GPS定位技術在復雜地形環境中的誤差分析與精度提升策略

摘"要：全球定位系統（GPS）是目前應用最為廣泛，影響最為深遠的空間技術之一，但其在復雜地形條件下容易造成傳播信號衰減從而使數據采集結果出現誤差，因此對其在復雜地形環境中的誤差分析與精度提升問題變得尤為重要。基于此，本文分析了復雜地形對GPS信號傳輸的影響機制，并對這些主要誤差源進行了詳細分析，量化了不同復雜地形條件下的誤差，提出了多種精度提升策略。并且通過對城市峽谷區域的案例研究，驗證了所提策略在實際應用中的效果，證實了這些方法能顯著提高GPS定位精度。研究結果表明，通過采取適當的誤差分析和精度提升措施，可以有效提高復雜地形環境下的GPS定位性能，為相關領域提供可靠的導航和定位服務。

關鍵詞：GPS定位技術；復雜地形；誤差分析；精度提升

1"概述

全球定位系統（Global"Positioning"System，GPS）是一種具有高精度的導航和定位工具，在不同的領域都有著至關重要的作用。然而，在城市峽谷、森林、山區等復雜地形環境中，GPS信號容易受到遮擋和干擾，導致其定位精度下降。為了確保GPS在各種環境下都能提供可靠精確的定位服務，本文對GPS定位將會面臨的復雜地形情況進行分析并給出了對應的解決策略。

2"GPS定位技術在復雜地形環境中的誤差分析

2.1"復雜地形對GPS信號傳輸的影響機制

GPS作為現代導航與定位技術的基石，其準確性和可靠性在很大程度上依賴于衛星信號的穩定接收。然而，在復雜地形環境中，GPS信號的傳輸往往會受到多種因素的干擾與影響，導致定位精度下降甚至信號丟失［1］。復雜地形對GPS信號傳輸的影響機制主要表現為多路徑效應、信號衰減、電磁干擾以及大氣層影響等四個方面。

2.2"主要誤差源分析

2.2.1"多路徑效應

多路徑效應是GPS信號在不同的復雜地形中傳播時面臨的主要問題之一。當GPS信號從衛星直接傳向接收器時，若信號路徑上存在建筑物、山丘、樹木等障礙物，信號可能會被反射或散射，形成多條路徑到達接收器。這些不同路徑的信號相互疊加，會產生相位差和時延，導致接收器接收到的是這些信號的混合體，從而導致定位誤差。

2.2.2"信號衰減

信號衰減是指GPS信號在傳播過程中，由于路徑上的障礙物吸收、散射以及衍射等物理過程導致的信號強度減弱。復雜地形中的高大建筑物、茂密植被、土壤濕度等因素都會加劇信號衰減。特別是在山區、森林或城市密集區，GPS信號需要穿透更多的障礙物才能到達地面接收器，GPS的信號衰減情況會更加嚴重，從而導致接收到信號強度較弱，進而影響到定位速度以及準確性。

2.2.3"電磁干擾

復雜地形中可能存在的各種電子設備，如無線電基站、高壓輸電線路、雷達系統等，都會產生電磁輻射并對GPS信號造成一定的干擾。這些干擾信號與GPS信號在頻率上可能相近，造成接收機無法準確區分和濾除，從而影響GPS信號的接收質量和定位精度。

2.2.4"大氣層影響

大氣層中存在的電離層和對流層會對GPS信號造成不同程度的干擾和影響［2］。其中，電離層中含有的大量自由電子和離子會改變電磁波的傳播速度以及傳播方向等，從而引起GPS的信號被延遲或者出現折射，從而造成其定位精準度降低；而大氣層中的對流層則富含水汽，其氣壓和溫度也處于時刻變化之中，這種變化會使得GPS的信號傳播路徑出現一定程度的延遲或者彎曲現象，并且這種情況更易出現在低緯度地區或氣候較為多變的地區。

2.3"不同復雜地形條件下的誤差量化研究

在城市環境中，多路徑效應尤為顯著，可能導致定位誤差達到數米甚至數十米，通過選擇科學合理的安裝地址、采用具有抗多路徑效應的天線以及接收設備來有效減輕多路徑效應的影響；GPS信號衰減的程度可以通過信號衰減模型對其進行量化，例如，在森林環境中，由于樹木對信號的吸收和散射作用，GPS信號的衰減可能達到數十DB，導致定位精度顯著下降，通過提高接收機的靈敏度、采用高增益天線等措施，可以在一定程度上減輕信號衰減的影響；電磁干擾的強度可以通過電磁環境測試進行量化。在電磁干擾嚴重的區域，GPS信號的信噪比可能顯著降低，導致定位誤差增大，通過合理規劃電子設備的布局、采用抗干擾力強的接收機等措施，可以有效減輕電磁干擾的影響；在太陽活動高峰期，電離層延遲可能達到數十米甚至數百米，電離層延遲可以通過雙頻觀測、電離層模型改正等方法進行量化并修正。而對流層延遲的影響通常在幾米到十幾米之間，可以通過對流層模型改正、引入附加待估參數等方法進行量化并修正。

3"GPS定位精度提升策略

3.1"多路徑效應的減弱方法

3.1.1"優化接收機天線安裝環境

在進行GPS接收機天線安裝時，應盡量選擇避開強反射面，以減少多路徑信號的產生。并且在條件允許情況下，將GPS的接收機天線盡可能安裝在視野開闊的地帶，遠離高樓大廈和大型樹木等可能使信號產生反射或延遲的障礙物。

3.1.2"改進天線設計

扼流圈（也稱為扼流板或扼流圈天線的一部分）是一種用于減少多路徑效應的天線附件。其主要作用是通過抑制來自地面的反射信號，減少這些反射信號對GPS接收機的影響。使用扼流圈后，GPS定位中的多路徑效應可以得到有效減弱，提高定位精度和穩定性。特別是在城市峽谷或者山谷等反射體相對較多的環境中，扼流圈的應用效果更為顯著。

3.1.3"延長觀測時間

采取上述措施后，還應該適當延長GPS信號的觀測時間，以此來削弱多路徑效應對GPS信號造成的準周期性影響，因為多路徑效應之中通常包含一定的周期性成分，而通過較長時間的觀測可以降低這些周期性誤差，提升定位精確度。

3.2"地形遮擋影響的減輕措施

3.2.1"選擇合適的定位地點

在進行GPS定位時，應盡量選擇開闊、無遮擋的地點，如廣場、空地等，避免高樓大廈、茂密的樹林、山脈等可能阻擋衛星信號的障礙物［3］。另外，在信號處理過程中，還可以使用濾波器來過濾掉由于多路徑效應產生的雜波和噪聲，有助于減輕地形遮擋對定位精度的影響。

3.2.2"結合其他定位技術

當GPS技術受到地形遮擋影響時可以采用結合其他定位技術的方法來減小誤差，如差分GPS（DGPS），其工作原理如下圖所示。

DGPS可以通過與基準站或網絡服務器之間的通信，獲取更為準確的衛星信號信息，提高其定位的精度。或者可使用慣性導航系統（INS，是一種不依賴于外部信號的自主導航系統）對其進行輔助定位，通過與GPS結合使用，可以提供更穩定和準確的定位結果。

差分GPS（DGPS）工作原理圖

3.2.3"優化設備設置和性能

使用性能穩定的GPS接收設備，避免使用老舊或性能不佳的設備進行定位，并定期更新GPS接收設備的固件和軟件，現代GPS接收機通常具備多路徑抑制算法，能夠識別和剔除由于多路徑效應產生的錯誤信號，以確保設備能夠利用最新的技術和算法來提高定位精度。

3.3"電離層和對流層延遲誤差的修正方法

3.3.1"電離層延遲誤差的修正方法

對于GPS的電離層延遲誤差修復可以采用雙頻觀測法，雙頻接收機能夠同時接收L1和L2兩個頻段的GPS信號。由于電離層延遲與載波頻率有關，通過不同頻率的觀測值組合，可以對電離層的延遲進行改正。具體來說，可以利用兩個頻率的觀測值來消除電離層對電磁波信號的延遲影響。這種方法需要接收機具備雙頻接收能力，并且依賴于精確的時鐘和頻率測量；為了盡可能消除電離層延遲誤差對GPS信號造成的影響，可以使用多臺接收器對同一個衛星發出的信號進行同步觀測，這種方法能夠同時得到多個數據，通過求差處理就能夠消除電離層延遲帶來的影響。其信號所經過的電離層往往狀況十分相似，因此通過同步觀測值求差可以顯著減弱電離層折射的影響，這種方法更適用于短基線（如小于20千米）的情況。

3.3.2"對流層延遲誤差的修正方法

在GPS數據處理過程中，可以將對流層延遲作為未知參數進行估計，即通過引入額外的待估參數（如對流層天頂延遲），從而實現對流層延遲的精確修正。另外可以結合氣象觀測數據來修正對流層延遲，根據氣象觀測數據（如溫度、濕度、氣壓等）能夠反映對流層的實際狀況，從而為對流層延遲的修正提供更為準確的信息，通過將GPS觀測數據與氣象觀測數據進行融合處理，可以進一步提高GPS定位的精度。

但是這些針對電離層和對流層的修正方法的選擇和實際應用必須根據具體的GPS應用場景和定位需求來進行確定。在實際應用中，還需要綜合考慮多種方法的優缺點并進行組合應用，以達到最佳的定位精度和應用效果。

4"基于案例的精度提升效果

4.1"研究區域與測試方案設計

4.1.1"研究區域

城市峽谷區域是指類似自然峽谷的都市環境，由于高樓林立、信號遮擋嚴重，GPS信號易受到多路徑效應和非視距傳播的影響，導致定位精度下降。為了評估和提升城市峽谷區域內的GPS定位性能，本文此處選擇了某處具有代表性的城市峽谷區域進行實地測試。

4.1.2"測試方案設計

（1）測試設備：選用高精度雙頻GPS接收機，以減少電離層延遲的影響，并提高定位精度。

（2）測試點布設：在城市峽谷區域內沿主干道均勻布設10個測試點，每個測試點間隔約100米。同時，在峽谷兩側各設置1個對比測試點，以評估不同環境下的定位差異。

（3）測試內容：包括靜態測試和動態測試兩個部分。靜態測試主要評估在靜止狀態下GPS定位的穩定性和精度；動態測試則模擬實際運動場景，評估在運動狀態下GPS定位的實時性和連續性。

（4）數據記錄：詳細記錄每個測試點的位置信息、時間戳、信號強度、衛星數量等關鍵參數，為后續數據分析提供依據［4］。

4.2"數據采集與處理

按照測試方案進行數據采集，確保數據的完整性和準確性，并利用專業軟件對采集到的數據進行處理和分析，包括定位精度評估、信號質量分析、誤差源識別等。按照測試方案完成數據采集后，獲得了一組包含12個測試點（10個峽谷內測試點和2個對比測試點）的GPS定位數據。

4.3"實驗結果分析與精度對比

4.3.1"實驗數據分析方法

（1）定位精度分析。計算每個測試點的平均定位誤差（包括水平誤差和垂直誤差），并與對比測試點的數據進行比較。

（2）信號質量分析。分析不同測試點的衛星數量、信號強度等指標，探討信號質量與定位精度的關系。

（3）誤差源識別。通過對比測試數據，識別影響定位精度的主要因素，如多路徑效應、非視距傳播、衛星幾何分布等。

4.3.2"實驗數據分析結果

（1）定位精度分析。城市峽谷區域內測試點的平均定位誤差顯著高于對比測試點，尤其是在峽谷底部，定位誤差最大可達數米，是由于信號遮擋和多路徑效應導致的。

（2）信號質量分析。峽谷內測試點的衛星數量普遍較少，信號強度較弱，且存在較大的波動。尤其是在峽谷底部，由于信號遮擋嚴重，衛星數量可能降至4顆以下，無法滿足GPS定位的基本要求。

（3）誤差源識別。通過分析數據可以發現，多路徑效應和非視距傳播是影響城市峽谷區域內GPS定位精度的主要因素。

4.4"精度提升策略的實際應用效果評價

4.4.1"改進天線設計的實際應用效果

采用具有抗多路徑效應的天線設計后，測試結果顯示，在城市峽谷區域，尤其是峽谷底部的測試點，定位誤差顯著減小。多路徑效應導致的定位抖動現象明顯減少，平均定位精度提高了20%～30%，故而通過改進天線設計是有效減輕多路徑效應影響、提升GPS定位精度的可行方法。

4.4.2"增加輔助傳感器的實際應用效果

增加輔助傳感器是提升GPS定位系統在復雜環境下可靠性和穩定性的重要手段，通過結合慣性導航系統（INS）等輔助傳感器對GPS信號進行數據整合后，GPS定位數據的連續性以及穩定性都得到了顯著提升。在信號遮擋嚴重或衛星數量不足的情況下，輔助傳感器能夠彌補GPS信號的不足，確保定位結果的連續性。此外，融合后的定位精度也有一定程度的提高。

4.4.3"差分GPS技術的實際應用效果

差分GPS技術是提升復雜環境下GPS定位精度的有效方法，適用于對定位精度要求較高的應用場景。在城市峽谷區域內建立差分GPS基準站后，通過差分技術消除了大部分共同誤差源。測試結果為差分GPS技術顯著提高了該區域內的定位精度，平均定位誤差減少了約50%。特別是在峽谷底部等信號條件較差的區域，效果更為顯著。

結語

綜上所述，本文對GPS可能面臨的問題進行了分析，并提出通過優化天線安裝環境、改進天線設計、延長觀測時間以及結合其他定位技術等有效減輕誤差帶來的影響，提升定位精度。另外，案例研究的結果表明，所提出的策略在實際應用中取得了顯著的效果，驗證了這些方法的可行性和有效性。并且隨著現代技術的不斷進步和創新，未來的GPS定位技術在復雜地形中的應用將更加廣泛，為社會經濟發展和科學研究提供更有力的支持。

參考文獻：

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［3］蔣愛國，鄒付兵，劉曉林，等.北斗/GPS海上實時PPP完好性監測及性能分析［J］.測繪通報，2023（08）：97101.

［4］梅建東.GPS雙頻/三頻靜態精密單點定位精度分析［J］.測繪標準化，2021，37（03）：3741.

作者簡介：井文杰（1988—"），男，漢族，河北大名人，本科，中級工程師，研究方向：工程測繪。