多路徑誤差

高精度GPS測量定位技術以其高精度、高效率、低成本、實時定位和操作簡便等優點被廣泛地應用於土地利用規劃和各項工程建設等眾多領域。隨着GPS測量定位技術的廣泛應用，其定位方法和數據處理理論也在不斷髮展和完善。由於在高精度

GPS測量定位技術中充分利用了一些誤差在空間的強相關性，採用改正模型和差分定位等技術手段，絕大多數誤差得到了很好的消除或削弱，其剩餘殘差已對高精度GPS測量定位成果的精度威脅不大。但是，多路徑誤差隨着觀測站周圍環境（包括高層建築物、山坡、樹和水等）的變化，有時會對高精度GPS測量定位成果精度造成很大甚至極壞的影響。眾所周知，多路徑誤差隨着觀測站周圍環境變化的複雜性和在空問上的非相關性，無法利用嚴密的數學模型予以改正，亦不可能利用差分定位技術手段予以有效地削弱。利用GPS技術在小範圍（通常距離為幾公里）內進行高精度測量定位，多路徑誤差已經成為影響測量成果精度的主要誤差源。所以，為了提高GPS測量定位成果精度，以滿足高精度工程建設和變形監測等任務的需要，有必要對多路徑誤差的特性及其影響的規律進行深入研究。

十多年來，國內外許多學者對多路徑誤差的影響都給予了很大的關注，在多路徑誤差影響的特點以及削弱多路徑誤差影響的方法和措施等方面進行了大量的試驗研究工作，取得了許多有益的研究成果，而且還在高精度GPS測量定位的實踐中進行應用，有效地提高了GPS測量定位成果的精度。

在進行GPS測量時，由於觀測站周圍反射源所反射的衞星信號（稱為反射信號）也能進入接收機天線，它與直接進入接收機天線的衞星信號（稱為直射信號）產生干涉，從而使碼觀測值和載波相位觀測值產生誤差，即稱為多路徑誤差。反射信號與直射信號產生干涉的現象稱為多路徑效應。

全球定位系統依賴的思想是一個GPS衞星信號直接從衞星到接收機。但不幸的是，在現實世界的信號也將受到周圍的一切的反彈然後再到達接收機。其結果是在接收到直接的信號後，大量的經反射的信號也到達接收機，這將創建一個混亂的信號。如果反射的信號足夠強大，他們會混淆GPS接收機並導致錯誤的測量。先進的GPS接收器使用各種信號處理技術，以確保他們只考慮最早到達的信號（這是直接的）。

多路徑誤差的影響還與反射源的反射係數有關。反射係數與反射源介質材料特性有密切的關係。金屬材料反射物，它會對電磁波產生全反射；對於非金屬材料反射物而言，多路徑誤差與其介電常數有關。介電常數越大反射越大，反之越小。比如，對於水南於其介電常數大將會產生嚴重的反射。而對於潮濕的木板、潮濕的土和潮濕的水泥板等其介電常數增大，反射更為嚴重。

多路徑誤差的影響還與觀測站天線和反射源的距離有關。一般來説多路徑誤差將隨着觀測站天線和反射源距離的增大而減小。這是由於電磁波在大氣中傳播時會有衰減。當天線和反射源的距離為10m時，反射信號已衰減了10%；當天線和反射源的距離超過50 m時，則無需考慮反射信號對GPS衞星信號的影響。另外，當觀測站天線位於高壓線的下方時，也將會產生多路徑誤差的影響。多路徑誤差的大小還與GPS衞星的方位角及高度角有關。衞星的高度角越小，多路徑誤差對載波相位測鼉的觀測值影響越大。

同時，多路徑誤差還具有周日重複的特性。這是由於多路徑誤差的大小與觀測站天線周圍環境、空間GPS衞星以及反射源三者的相對位置密切相關。而GPS衞星沿着預定的軌道運行的週期是11h58min。那麼對於靜態GPS測量定位，如若連續觀測兒天時間，而且其周圍環境保持不變時，在相鄰兩天的約同一時間（後一天約有4min的提前）多路徑誤差對觀測值的影響表現出極大的相關性。

根據文獻研究認為，隨着相隔天數的增加多路徑誤差的相關係數值將會逐漸下降。如第1天和第3天的相關係數值比相鄰兩天的相關係數值要低。不僅如此，多路徑誤差在相鄰2曆元間也具有強相關性。 ^[1] 

進行高精度GPS測量時，可以使用性能良好、構造先進的接收機設備，這樣呵以減弱多路徑誤差的影響。如在接收機天線的下面設置抑徑板，可以屏蔽地面反射電磁波的影響，這樣可以減少多路徑誤差的1/3左右。使用扼流罔天線，能使多路徑誤差的影響減少50%左右。

使用經過結構優化設計的接收機設備，如在接收機中使用窄相關技術，也可以改善和削弱多路徑誤差的影響。加拿大NovAtel公司研製的多路徑誤差消減技術MET可以使多路徑誤差的影響減少60%左右。該公司於1994年在MET技術基礎上又開發了多路徑延遲鎖相環MEDLL技術，使GPS接收機硬件技術得到了重大的發展，可以使多路徑誤差的影響減少90%左右。

可見通過使剛性能良好、構造先進的接收機設備，可以有效地減弱多路徑誤差的影響。其對於遠距離反射源造成的高頻反射信號消減效果較好。但是使用上述方法時也有其不足之處。例如使用扼流圈天線的接收機，體積大、機身較重，外業使用不太方便，其價格也比較昂貴等。

前面已經分析説明，遠距離反射源所造成的多路徑誤差表現為高頻率變化特性，而近距離反射源所造成的多路徑誤差則表現為低頻率變化特性。採用上面的方法對高頻反射信號消減效果較好。但是中、低頻多路徑誤差才是多路徑效應誤差的關鍵所在。所以，在GPS測量的觀測值中往往還存在有多路徑誤差的影響。這就非常有必要在數據處理中採取一定的方法和措施來檢驗多路徑誤差並削弱多路徑誤差的影響。

方法一是利用小波分析的方法對高精度載波相位測量的觀測值進行分解，可以很好地將多路徑效應誤差的影響分解出來，留存“真實”的觀測值用於數據處理和進行建築物變形數據的分析。

方法二是為了避免偶然誤差的影響，首先採用Daubechies小波對數據序列進行濾波處理，然後再根據多路徑誤差具有周日重複的特性，對濾波處理後的數據序列進行週日求差。利用此方法對GPS動態監測數據進行處理，處理後的成果精度可以達到毫米級，尤其是垂直方向的精度改善顯著。

方法三是考慮多路徑誤差對觀測值的影響勢必要體現於接收機觀測值的信噪比指標上。通過對現測值信噪比的分析和比較來評價觀測值的質量，在數據處理巾通過降低受多路徑誤差影響的觀測值的權重，從而達到削弱多路徑誤差影響的目的。此方法對抵制多路徑效應誤差的影響效果明顯。 ^[2] 

方法四的基本思想是首先利用Vondrak數字濾波器對GPS觀測數據序列進行濾波去噪，去除噪聲的影響並提取多路徑誤差的模型，再充分利用多路徑誤差具有周日重複的特性，對後續的GPS觀測數據序列進行改正，有效地削弱多路徑誤差的影響，以提高GPS測量定位的精度。

方法五是利用經驗模式分解（簡稱EMD）的濾波去噪法。EMD是一種新的信號處理技術，是基於數據信號本身的，且能在空間域中將信號進行分解，從而達到區分噪聲和有用信號的目的。利用EMD濾波去噪法能最大限度地削弱測量的隨機誤差，並能有效地剔除瞬時強噪聲，從而能夠提取更精確的GPS多路徑誤差模型，並利用該模型對多路徑誤差進行改正，有效地削弱多路徑誤差的影響，提高PS測量定位的精度。 ^[3]