摘要：介紹了GPS共視授時的基本原理，在此基礎(chǔ)上分析了GPS共視授時中多徑效應(yīng)影響。多徑效應(yīng)是GPS接收機(jī)測量中遇到的主要誤差之一，減小多徑誤差可以提高GPS共視授時的精度。該文分析了目前抗多徑的方法，同時探究了GPS共視授時中怎樣進(jìn)行抗多徑干擾，該結(jié)論對進(jìn)行GPS共視授時研究有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：GPS共視；授時；多徑效應(yīng)；抗多徑

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）01-0035-03

在國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)科學(xué)研究中，離不開時間頻率的作用，它也是一個重要的基本物理量。精確度高的時間頻率對我國的通信事業(yè)以及國防建設(shè)等起著重要的意義。GPS共視授時作為目前時間頻率遠(yuǎn)距離量值傳遞的主要方法之一，傳遞不確定度可達(dá)幾個納秒。該技術(shù)也是目前國際計量局（BIPM）用于國際原子時合作的基本手段之一。

眾所周知，GPS授時具有很高的精度，但也有衛(wèi)星鐘差。GPS共視授時卻可以消除，但不能完全消除非共同的誤差，這些誤差成為影響GPS共視測量精度的主要因素。這些限制性因素主要包括：對流層延遲誤差、電離層時延誤差、衛(wèi)星信號多徑干擾誤差、接收機(jī)位置誤差、幾何時延誤差以及接收機(jī)內(nèi)部誤差等。

本文詳細(xì)研究了共視授時技術(shù)，闡述了基本原理，給出了數(shù)學(xué)模型，同時分析了共視授時的主要誤差之一——多徑干擾誤差，在該基礎(chǔ)上分析了目前抗多徑的方法，再探討了GPS共視授時中具體抗多徑干擾的方案。該結(jié)論對提高共視授時實驗的精確性有一定的參考價值。

1 GPS共視授時基本原理

GPS共視技術(shù)由美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）于20世紀(jì)90年代初提出。共視法的含義是指：在地球上的兩個原子鐘，能夠在任何地點，在同一時間能夠同時接收同一個衛(wèi)星時間信號進(jìn)行比對。目前，共視法也是國際計量局（BIPM）用于國際原子時合作的基本手段之一。

2.2 GPS共視中的多徑效應(yīng)

由上所述，GPS接收機(jī)測量過程中的多徑效應(yīng)是主要誤差之一。接收機(jī)天線的不同或者其周圍環(huán)境都能引起多徑效應(yīng)。而進(jìn)行共視授時的接收機(jī)，由于位置的不同導(dǎo)致其周圍環(huán)境以及相對于同一顆衛(wèi)星的仰角和方位角不同，故非相關(guān)性是多徑效應(yīng)的一個重要特征。在距離較近的共視中，空間相關(guān)性較強(qiáng)，能夠大幅度消弱電離層和對流層的影響，也能減弱星歷誤差的影響，但是無法消除多徑效應(yīng)，因此多徑效應(yīng)是近距離共視中所遇到的主要誤差，故設(shè)法抑制多徑效應(yīng)影響是單站觀測時必須考慮的因素。在GPS共視測量中，有載波相位多徑和偽碼多徑兩種。一般多徑對偽碼觀測值的影響更復(fù)雜，和載波相位多徑誤差相比，大約為200倍。進(jìn)行共視測量的接收機(jī)一般為偽碼接收機(jī)，故GPS共視中主要考慮偽碼多徑的影響。

3 抗多徑方法

3.1 目前抗多徑的方法

對接收機(jī)天線場地的選擇是減輕多徑影響的主要因素，為防止天線接收到水平面和水平面以上的反射波，天線的位置應(yīng)高于反射體。除該因素之外，目前有以下幾種措施，來進(jìn)行抗多徑。

1）使用相干延遲鎖相環(huán)接收機(jī)。實驗證明，使用相干延遲鎖相環(huán)的接收機(jī)，抗多徑干擾能力強(qiáng)于使用非相干延遲鎖相環(huán)的接收機(jī)。1992年，Dierendonck等人描述了可在GPS接收機(jī)中減弱多徑干擾的專利設(shè)計。該設(shè)計方案是，在非相干延遲鎖相環(huán)中，通過采用超前和滯后相關(guān)器窄間隔，由小部分的相關(guān)函數(shù)構(gòu)成鑒相器，這些相關(guān)函數(shù)在峰值附近，這樣可以減小10倍的最大多徑誤差，而多路徑影響大于或等于一個碼片的相對延遲可以完全消除。進(jìn)一步的研究表明，窄相關(guān)的概念也適用于相干延遲鎖相環(huán)。

2）設(shè)計抗多徑的天線。扼止環(huán)（choke ring）天線是目前專門進(jìn)行抗多徑的天線，且抗多徑干擾明顯。該天線主要由一些同心環(huán)構(gòu)成。同心環(huán)是以天線振子為中心、垂直對準(zhǔn)的，并且連到底板上。天線接收到的水平方向或負(fù)仰角的多徑信號通過這些垂向環(huán)被衰減。當(dāng)扼止環(huán)天線處在良好的環(huán)境場地時，多徑引起的測距誤差變化范圍是50cm～2m。

3）對GPS共視接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。目前，對接收機(jī)事后數(shù)據(jù)的處理來減小多徑誤差有多種，其中較常用的一種方法是固定某個GPS接收機(jī)，讓其跟蹤某顆GPS衛(wèi)星，通過該星的觀測數(shù)據(jù)，得到該衛(wèi)星的方位角和仰角與多徑干擾的函數(shù)關(guān)系，這樣可以適當(dāng)改善，消除多徑誤差。Jim Davis等人在1998年研制了一套多徑與天線校準(zhǔn)系統(tǒng) （Multipath and Antenna Calibration System，簡稱MACS），該系統(tǒng)不受多徑影響，因此可作為一個標(biāo)準(zhǔn)，把進(jìn)行觀測的共視接收機(jī)與之一起對比，就能得到進(jìn)行觀測的共視接收機(jī)的多徑影響，也就能進(jìn)行修正。

3.2 GPS共視授時中的抗多徑方法

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)愈加傾向于民用，美國取消了SA干擾，同時又開放了一個GPS信號頻段，對流層和電離層時延誤差也得到修正，共視授時的精度主要受多徑影響。

通常GPS共視授時時，可以通過采用抗多徑干擾天線或改進(jìn)接收機(jī)的性能來抗多徑。但GPS共視授時的高精確性也受多徑殘差的影響，仍需作為一個主要誤差來考慮。并且隨著衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展，共視中的其它誤差得到有效消除，GPS共視中的主要誤差很大程度上是多徑干擾。故除了考慮天線和接收機(jī)方面的因素外，還要進(jìn)一步研究提高抗多徑的方案來保證共視授時的高精確性。

1） 選擇和改善接收機(jī)天線周圍的環(huán)境。

一般進(jìn)行共視授時，兩地的接收機(jī)位置保持固定不變，且天線的位置是精確測量固定的。故利用這種特點，選擇適當(dāng)?shù)臏y試場地或改善周圍的環(huán)境，可提高抗多徑能力。

由于多徑由測試地點周圍環(huán)境對信號的反射造成，故要注意GPS接收機(jī)天線周圍有沒有容易產(chǎn)生反射的物體，同時鋪設(shè)能夠有效吸收電波的材料。例如可以選擇周圍沒有金屬物品、干燥的地面、地形平坦建筑復(fù)雜度低的環(huán)境。并且地面矮小的植被如草叢、灌木叢能夠有效的吸收微波信號，可以優(yōu)先選擇這種環(huán)境。測量的時候也需考慮到天氣的影響，天氣情況的好壞也使多徑影響不同，例如雨天導(dǎo)致地面反射增強(qiáng)，多徑干擾明顯。

2） 根據(jù)多徑的周日特性進(jìn)行修正

在GPS共視測量中，當(dāng)接收機(jī)天線位置精確測量后，位置就保持不變。而多徑影響主要由接收機(jī)天線周圍的反射波干擾引起，反射波又主要由天線周圍的環(huán)境引起，固定位置的天線其周圍的環(huán)境一般不變，這樣多徑效應(yīng)具有一定的周期性。GPS衛(wèi)星周期是11小時58分，故地球和衛(wèi)星相對位置將在23小時56分后首次重復(fù)，因此23小時56分也是多徑效應(yīng)周期。在進(jìn)行GPS共視授時時，測試接收機(jī)跟蹤某顆衛(wèi)星，由接收到的衛(wèi)星信號分析出衛(wèi)星的方位角和仰角與多徑干擾的關(guān)系，進(jìn)而得出其函數(shù)修正公式，消除多徑誤差。一般GPS共視測量的衛(wèi)星相對的方位角和仰角都是固定的，這樣只需得出多徑影響的某個特定的衛(wèi)星方位角和仰角，而不用知道衛(wèi)星方位角和仰角整個變化過程的函數(shù)關(guān)系。共視測量時都按照BIPM共視表進(jìn)行，用單通道接收機(jī)可每天進(jìn)行48次全長跟蹤，且每天要比前一天提前4分鐘，即23小時56分。

3）由接收機(jī)測量衛(wèi)星信號的性噪比進(jìn)行修正

進(jìn)行共視實驗時，對測試接收機(jī)接收到的信號，分析其值的信噪比判定觀測結(jié)果的質(zhì)量。通過減小那些因多徑干擾產(chǎn)生誤差的觀測值的權(quán)重來對數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，從而達(dá)到削弱多路徑誤差影響的目的。這種方法可以有效的降低多徑干擾誤差。

4）利用定時中對接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的事后處理

GPS觀測的數(shù)據(jù)都帶有噪聲，通過濾波器對其數(shù)據(jù)序列濾波能夠去除噪聲，Vondrak數(shù)字濾波器就是其中的一種。去除噪聲影響后并提取多路徑誤差的模型，同時由多徑效應(yīng)的周日特性函數(shù)關(guān)系，能夠?qū)罄m(xù)的GPS觀測數(shù)據(jù)序列進(jìn)行改正，以提高GPS共視授時的精度。Daubechies小波濾波器也可以按照上述方式對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理。

4 結(jié)束語

本文就共視授時中遇到的多徑干擾，提供了幾種方案，從硬件和軟件兩個方面提高共視授時精度。除了接收機(jī)和天線以及觀測場地這些硬件方面，著重探討了怎樣從觀測數(shù)據(jù)的事后處理角度進(jìn)行抗多徑干擾。具體實現(xiàn)，還有待深入研究。由于進(jìn)行共視授時的環(huán)境具有復(fù)雜性、隨機(jī)性，故建立一個確定的數(shù)學(xué)模型去描述多徑效應(yīng)的規(guī)律是很難做到的，故上述理論和方法給從事高精度GPS共視授時實驗以及科研工作提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王正明，高俊法.高精度國際時間比對的進(jìn)展[J].天文學(xué)進(jìn)展，2000（3）.

[2] 李征航，黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

[3] 張盂陽，呂保維，宋文森. GPS系統(tǒng)中的多路徑效應(yīng)的影響[J].電子學(xué)報，1998（3）.

[4] 黃丁發(fā)，丁曉利，陳永奇，等. GPS多路徑效應(yīng)影響與結(jié)構(gòu)振動的小波濾波篩分研究l-J3[J].測繪學(xué)報，2001，30（1）.

[5] 黃聲享，李沛鴻，楊保岑，等. GPS動態(tài)監(jiān)測多路徑效應(yīng)的規(guī)律性研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2005，30（10）：77-80.

[6] 國防科工委科技與質(zhì)量司.時間頻率計量[M].北京：原子能出版社，2009，9.

[7] Vondrak J， Cepek A. Combined smoothing method and its use in combining earth orientation parameters measured by space techniques[J] . A stron A strop hys，2000，147：347- 359.

[8] 楊旭海. GPS共視時間頻率傳遞應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文，2003，4：17-19.