论文部分内容阅读
多路径误差是GPS定位中的一个重要误差源。为了消除或减弱多路径误差的影响，国内外做了大量的研究工作并已取得较多的研究成果。但是，残余的多路径误差仍然足以直接影响精密定位的可靠性和有效性。GPS的多路径误差已经成为制约其定位精度进一步提高的最后瓶颈之一。目前，对多路径误差处理方法的研究主要包括硬件处理和软件处理两种方法。与硬件处理方法相比较，软件处理方法（如基于恒星日滤波的方法、基于小波包分解的方法、基于信噪比观测值的方法以及其它的数字信号处理方法）受客观条件、造价和成本的约束较小，具有明显的优势，是GPS多路径误差的一个研究热点。
本文的研究目的，是在对GPS多路径误差的表达模型及其时空特性等进行深入分析和讨论的基础上，对3种主要的多路径误差的软件处理方法（基于恒星日滤波的方法、基于小波包分解的方法和基于信噪比观测值的方法）进行研究和改进，以进一步提高GPS定位的精度，并针对高采样率GPS地震波信号监测中的多路径误差处理以及利用多路径效应进行土壤湿度变化趋势的反演问题进行研究和探讨，实现更有效地提取地震波信号和反演土壤湿度的变化趋势。论文的研究工作及研究成果主要包括如下几个方面:
1.对GPS多路径误差的产生机制、物理表达、时空模型及其特性进行了深入分析和讨论，从理论上对多路径误差的量值范围进行了探讨。结合仿真及实测GPS数据，以伪距、相位、信噪比、组合观测值及高采样率GPS解算结果为例，讨论了观测值和解算结果中多路径误差在时、频域中所体现的特征。从时域上看，重复性是多路径误差的一个重要特征;从幅值上看，多路径误差存在于一定的幅度范围内;从频域角度看，多路径误差的能量主要作用于一定的频率区间。多路径误差表现在时频空间及其幅度上的这些特性，为研究其分离和提取方法提供了重要的理论依据。
2.由于卫星-接收机几何位置关系的重复性，使观测值、解算结果甚至于残差值都体现出一定的周期性（约为一个恒星日，23h56m4s），这种周期性是利用恒星日滤波提取和消除多路径误差的基础。本文对恒星日滤波及其核心参数（偏移秒值和加权值）进行了细致的研究和讨论。在此基础上，提出引入主成分分析(PCA—Principal Component Analysis)和卡亨南-勒夫变换(KLE—Karhunen-Loeve Expansion)来确定偏移秒值和权值。对实测GPS数据的处理与分析结果表明，引入主成分分析和卡亨南-勒夫变换均能有效地提高滤波的精度。采用主成分分析可使N、E方向上的误差下降至原有的40.3％和22.0％，通过卡南-勒夫变换可使N、E方向上的误差下降至原有的42.9％和22.7％。同时，主成分分析方法中的主成分系数比值能反映出随机噪声水平。在各天之间的随机噪声水平相当的情况下，主成分系数的比值均趋近于1;而对于某一天而言，当受到的随机噪声水平逐渐增加时，该天的主成分系数比值也显著地增加。与主成分分析相比较，卡亨南-勒夫变换对误差提取和分离的能力稍弱，但由于其变换过程中的‘协方差矩阵标准化’，使得其对随机噪声以及局部异常能起到较好的抑制作用。
3.对高采样率GPS信号的组成及其模型进行了分析和讨论。将高采样率GPS信号分为系统性特征信号与随机噪声两部分，前者由多路径误差和测站实际动态位移等因素组成，后者以随机噪声为主。为了对系统性特征信号与随机噪声进行有效的分离，本文提出了基于小波包分解的系统性特征信号估计方法。通过仿真和对实测GPS数据的处理与分析结果表明，该方法在对系统性特征分量估计的过程中，阈值的确定对估计结果的影响最大。以信噪比SNR、均方根误差RMSE和均方根导数RMSD作为3个评价指标，分别采用通用阈值估计(Sqtwolog)、Stein无偏风险阈值估计(Rigrsure)、启发式Stein无偏风险阈值估计(Heursure)、最大最小值阈值估计(Minimax)和基于惩罚算法的Birge-massart阈值估计(Penalty)五种阈值确定算法，对其估计结果进行了对比分析。采用Penalty算法确定阈值，能在噪声估计、平滑性和相似性之间取得一个平衡，比较适合用于高采样率GPS信号系统性特征分量的提取。
4.在基于小波包分解的系统性特征信号估计方法的基础上，提出了分别基于多路径误差的频率统计分布特征和多天坐标序列之间相关性的两种多路径误差处理方法。前者是直接通过小波包分解提取相应频带所对应的分量，将其作为多路径误差进行提取和消除;后者是通过对多天之间的信号相关性进行分析，自适应地确定小波包分解层数，以对多路径误差进行提取和分离。利用美国南加利福尼亚州综合GPS网中部分测站的高采样率GPS数据进行的处理结果表明，基于多路径误差频率统计分布特征的处理方法可使高采样率GPS信号在N、E方向上的标准差均削弱至原有的30％左右;基于多天坐标序列之间相关性的处理方法可将N、E方向上的误差分别削弱至原有的40％和20％左右。两种方法均能较好地提取和分离多路径误差，可使有多路径效应影响情况下的高采样率GPS动态定位精度达到mm级。
5.对基于GPS信噪比观测值SNR的载波相位多路径误差修正方法进行了系统的研究、讨论和实现。基于实测数据的LC无电离层组合观测值残差分析结果表明，该方法能在一定程度上修正载波相位中的多路径误差，减小观测值的残差，从而提高测量、定位的精度。同时，LC观测值残差的能量主要集中于0.0001-0.0005Hz的频率区间内，这种低频率的特征，与多路径误差的特征频率区间也是一致的。
6.结合位于南加利福尼亚的19个GPS测站在2010年墨西哥Baja California7.2级地震时的观测数据，将基于多路径误差频率统计分布特征的多路径误差处理方法用于高采样率GPS信号中多路径误差的分离与消除，提取地震波信号，并对其传播特征进行了分析和讨论。结果表明，用该方法提取的GPS地震波信号，能够较好地反映出地震波的传播及其特性，且具有无需进行多天重复观测、处理精度高的特点。由12个测站的地震波到达时间及震中距离，推算出此次地震波传播的速度约为3.2km/s。
7.将基于信噪比观测值SNR的多路径误差处理方法应用于土壤湿度变化趋势的反演研究。分析和讨论了利用GPS信噪比观测值反演土壤湿度变化趋势的原理和方法，并设计和实现了算法程序包GPS mois。结合位于美国南加利福尼亚州的实测GPS数据、土壤湿度仿真和实际观测数据，分别利用多路径反射分量中的幅度Am和相对延迟相位(φ)进行了土壤湿度变化趋势的反演。结果表明，从GPS信噪比观测值SNR中所提取的多路径误差反射分量的幅、频特征参数能够反映出土壤湿度的变化趋势。多路径反射分量的幅度Am与相对延迟相位(φ)相比较，更容易受到土壤类型、土壤植被、大气压和温度等其他外界因素的影响。