【京准分享】GPS北斗共视授时中的多径效应分析
【京准分享】GPS北斗共视授时中的多径效应分析
在国防建设、国民经济和基础科学研究中，离不开时间频率的作用，它也是一个重要的基本物理量。精确度高的时间频率对我国的通信事业以及国防建设等起着重要的意义。GPS/北斗共视授时作为目前时间频率远距离量值传递的主要方法之一，传递不确定度可达几个纳秒。该技术也是目前国际计量局（BIPM）用于国际原子时合作的基本手段之一。 众所周知，GPS北斗授时具有很高的精度，但也有卫星钟差。GPS北斗共视授时却可以消除，但不能完全消除非共同的误差，这些误差成为影响GPS北斗共视测量精度的主要因素。这些限制性因素主要包括：对流层延迟误差、电离层时延误差、卫星信号多径干扰误差、接收机位置误差、几何时延误差以及接收机内部误差等。 本文详细研究了共视授时技术，阐述了基本原理，给出了数学模型，同时分析了共视授时的主要误差之一——多径干扰误差，在该基础上分析了目前抗多径的方法，再探讨了GPS北斗共视授时中具体抗多径干扰的方案。该结论对提高共视授时实验的精确性有一定的参考价值。
GPS北斗共视授时基本原理
GPS北斗共视技术由美国标准技术研究院（NIST）于20世纪90年代初提出。共视法的含义是指：在地球上的两个原子钟，能够在任何地点，在同一时间能够同时接收同一个卫星时间信号进行比对。目前，共视法也是国际计量局（BIPM）用于国际原子时合作的基本手段之一。
GPS共视授时中的抗多径方法 随着卫星导航系统愈加倾向于民用，美国取消了SA干扰，同时又开放了一个GPS信号频段，对流层和电离层时延误差也得到修正，共视授时的精度主要受多径影响。 通常GPS北斗共视授时，可以通过采用抗多径干扰天线或改进接收机的性能来抗多径。但GPS共视授时的高精确性也受多径残差的影响，仍需作为一个主要误差来考虑。并且随着卫星导航的发展，共视中的其它误差得到有效消除，GPS共视中的主要误差很大程度上是多径干扰。故除了考虑天线和接收机方面的因素外，还要进一步研究提高抗多径的方案来保证共视授时的高精确性。 1） 选择和改善接收机天线周围的环境。 一般进行共视授时，两地的接收机位置保持固定不变，且天线的位置是精确测量固定的。故利用这种特点，选择适当的测试场地或改善周围的环境，可提高抗多径能力。 由于多径由测试地点周围环境对信号的反射造成，故要注意GPS接收机天线周围有没有容易产生反射的物体，同时铺设能够有效吸收电波的材料。例如可以选择周围没有金属物品、干燥的地面、地形平坦建筑复杂度低的环境。并且地面矮小的植被如草丛、灌木丛能够有效的吸收微波信号，可以优先选择这种环境。测量的时候也需考虑到天气的影响，天气情况的好坏也使多径影响不同，例如雨天导致地面反射增强，多径干扰明显。
2） 根据多径的周日特性进行修正 在GPS共视测量中，当接收机天线位置精确测量后，位置就保持不变。而多径影响主要由接收机天线周围的反射波干扰引起，反射波又主要由天线周围的环境引起，固定位置的天线其周围的环境一般不变，这样多径效应具有一定的周期性。GPS卫星周期是11小时58分，故地球和卫星相对位置将在23小时56分后首次重复，因此23小时56分也是多径效应周期。在进行GPS共视授时时，测试接收机跟踪某颗卫星，由接收到的卫星信号分析出卫星的方位角和仰角与多径干扰的关系，进而得出其函数修正公式，消除多径误差。一般GPS共视测量的卫星相对的方位角和仰角都是固定的，这样只需得出多径影响的某个特定的卫星方位角和仰角，而不用知道卫星方位角和仰角整个变化过程的函数关系。共视测量时都按照BIPM共视表进行，用单通道接收机可每天进行48次全长跟踪，且每天要比前一天提前4分钟，即23小时56分。 3）由接收机测量卫星信号的性噪比进行修正 进行共视实验时，对测试接收机接收到的信号，分析其值的信噪比判定观测结果的质量。通过减小那些因多径干扰产生误差的观测值的权重来对数据进行事后处理，从而达到削弱多路径误差影响的目的。这种方法可以有效的降低多径干扰误差。 4）利用定时中对接收机观测数据的事后处理 GPS观测的数据都带有噪声，通过滤波器对其数据序列滤波能够去除噪声，Vondrak数字滤波器就是其中的一种。去除噪声影响后并提取多路径误差的模型，同时由多径效应的周日特性函数关系，能够对后续的GPS观测数据序列进行改正，以提高GPS北斗共视授时的精度。Daubechies小波滤波器也可以按照上述方式对观测数据进行事后处理。
