多路徑對精密單點(diǎn)定位的影響研究

摘" 要：精密單點(diǎn)定位中的鐘差、電離層延遲、對流層延遲等誤差可以得到精確修正，但是多路徑難以進(jìn)行有效的改正。不同材質(zhì)的強(qiáng)多路徑環(huán)境與弱多路徑條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多路徑對長時(shí)間觀測的定位精度影響不大，但是對短時(shí)間內(nèi)的收斂時(shí)間有較大的影響。然后分析多路徑的周日重復(fù)特性，并采取設(shè)置一定的截止高度角、濾波等方式削弱多路徑的影響。

關(guān)鍵詞：GNSS；多路徑；精密單點(diǎn)定位；濾波；載波

中圖分類號(hào)：P228" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）11-0015-04

Abstract： The errors such as clock error， ionospheric delay and tropospheric delay in precise point positioning （PPP） can be accurately corrected， but multipath is difficult to correct effectively. The experimental results of strong multipath environment and weak multipath environment of different materials show that multipath has little effect on the positioning accuracy of long-time observation， but has a great influence on the convergence time in a short time. Then， the Sunday repetition characteristic of multi-path is analyzed， and the influence of multi-path is weakened by setting a certain cutover height angle， filtering and so on.

Keywords： GNSS; multipath; Precise Point Positioning （PPP）; filtering; carrier

精密單點(diǎn)定位（PPP）不用像RTK差分定位設(shè)置基準(zhǔn)站，僅用單臺(tái)接收機(jī)便可利用精密星歷、鐘差等精密產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)甚至亞厘米級(jí)定位，操作靈活方便，可以有效解決無法設(shè)立基準(zhǔn)站或無法接收差分信息的問題，目前已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。但是在PPP中，一般將多路徑誤差當(dāng)作隨機(jī)誤差忽略，但實(shí)際上多路徑并不是隨機(jī)誤差，由于多路徑誤差與環(huán)境變化的復(fù)雜性和在空間上的非相關(guān)性，很難通過參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。為了提高PPP定位的精度，截止高度角法、恒星日濾波法、卡爾曼濾波等方法被提出[1-5]，本文在分析不同環(huán)境多路徑影響的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證其對解算精度與收斂速度的關(guān)系，并分析不同多路徑誤差改正方法的實(shí)際效果。

1" 不同環(huán)境多路徑的影響分析

基于偽距和載波相位觀測值，利用線性組合（MP），消除衛(wèi)星及接收機(jī)幾何結(jié)構(gòu)影響和大氣影響后求得偽距多路徑如下

MPk=Pk-Li-β（Li-Lj）Li=Pk+αLi+βLj ， （1）

式中：i、j、k為頻段數(shù)；P為偽距觀測值；L為載波觀測值；f為頻率。（k，i，j）可以取（1，1，2）或（2，2，1）或（5，1，2）。

采用南方接收機(jī)在弱多路徑、鐵皮、玻璃、濕木和紙板5種多路徑環(huán)境下采集數(shù)據(jù)，采用式（1）和式（2）對觀測值進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：弱多路徑和紙板的多路徑數(shù)值較小，鐵皮、濕木的多路徑效應(yīng)較強(qiáng)。

2" 多路徑對PPP解算的影響

2.1" 多路徑對解算精度的影響

利用南方接收機(jī)采集不同環(huán)境下時(shí)長為24 h、采樣率位1 s的數(shù)據(jù)，用RTKLIB軟件進(jìn)行PPP解算，設(shè)置高度截止角為15°。解算結(jié)果（圖1）表明：除了反射系數(shù)較大的鐵皮及濕木外，其他3種環(huán)境均可以在一天的時(shí)間內(nèi)在E、N、U 3個(gè)方向收斂到10 cm以內(nèi)，說明在多路徑較小時(shí)，可以把多路徑當(dāng)作隨機(jī)誤差，可以通過長時(shí)間的觀測而得到削弱。

2.2" 多路徑對PPP收斂速度的影響

多路徑誤差不顯著時(shí)，多路徑對PPP長時(shí)間解算精度的影響很微小，主要是因?yàn)镻PP解算主要是用載波數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，而多路徑效應(yīng)對載波的影響大多會(huì)被模糊度稀釋，殘余影響較小。但在PPP解算初期，由于多種誤差未能有效固定，多路徑對PPP收斂速度的影響較大。為了分析多路徑對PPP解算的影響，利用前15 min解算結(jié)果分析多路徑對PPP收斂速度的影響，結(jié)果表明：在多路徑效應(yīng)較弱的環(huán)境中，PPP可以在10 min以內(nèi)較快收斂至2 cm，而多路徑效應(yīng)較強(qiáng)的環(huán)境下PPP收斂速度較慢（圖2）。

3" 多路徑誤差改正方法

多路徑效應(yīng)越顯著，收斂速度越慢，需要采取相應(yīng)的方法將多路徑誤差消除或削弱，達(dá)到提高PPP精度和收斂速度的目的。

3.1" 截止高度角法

衛(wèi)星高度角越大，其信號(hào)受影響的可能性越小[1]。通過設(shè)置不同的截止高度角可以排除觀測質(zhì)量不好的衛(wèi)星，針對多路徑誤差最大的鐵皮環(huán)境，分別利用0°、15°、40°截止高度角進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。結(jié)果（圖3）表明：通過較大的截止高度角可以降低多路徑的影響，但當(dāng)截止高度角過大時(shí)，可接收的衛(wèi)星信號(hào)較少，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變差，反而影響收斂速度。

3.2" 恒星日濾波法

GNSS衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)具有周日重復(fù)性，與其幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)的多路徑效應(yīng)也會(huì)有周期性重復(fù)，恒星日濾波法根據(jù)衛(wèi)星軌道重復(fù)性來削弱多路徑效應(yīng)[2]。本文采用了基于坐標(biāo)域的恒星日濾波方法，先獲取某一天（如第N天）監(jiān)測結(jié)果的坐標(biāo)殘差序列，采用低通濾波去除高頻噪聲，從而獲得坐標(biāo)域內(nèi)的多路徑信號(hào)，將第N天之后的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理，獲取每一天的坐標(biāo)殘差序列，將第N天獲取的多路徑信號(hào)偏移相應(yīng)的時(shí)間，并將其改正到第N天以后的坐標(biāo)序列中，達(dá)到削弱多路徑效應(yīng)的目的。

3.2.1" 基于觀測值的濾波

采用多路徑效應(yīng)嚴(yán)重的鐵皮環(huán)境下觀測數(shù)據(jù)，年紀(jì)日分別為88、89、90，采樣率為1 s，截取前15 min的觀測數(shù)據(jù)，采用FIR低通濾波去除噪聲，PPP解算結(jié)果如圖4所示。虛線為原始解算結(jié)果，實(shí)線為利用觀測值濾波的多路徑改正后的結(jié)果，在E、U方向有較大的改善。

3.2.2" 基于坐標(biāo)域的濾波

基于坐標(biāo)域的濾波需要先獲取某一天（如第N天）監(jiān)測結(jié)果的坐標(biāo)殘差序列，采用低通濾波去除高頻噪聲，從而獲得坐標(biāo)域內(nèi)的多路徑信號(hào)，將第N天之后的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[3]。利用年紀(jì)日為90的解算結(jié)果的坐標(biāo)殘差進(jìn)行濾波，并運(yùn)用到第90天中，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。虛線為原始解算結(jié)果，實(shí)線為濾波后的結(jié)果，利用濾波可以加快收斂，但是也有改正過度的情況。這是由于PPP主要利用載波進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，而多路徑對載波的影響會(huì)被模糊度稀釋，所以影響很小，隨著解算的進(jìn)行，模糊度逐漸被固定，多路徑對PPP解算的影響會(huì)越來越小，所以設(shè)定一個(gè)定權(quán)函數(shù)，定權(quán)模型為

利用式（3）再次改正解算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，收斂速度進(jìn)一步提高。

4" 結(jié)論

PPP主要是利用載波進(jìn)行定位，而多路徑對載波的影響被模糊度稀釋，影響很小。但在收斂前期，抑制多路徑可以加快收斂速度，合理設(shè)置截止高度角可以有效地削弱多路徑的影響，從而加快收斂速度。在坐標(biāo)域?yàn)V波中，濾波去除了高頻隨機(jī)噪聲，并不能完全消除多路徑對解算結(jié)果的影響，濾波結(jié)果中混雜了未固定時(shí)的解算坐標(biāo)殘差，而這部分不是由于多路徑引起的，因此，基于坐標(biāo)域?yàn)V波比基于觀測值濾波效果更佳。

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