GNSS多路径误差提取CMC和MPC

news2024/11/18 6:02:39

基本概念

伪距和载波相位观测值的多径误差并不相同,多径误差一般1-5米,最高可达10-20米。PPP利用伪距辅助模糊度固定,伪距质量不高多路径误差太大,会导致模糊度固定错。载波相位的多径误差小于四分之一波长。由于载波相位的多径误差远小于伪距多径误差,因此可以利用载波相位与伪距的线性组合来计算多径误差。

多路径效应是指接收机在接收到卫星发射的直射信号的同时,还同时接收到来自测站周围地物的反射信号,两种信号干涉叠加,引起附加时间延迟或相位延迟,从而使观测值偏离真值,产生所谓的多路径误差。这种由于卫星信号经多种反射路径进入接收机而引起的干涉时延效应被称作多路径效应。

如下图所示,直射信号和反射信号同时会进入接收设备,两种信号干涉叠加会产生一种新的复合信号,这种复合信号与直射信号相比会产生路径延迟合相位延迟,严重时甚至能导致卫星失锁,从而影响卫星的定位结果。由于噪声和多径误差特征相近,在数据后处理过程中也很难把它们分离,所以通常将二者放在一起作为随机噪声进行处理。

对多路径误差削减的方法大致有三类

  • 选择合适的站址环境并延长观测时间
  • 硬件性能改良:对接收天线和接收机内部信号跟踪捕获等方面有关的技术改良,目前主要有:扼流圈天线、天线阵列组合法、抑径板、窄相关技术(Narrow Correlation Technology, NCT)、多路径消减技术(Multipath Estimation Technology, MET)、多路径削减延迟锁相环技术(Multipath Elimination Delay Lock Loop, MEDLL)
  • 数据后处理方法:利用接收机采集到的数据,联合反射环境、接收设备、可视卫星等信息通过一定的方法,讲多路径效应估计值从原始观测数据或结果文件中提取出来,并用以实现定位解算中多路径误差的削弱。现有的比较成熟的数据后处理方法有信噪比法、移动平均法、反射信号计算法、多路径重复性方法等。

信噪比法:分析信噪比,估算直射信号受到多路径信号的干扰幅度,将其从混合信号提取出来,以削弱多路径效应。

多径提取

伪距测量,多径误差提取用   伪距载波相位组合  ,而载波相位测量,多径误差提取使用电磁波干涉合成原理。

多径是噪声的一部分,一般来讲,不可以将多径和噪声分离开来。伪距多径组合MPC提取出的是伪距和噪声以及一些时变误差项的组合。理论上来讲,得到的不是纯粹的 多径值,但多径的量级占统治地位,所以说得到的是多径也并无问题。

伪距多径提取

1.使用CMC方法(code-minus-carrier)

CMC是直接用伪距减去载波相位,是最通用、最简单的方法。

最终项是:

两倍的电离层误差、整周模糊度、(算的出来,已知)

伪距多路径、伪距噪声、(程序输出值)

载波相位多路径、载波相位噪声。(量级相对伪距多径小,忽略不计)

电离层变化缓慢,整周模糊度没有周跳时保持不变。

  • 周跳比较频繁时,用于平均的时间窗口不够长,可能会把平均的多路径值也减掉。如下图所示,用不同时间窗口做平均,最后得出的多路径误差可能不一致。
  • 即使减去平均值,剩余项中仍保留了伪距噪声。伪距噪声和接收机类型相关,如果一个接收机噪声较大,那么同样环境下,用同样计算方法、统计方法算出来的"多路径误差”可能就显得比较大。
  • 方法难点在于,无法剥离伪距噪声影响。如果有伪距噪声水平先验值,或者已知伪距噪声极小,那通过上述方法也可以正确检测多路径,并且评估多路径强度。
2.使用MPC方法

伪距多径根据多径组合(Multi-Path Combination, MPC)提取。

程序输入:双频 伪距 相位观测值 P1 L1 P2 L2

算法:一个伪距和两个相位观测值组合

程序输出:某个频率的伪距多径误差

伪距多路径提取算法中载波组合系数:


 (1) 式第二项消除频率无关项(几何距离、钟差、对流层湿延迟),没了,第三项消除电离层延迟。MPC 组合误差还剩:

在一个连续弧段内,模糊度组合不发生变化;硬件延迟项分为时不变和实变硬件延迟,时不变硬件延迟在短时间内(连续弧段内)不发生变化;相位噪声相较于伪距噪声很小,可忽略。

MPC 在一个连续弧段内,减去弧段均值,得到伪距多径噪声(因为多径与噪声很难分离):

上式右边第二项,是弧段内取均值,有些文献说的是弧段内平滑值。

多径误差有噪声,多径误差的值不是一成不变。短时间内,多径误差的噪声,看作白噪声。算个平均值当作多径误差的值。如图:

相位多径提取

相位精度比伪距高得多,提取相位多径时不可用伪距。

使用三频相位观测值,两两组合,组成两个载波相位 IF 组合消去电离层,然后这两个 IF 组合再做差消去几何距离项。

参考资料:

参考1:CMC方法 写的很详细的博客

GNSS原始测量值中多路径的检测和评估_多路径分析-CSDN博客

参考2:双频一阶伪距多径简单介绍

【GNSS】多径的提取 - 知乎 (zhihu.com)

参考3:对BDS和GPS的卫星信号进行了分析

[1]刘保成,黄令勇,王俊超.不同GNSS观测组合提取伪距多路径效果比较[J].大地测量与地球动力学,2017,37(01):40-43.DOI:10.14075/j.jgg.2017.01.009.

参考4:只使用了BDS的信号

[1]刘增军,牟卫华,庞晶,等.三频GNSS系统伪距多径提取算法性能分析及比较[J].测绘通报,2012,(05):10-13+28.
 

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