杨靖宇
（安徽理工大学测绘学院，安徽省淮南市泰丰大街168号，232001）
摘要：在利用GNSS技术进行高精度变形监测时，GNSS信号产生的多路径效应是影响变形监测数据的精度和可靠性的一个不可忽视的误差源。本文介绍了多路径误差产生的机理、时空域的特性以及国内外对多路径误差的处理技术。并且从外部环境、接收机硬件和数据后处理三个方面处理技术叙述了对削弱多路径误差方法的归纳和分析。
关键词：GNSS；多路径效应；多路径误差；数据后处理
全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS），作为高精度定位技术被广泛应用在大地测量、工程测量、地球动力学、建筑物与采矿区的变形监测以及气象反演等多种领域[1-4]。GNSS技术的高精度、全天候以及经济效益显著等优点，广泛应用于采矿区的变形监测[5]。GNSS技术的不断发展，应用领域不断拓宽，使得各项工作都随着GNSS技术的发展而革新。GNSS测量中存在较多误差，如轨道误差、接收机钟差、卫星钟差、对流层延迟、电离层延迟、湿延迟、多路径误差以及噪声等。在数据处理中使用差分以及滤波等方法，能够较精确的分离出多路径误差[6-7]。但是，外部环境的改变以及卫星的运行会导致多路径误差的变化，难以建立一个固有模型来解决不同环境下的多路径误差[8]。
目前，在GNSS实时监测应用当中，由于受到多路径误差等效应影响，定位精度一般为cm级，而要实现mm级乃至亚mm级的高精度变形监测，必须限制多路径效应对变形信息的影响[9]。多路径效应会对观测信号的传播距离及路径、相位和幅度产生影响，并且降低信噪比。本文分析了多路径效应产生的机理,总结了多路经效应时空域的规律，归纳列举了近年来多路径研究中出现的各种处理方法，在此基础上结合新的数据处理方法，提出对多路径误差的建模方式。
1 多路径产生的机理
1.1多路径误差
在GNSS测量中，被测站附近的反射物所反射或衍射的干扰信号如果进入接收机天线，就将和直接来自信号产生干涉，从而使观测值偏离真值，产生所谓的多路径误差。这种干扰信号可能会来自于墙面、斜坡、水体和植被等因素的影响。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。多路径效应将严重损害GNSS测量的精度，严重时将产生信号的失锁，是GNSS测量中一个重要的误差源。从产生多路径误差的机理可以看出，多路径效应相对于接收机天线的空间关系以及周围的地物的环境有关。
1.2时空域的特性
综合国内外各学者的相关文献表明：
（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具体环境,属于系统误差,无法削弱和消除;周期性部分可以通过延长观测时间得以削弱或消除[10]。
（2）多路径误差影响码观测值和载波相位观测值多路径效应对伪距观测值的影响可达几十米,比对载波相位观测值的影响通常大两个数量级[11]。在高反射环境下,多径误差常常导致信号失锁,观测值中较多的周跳，就是由于多路径误差引起的。
（3）多路径效应的大小与卫星高度角有关,卫星高度越低,影响就越大[12]。多路径误差具有周日重复性，这是由于卫星位置、反射源与接收机天线三者的空间位置密切相关所决定的，但是多路径效应在各站之间没有相关性[13]。通过对多路径误差的频谱特性的研究，验证了近距离反射源多路径误差呈低频性，远距离多路径误差呈高频性[14]。这一特性导致了多路径误差难以建立固定确切的数学模型进行改正或消除。
2 多路径误差的处理技术
因为多路径误差具有时空域的特殊性质，它不同于其他误差可以通过差分或者建立改正模型来改正或消除多路径误差。因此，国内外学者做出了大量的研究工作来改正或消除多路径误差。本文从野外观测、接收机硬件和数据处理三个方面进行论述，并得出三种方法的优缺点。
2.1 观测的外部环境
（1）由上述多路径误差的产生机理可知，多路径误差是由反射信号造成的，因此削弱多路径误差影响的最有效途径就是在数据采集时，点位的选择应尽量避开各种反射源，免受反射信号的干扰。因此，选择合适的站址时需要考虑以下因素：①测站应离开高层建筑物、湖面、枝叶茂密的树林、高压线等能产生不利反射信号的地区，远离电磁波强辐射的GPS信号干扰源；②将接收机天线放置在地面上，使地面反射点与天线位置重合，这样可以使次级路径与原始路径具有几乎相同的延迟；③观测时，人不应走近并高于天线。注意汽车也不要停放在离测站很近的地方。
（2）适当的延长观测时间也可以消除或削弱多路径误差。然而实际作业时遇到的外部环境通常是复杂的。如果GPS测站位置早已确定，且不能改变而它又处于强反射波的地方，为减少多路径误差，在观测时可适当变化天线高度。此外，还可根据线相距的数值，采用大偏心观测，避开强反射波。选择合适的测站无疑是最简单、最有效的一种减弱多路径效应的方法。但是对于变形监测而言，监测点为变动性不大，点位的选择将无法实现，而且对于快速定位来说, 延长观测时间也是不太可能的，因此这种选择合适点位和延长观测时间的方法也有其局限性。
2.2 接收机硬件处理
2.2.1 接收机接受信号处理技术
在接收机进行信号处理阶段，通过一些处理技术上的改进可以减少多路径误差带来的影响。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前使用较多的方法有多路径消弱技术(Multipath Elimination Technology, MET)[15]、窄相关技术[16]、消弱多路径的延迟锁相环技术(Multipath Elimination Delay Lock Loop,简称MEDLL)[17]。窄相关技术与多路径消弱技术侧重于削弱DLL（delay lock loop）中的多路径误差，而多路径延迟锁相环技术会综合考虑并消除DLL与PLL中的多路径误差，因此前两者只改正伪距观测值中的多路径误差，而后者可以改正伪距及相位观测值中的多路径误差。
2.2.2 接收机天线改进
该方法是通过提升GPS接收机的制作工艺来削弱多路径误差。①采用扼流圈天线，阻断较低高度角的卫星信号和多路径信号[18]；②为了能屏蔽掉，由低于接收机天线的地面所产生的多路径信号，在接收机天线的下面安装抑径板，隔断反射物反射的低于天线的多路径信号，可使多路径误差减少近1/3 [19];③采用右旋极化天线, 削弱左旋信号的接收强度[20]；④采用组合天线, 提高组合天线主瓣增益, 降低旁瓣增益, 减弱多路径影响[21]。
2.3 数据后处理
数据后处理技术是利用固定的数学模型消除数据处理阶段的多路径误差，目前是测量工作者研究比较多的一种用来削弱多路径误差的方法。本文罗列了以下7种方法进行说明分析。
（1）基于坐标域，使用移动平均法对静态GPS测量中的多路径效应影响进行提取，得到更加稳定的坐标数据。坐标域恒星日滤波的多路径误差模型为所有可观测卫星多路径误差的综合，计算的坐标序列时间延迟会有一定误差[22]。在不同卫星下，产生的测量噪声和随机误差也是不同的，此时需要进行滤波处理。
（2）基于观测值域，利用周日重复性，建立恒星日滤波模型。多路径具有较强的周日重复性，在利用连续多天的观测数据进行解算。基于观测值域，将前一天的双差残差利用滤波降噪处理后分离出来的多路径误差，改算到第二天对应时刻的双差残差中，即为剔除多路径误差的双差观测值[23]。
（3）采用经验模态分解法。任何复杂的信号都是由互异的、简单的、非正弦函数的分量信号即本征模函数（IMF）组成。该方法能直接从信号中分解出从高频到低频若干阶的信号。戴吾蛟等人根据EMD分解白噪声而得到的IMF分量的能量密度与其平均周期的乘积为一常量这一特性，建立一种新的基于EMD滤波去噪方法，并将该方法应用于GPS多路径效应的研究中[6]。寻找多路径误差所在的模量范围，刘超等人在EMD分解得到的模态分量中，利用基于标准化模量的累计均值的尺度提取方法建立多路径误差模型，并在实验中检验了新方法的有效性[24]。
（4）振动测量。2001年黄丁发、丁晓利等人利用振动信号与多路径误差进行分离，得到了较好的效果[14]。戴吾蛟等人利用模拟振动台进行振动测量实验，使GPS的振动测量精度提高30 %左右[13]。
（5）SNR法。通过降低受多路径效应影响的观测值的权重, 来分析和削弱多路径误差, 并验证了此法的有效性和可靠性[25]。
（6）采用小波变换。2001年，夏林元提出了一种基于小波分析的多路径误差消除方法，将差分观测得到的双差观测值作为输入信号，采用Daubechies小波对其进行5层分解，然后通过小波系数重构多路径误差，该方法能消除符合一定小波特征的多路径误差，相关的实验验证了该理论方法的可靠性[26]。
（7）反射信号计算法。它是一种通过分析反射面与卫星的两者之间的几何关系进行建模的方法。基于反射环境的不变性，可以建立信号反射预测模型，降低多路径误差影响。该方法分为两种策略：观测值域改正[23]与坐标域改正[27]。
以上数据后处理技术都较为成熟，但依然无法建立实时高精度的多路径误差模型。由于多路径误差呈现非线性且较为复杂，然而深度学习具备处理非线性数据的能力，很适合用来学习难以人为建模的多路径误差。笔者认为将深度学习运用到多路径误差削弱中，将是进一步研究的重点。
结论
后处理方法是测量工作者研究比较多的一种用来削弱多路径误差的方法，各种分析和研究表明提高数据后处理技术仍然是解决高精度定位多路径效应的最有效方法，掌握这些方法对实际工作具有重要的意义。基于深度学习方法削弱多路径误差，模型简易，尽管面对非结构性的多路径误差，依然能学习并得出多路径误差。
由于多路径误差有其复杂的特性和产生形式，同时多路径误差消除的程度直接与精密定位精度密切相关，使得一些更有效地削弱多路径误差的方法和技术需要进一步的研究和探讨。
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论文作者:杨靖宇
论文发表刊物:《科技新时代》2019年2期
论文发表时间:2019/4/10
标签：多路论文; 误差论文; 效应论文; 信号论文; 方法论文; 接收机论文; 反射论文; 《科技新时代》2019年2期论文;