS接收机定位结果造成影响。本文针对多径效应的产生和特点，分析了多径效应对GPS定位精度的影响，提出了几种可行的解决方法来减少其影响，提高定位精度。

关键词：误差；多径干扰；GPS定位精度

中图分类号：P228.4

GPS具有定位精度高，环境适应性强等诸多优点，在军用和民用等领域均得到广泛应用。其基本定位原理是：通过接收至少4颗以上GPS卫星的伪距、伪距变化率和载波相位，计算相应的伪距和伪距变化，同时接收卫星的位置、时间与状态等电文信息，计算出当前GPS接收机自身的位置和速度，实现定位。在GPS接收信息测量过程中，存在着各种对精度有影响的因素，为了提高定位精度需要对各种误差因素进行分析。

目前普遍采用基于两个或多个GPS接收机的差分定位，但采用差分定位只能对公共误差部分进行消除，无法解决多径效应对定位精度的影响，所以解决径效应问题是提高GPS定位精度的重要途径。

1 GPS定位精度影响因素及影响程度

根据GPS定位原理，影响定位精度的主要因素来源于信号传播过程、相应的时间定位精度和接收机误差，因此对定位误差的贡献因子主要包括SA误差、大气层干扰、对流层延迟改正后残差、星历误差及多路径效应误差。概括起来定位的主要误差来源可分为3类，即卫星误差、信号传播误差和接收误差。

（1）卫星误差主要包括星历误差和星钟授时误差；

（2）信号传播误差主要包括电离层和对流层时延改正误差、多径效应误差、相对论效应误差和地球自转效应误差；

（3）接收误差与GPS接收机有关，主要包括观测噪声误差、内时延误差和无线相位中心误差。

GPS卫星定位误差量级由表1所示：

在上述误差因素中，GPS卫星的星历误差、卫星钟误差、GPS接收机钟差以及大气折射造成的误差等都有一定的规律可循，可采取一定的措施将误差影响降至最低。如利用差分GPS技术可将卫星钟误差和星历误差消除，并将电离层延迟和对流层延迟误差部分消除，但无法消除或减弱多径效应误差对定位精度的影响。由表1可知，多径效应误差对GPS定位精度影响较大，而且多径效应误差在不同站点，对应不同的反射体有不同的多径传播表现，很难用模型来修正，有时甚至会引起定位失锁，因此其成为GPS定位误差的重要贡献因子。

2 多径效应的产生及特征

多径效应是由于卫星发射的信号通过多个路径到达卫星接收天线，从而在天线面上产生多个不同相位和幅度的信号叠加而造成的现象。由于接收天线周围的各种反射体（主要指粗糙度小于20的平面反射体）均能反射GPS信号，除直达波信号外，还有经由周围物体一次或多次反射到达的信号，GPS接收机天线面接收的信号是直达波和反射波产生干涉后的合成信号。由于直达波与反射波的路径及长度不同，导致信号相位与幅度均不同，使最终的合成信号波形产生扭曲，从而产生多径效应误差。

在实际应用中，根据多径效应的作用模式可将其分为两种，分别对GPS接收信号的影响有很大不同。一种是在接收机周围反射物粗糙不平时，反射信号表现为漫反射形态，从而到达接收机天线面的信号为很微弱的反射信号，这些漫反射信号相位的相关性较小，其在接收机通道表现为包络服从瑞利分布的噪声，对接收机跟踪测量的影响很小；而当接收机周围存在类似于镜面反射的发射物时，通过这种反射的信号一旦进入卫星接收机，其信号强度大，相位一致性好，与直射波叠加后使信号的相位与幅度变形比较大，从而引起较大的多径效应误差。

多径效应示意如图1所示：

根据多径效应产生的原理，其一般具有如下特征：

（1）到达接收机的反射波比直达波传播路径长，因此反射的多径信号总是在直达波信号之后到达接收机天线；

（2）多径效应误差中通常包括常数误差和周期误差。常数误差每天重复出现且无法消除，而周期误差可通过长时间观测处理进行削弱；

（3）多径误差的比例为直接信号能量和反射信号能量之比，在动态测量中，多径误差具有极大的偶然性、不确定性；

（4）GPS接收机无论是采用码观测或是载波相位观测方法，定位精度都会受多径效应的影响，尤其是在卫星数目较少时多径效应误差容易直接导致接收机相位失锁，从而无法进行定位；

（5）多径信号存在一定的衰减，因此多径信号的强度通常比直射信号弱。

3 多径干扰对外测定位的影响

在某特殊应用的外测定位中，GPS接收机工作在容易产生高镜面反射的海平面附近，且使用海拔高度较低，并且根据实际使用要求限制，接收机的接收天线在低仰角下和背瓣对多路径信号抑制度较差，从而使GPS接收机受多径效应信号影响的风险大大提高。

C/A码是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。在某特殊应用的外测定位中GPS接收机采用L1-C/A码信号，通过伪随机码测距进行时间、位置和速度测量。L1-C/A码码速率为1.023MHz，码长1023chip（码片），每个chip的码片周期Tc为0.98us，对应的空间距离为293m[2]。多径效应中的反射信号与接收码波形相同，不同时延（从而相位不同）、不同强度的多径效应信号与真实的直达波卫星信号叠加后，将对这种伪距测量带来不同的影响。

多径效应误差包络曲线用来描述给定多径效应信号幅度和延迟所能引起的最大测距误差。根据多径效应误差包络曲线可知，如果忽略旁瓣因素，相对于真实直达波信号时延在1.5chip（相当于距离439.5m）以下的多径效应信号会对伪距测量造成较大影响，引起的最大伪距测量误差为293m。因此即使有多径信号参与定位，只要伪距测量误差在293m内接收机也不会自动剔除该卫星，所以多径效应信号直接对接收机定位精度造成影响，在高反射环境下甚至会使卫星信号失锁。

4 解决措施

4.1 通过环境选择改善多径干扰

（1）选择可视卫星多，接收条件较好的时机

选择可用卫星较多和卫星布局较好的时机，可以大大提高GPS接收机定位的概率与定位稳定度。根据原理，GPS定位基本条件为4颗以上（含4颗）可用卫星，在可用卫星数量大于6颗以上的条件下，接收机根据参与定位的卫星信号状态剔除一颗可能存在多径效应信号的卫星，一般为低仰角卫星。多径效应信号直接导致接收机信噪比降低，当可用卫星数较少时，接收机信噪比降低导致接收机捕获的卫星数减少，此时GPS接收机工作状态为先确保定位所需要的卫星数，即使有多径卫星信号存在，只要伪距测量误差在293m内就不会自动剔除，从而接收机定位超差的概率提高。所以选择星历较好的时机，保证可用卫星数量较多、且卫星可视仰角较高，从而提高接收机定位稳定性和定位精度。

（2）改善测量使用环境

在使用GPS接收机进行定位时选择低多径效应的地点放置接收天线，应尽量避开平静的水面、有反射能力的房屋及微波发射塔等建筑物，以减少多径效应对其的影响。但在动态测量中对环境选择受到很大的限制。

4.2 通过硬件设计改善多径干扰

（1）采用抗多路径能力较强的接收天线

可以使用抗多路径天线，这种天线适用于地面或海面反射的多径效应环境。当GPS天线离地面或海平面有一定高度时，基于直射信号与多径效应信号到达角不一样，GPS直射波信号主要从天线主辫进入，而多径效应信号主要自天线旁辫进入。提高天线的主副辫增益比从而提高接收机的信噪比达到抑制多径效应目的。

目前在某特殊应用的外测定位中常使用的有微带天线和径向扼流圈天线。这两种天线均可以有效抑制GPS的多径效应，且满足天线通道要求，可使多径效应误差减小一半左右，运动载体上的GPS接收天线常采用微带天线，而径向扼流圈抗多径天线多安装在GPS基准站，可以提高差分定位精度。

（2）将天线设置为右旋接收[3]

GPS卫星发射的信号是右旋极化的，因此直达波信号为右旋极化不变，而多径效应信号经过反射后通常变为左旋和右旋极化的混合信号，所以如果采用右旋极化天线则可以抑制多径反射中的左旋分量，从而提高接收机信噪比，提高定位精度。

（3）改进GPS接收机硬件电路

多径效应会降低接收机的定位精度，并使处理时间加长，从接收机硬件电路入手，在电路设计中采取一定措施减小多径效应的影响。目前常采用的是Novatel公司研究的MET及后续的MEDLL技术，其主要是根据经验估计出多径信号幅度，大小和相位，对失真的相关函数曲线进行弥补修正，得到直达波信号的相关函数，从而达到减小多径信号引起的载波和码相位测量误差，这种方法大概能将多径效应减少90%。

4.3 通过软件算法改善多径干扰

（1）选择参与定位卫星[4]

分析GPS定位算法可以总结出，无论是选择所有可观测到的卫星参与定位或是利用几何精度因子（GDOP）最小方法选择最佳的4颗卫星参与定位，选择的计算依据都是普通最小二乘法，这种方法适合于对观测量误差特性未知或是误差均服从相同分布的情况。但实际应用中，电离层、对流层、多径效应误差等都与卫星视线的几何形态有关。只要在定位观测量中包含有多径效应误差的干扰，GPS定位误差必然加大。所以依据定位误差方差最小的原则利用GDOP值选择参与定位的卫星，而尽量不用多径误差较大的观测量，可以明显减小多径效应对GPS定位精度的影响。

（2）增大GPS选星仰角门限

低仰角下多径信号往往较强，适当提高仰角门限可以屏蔽掉低仰角信号，从而减少多径效应的影响。通常GPS选星采用大于5°的仰角门限，在可用卫星足够的情况下如果使用大于15°的仰角门限，可使因多径效应产生的定位误差减小一半，而相应的GDOP值变化不大。

（3）利用定位数据平滑滤波减小GPS动态定位误差

在GPS动态定位中，接收机以一定速度运动，多径分量的反射点、多径信号与直射信号的相位差及幅度差随着接收机的运动不断变化，尤其是相位差变化较大，使多径效应误差的均值和方差出现振荡，此种状况下可对运动接收机的定位数据进行平滑滤波，达到减小多径误差，改善多径效应带来的影响。但如果静态定位，用定位数据平滑滤波方法效果就不明显。

（4）利用时空处理方法

实际应用中多径效应具有随机性，随时间和空间在不断变化，用单一的方法，如单一抗多径天线难以达到理想效果。结合空域和时域两个方面，可以使用距离较近的多台GPS接收机进行定位，它们受到的多径效应在时间和空间上是基本相干的，因此可以使用时空处理法对多径参数进行校正，达到降低多径效应的影响。

5 结束语

GPS定位是目前应用最广泛的定位手段，随着应用领域不断拓宽，对它的定位精度要求越来越高，而多径效应由于它的特殊性一直制约着定位精度的提高。随着人们研究的深入，提出了更多的解决办法，努力将它对定位精度的影响降至更低。

参考文献：

[1]熊志昂，李红瑞，赖顺香.GPS技术与工程应用[M].国防工业出版社，2005.

[2]李铁，孙贵新，李钢.GPS卫星信号的接收与多径误差[J].科技论坛，2005，20.

[3]张守信.GPS卫星测量定位理论与应用[M].国防大学出版社，1996.

作者简介：朱丽梅，女，辽宁锦州，研究方向：遥测遥控，讲师。

作者单位：辽宁葫芦岛92515部队，辽宁葫芦岛 125000