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GPS动态监测多路径效应分析
摘要:GPS给导航定位及大地测量等学科带来了一场革命性的变革。它具有速度快、全天候、自动化程度高、测站间无需通视、可同时测定点的三维位移等优点,因而广泛应用于各种形式(如大坝、桥梁或工程结构等)的动法来确定小波分解层数,并根据这一方法进行GPS多路径效应的分析。
2 GPS多路径效应的信号特征
GPS多路径误差产生的原理
GPS信号接收机所测得的是测站与卫星之间的伪距和相位,应该是GPS信号接收天线相位中心至GPS卫星发射天线相位中心的距离。显而易见,所接收的GPS信号,理论上应该是从GPS卫星发射天线相位中心直接到达GPS信号接收天线相位中心,称之为直接波。实际上,当GPS信号由于受到附近的物体,如地面或者水面、建筑物、车辆、山脉、树林等而发生反射时,出现了反射波。其实,GPS信号接收机所接收的信号应该是反射波与直射波的合成波(见图2-1)。 所谓“多路径误差”,就是反射波对直射波的破坏性干涉而引起的测站一卫星距离误差,导致GPS信号的能量发生衰减和相位发生延迟。这种误差的大小主要取决于反射波的强度和用户接收机天线抗御反射波的能力。

图2-1多路径效应示意图
多路径效应的类型
GPS信号是一种电磁波,根据电磁波反射理论和国内外学者的总结,可把由反射体所引起的多路径效应分为两类:
1)反射多路径效应,或称为镜面多路径。在这种情况下,存在一个起决定作用的反射面,其对信号的干扰可以模拟成一个或几个伪随机调制的延迟信号之和。
2)散射多路径效应,这时不存在任何起决定作用的反射面,是很多延迟信号之和,可以将此类多路径模拟成包络瑞利分布的噪声通道。
GPS多路径效应的特性
多路径效应是GPS测量中普遍存在的一种物理现象,它有其自身的特性。经国内外学者的研究和实验表明,多路径效应有如下特点:
(1)多路径效应为一时空环境效应
多路径效应的产生可以理解为一时空环境效应,它与卫星相对于地物的空间位置及地物反射特性均有密切的关系。地物所造成的多路径效应影响与地物对GPS信号的反射能力有关。反射能力常以地物的反射系数表示,此时地物为GPS信号传播的一种介质。对于不同的信号频率、不同的地物来说,其反射系数都是不一样的。
(2)多路径效应的影响与接收机的抑制能力有关
由于不同工作原理工作的GPS接收机跟踪和锁定GPS卫星信号的过程有所不同,从而导致接收机输出的观测量受到的多路径效应的影响也不一样。因此,除观测环境外,GPS接收机内部工作机理与多路径效应的产生是密不可分的。另外,GPS接收天线也是接收系统中的重要单元,其性能直接影响到对多路径效应的抑制能力;而且,接收机中采用延迟估计锁定环(MEDLL) ,窄相关(Narrowcorrelation)技术等技术只能改善或削减远距离反射多路径,而改善或削弱其近距离反射多路径误差的影响目前还有待进一步研究。 (3)多路径效应具有重复性
由多路径第一特点可以理解到,在静态情况下,卫星空间结构相对于观测点是依卫星的运行周期而重复的,其运行周期为11小时58分,在连续几天的监测过程中如果保持周围产生多路径的环境不发生变化,在同一