Влияние мультипата спутниковых сигналов на данные опросов и методы смягчения последствий

Введение: почему многолучевые вопросы в современном обзоре

Многолучевой сигнал спутника выступает в качестве одного из наиболее постоянных источников ошибок в геодезической съемке на основе ГНСС. В то время как многие геодезисты сосредотачиваются на атмосферных задержках, ошибках спутниковых часов и эфемеридных неточностях, многолучевые помехи тихо ухудшают качество данных способами, которые часто трудно обнаружить и исправить после сбора. В прецизионных съемках, где требуется точность на уровне сантиметра или миллиметра, неспособность решить многолучевой может сделать целые наборы данных непригодными для использования.

Фундаментальная проблема возникает из-за того, как приемники GNSS оценивают положение: они вычисляют время, необходимое для прохождения сигнала от спутника к приемнику. Когда этот сигнал проходит несколько путей— прямой путь прямой видимости и один или несколько отраженных путей— процесс корреляции приемника становится поврежденным. Результатом является предвзятое измерение псевдодиапазона и измерение несущей фазы, которое может содержать проскальзывания цикла или фазовые ошибки. Понимание механизмов, лежащих в основе многолучевого пути, распознавание его симптомов в полевых данных и применение целевых стратегий смягчения являются необходимыми навыками для любого специалиста по обследованию.

Физика распространения сигналов мультипатов

Чтобы понять, почему мультипат так хлопотно, он помогает точно понять, что происходит, когда сигнал GNSS сталкивается с отражающей поверхностью. Сигналы GNSS, передаваемые на частотах, таких как L1 (1575,42 МГц) и L2 (1227,60 МГц), являются правыми круговыми поляризованными радиоволнами. Когда эти волны ударяются о поверхность, может произойти несколько вещей в зависимости от материала, угла падения и шероховатости поверхности.

Специальное отражение происходит, когда поверхность гладкая относительно длины волны сигнала— подумайте о спокойном озере, стеклянном здании или плоской металлической крыше. Отраженный сигнал сохраняет большую часть своей первоначальной энергии и поступает в приемник с предсказуемым сдвигом фазы. Этот тип многолучевого сигнала особенно опасен, потому что отраженный сигнал может быть почти таким же сильным, как прямой сигнал, в результате чего петля, заблокированная задержкой приемника, запирается на составной сигнал, который не представляет ни один путь точно.

Диффузное отражение происходит на шероховатых поверхностях, таких как гравий, растительность или грубый бетон. Здесь сигнал рассеивается во многих направлениях, и отраженная энергия, достигающая приемника, ниже. Хотя она менее разрушительна, чем зеркальное отражение, диффузный многолучевой путь все еще впрыскивает шум в измерение и может ухудшать точность с течением времени.

Критическим параметром для геодезистов является многолучевая оболочка ошибок, которая описывает максимально возможную ошибку, вносимую отраженным сигналом заданной относительной амплитуды и задержки. Для кодовых псевдодальних измерений ошибки многолучевых могут достигать десятков метров в тяжелых условиях. Для измерений несущей фазы ошибки обычно меньше— порядка нескольких сантиметров— но этого все еще достаточно, чтобы скомпрометировать высокоточные приложения, такие как мониторинг деформации или установление кадастровой границы.

Классификация мультипатов: ближний пол против дальнего поля

Геодезисты часто считают полезным различать многолучевые пути ближнего и дальнего поля, поскольку стратегии смягчения существенно различаются между ними.

Полевой мультипат

Ближайший многолучевой путь исходит от объектов в пределах нескольких метров от антенны GNSS. Собственная аппаратура геодезиста— штатив, транспортное средство для съемки, полюс ровера, даже тело оператора— может выступать в качестве источников отражений ближнего поля. Поскольку эти отражатели находятся близко к антенне, отраженный сигнал поступает с очень короткой задержкой относительно прямого сигнала, что делает его чрезвычайно трудным для алгоритмов приемника.

Многолучевой дальний путь

Многолучевой дальний путь исходит от более отдаленных объектов: зданий, подпорных стен, древесных линий, склонов холмов, водных поверхностей. Отраженная задержка сигнала длиннее, а относительная геометрия меняется по мере движения спутников. Этот тип многолучевого пути более предсказуем и иногда может быть смоделирован или отфильтрован с помощью таких методов, как сидерическая фильтрация, которая использует тот факт, что спутниковая группировка GPS повторяет свою геометрию примерно каждые 23 часа 56 минут.

Количественное определение влияния на качество данных опроса

Влияние мультипата на данные обследования неоднородно. Они зависят от угла возвышения спутника, отражательной способности окружающих поверхностей, технологии коррелятора приемника и продолжительности наблюдения. Однако можно ожидать несколько хорошо документированных воздействий:

Возможно, наиболее проблематично то, что многие показатели качества после обработки— такие как остатки RMS или стандартные отклонения— не полностью фиксируют ошибки мультипутевого пути. Набор данных может выглядеть статистически приемлемым, но все еще содержит существенные систематические искажения. Вот почему опытные геодезисты настаивают на качественной оценке сайта наряду с количественными проверками данных.

Сценарии реального мира: где мультипатия вызывает больше всего проблем

Городские каньоны и центры города Dense

Стеклянные и стальные фасады, узкие улочки и движущийся трафик создают отражающую среду, которая бросает вызов даже лучшим приемникам ГНСС. В этих условиях часто блокируется прямая линия обзора на спутники, заставляя приемник полагаться на отраженные сигналы. Результатом являются позиционные ошибки, которые могут превышать 10 метров, наряду с частой потерей ремонта РТК. Геодезисты, работающие над проектами городской инфраструктуры, должны тщательно планировать свои окна наблюдения, часто собирая данные в ранние утренние или поздние вечера, когда геометрия спутника более благоприятна и пешеходное движение легче.

Прибрежная и набережная среда

Поверхности воды обладают высокой отражающей способностью на частотах ГНСС. Спокойное озеро или река могут создавать сильные зеркальные отражения, имитирующие второй сигнал спутника, поступающий снизу горизонта. Это может сбить с толку петель отслеживания приемника и вызвать ошибки, зависящие от высоты. Обследование вблизи водных объектов требует особого внимания к высоте антенны и использованию наземных плоскостей или кольцевых антенн, которые ослабляют сигналы, поступающие с низких углов возвышения.

Горные ямы и карьера

Крутые стены шахт открытого типа создают классическую многолучевую геометрию. Дно ямы может принимать отраженные сигналы от нескольких стенок одновременно, в то время как ограниченный вид неба уменьшает количество непосредственно видимых спутников. В этих условиях геодезисты часто дополняют ГНСС суммарными измерениями станций для перекрестной проверки позиций и идентификации многолучевых загрязненных наблюдений.

Лесные массивы и покровы навесов

В то время как навесы деревьев в первую очередь вызывают ослабление сигнала, а не отражение, ветви и листья могут производить диффузный мультипат, который ухудшает отслеживание фазы несущей. Сочетание низкой силы сигнала и многолучевого шума затрудняет достижение фиксированных решений RTK под плотным навесом. Геодезисты, работающие в лесных приложениях, часто используют более длительное время работы и постобработанные кинематические (PPK) методы для преодоления этих проблем.

Техники смягчения на основе аппаратного обеспечения

Удушье-кольцо и наземные антенны

Наиболее эффективным аппаратным решением для уменьшения мультипат является использование специализированных конструкций антенн. Ударно-кольцевые антенны используют концентрические проводящие кольца для ослабления сигналов, поступающих с низких углов возвышения, где наиболее вероятны многолучевые отражения. Эти антенны обеспечивают отторжение 20–30 дБ для сигналов ниже 10 градусов возвышения. Антенны наземной плоскости выполняют аналогичную функцию, хотя и с менее агрессивной фильтрацией. Для высокоточных статических съемок удушающе-кольцевая антенна считается стандартным оборудованием.

Двойная поляризация и продвинутые элементы

Некоторые современные антенны GNSS включают элементы двойной поляризации, которые могут различать правую круговую поляризацию (RHCP) прямых сигналов и левую круговую поляризацию (LHCP), которая часто является результатом отражений с одним отскоком. Хотя не идеальные & #8212; множественные отражения могут вернуть поляризацию обратно к RHCP & #8212; этот метод обеспечивает дополнительное отклонение во многих распространенных сценариях.

Технология получения коррелятора

На уровне приемника конструкция коррелятора играет главную роль в многолучевом отказе. Узкокорреляторные приемники, использующие очень ранние поздние интервалы коррелятора (0,1 чипа или меньше), могут значительно уменьшить многолучевую оболочку ошибок по сравнению со стандартными корреляторами. Корреляторы строба и двухдельта-корреляторы продвигают эту концепцию дальше, добиваясь субметровых ошибок кода мультилучей при умеренных условиях. При указании оборудования для многолучевых сред геодезисты должны искать приемники, которые явно рекламируют многолучевые корреляторы смягчения.

Методы смягчения последствий, основанные на программном обеспечении и обработке

Многолучевая оценка и фильтрация

Расширенное программное обеспечение постобработки может моделировать и удалять мультипатические эффекты, анализируя соотнесенную со временем природу ошибки. Подходы, основанные на фильтре Калмана, оценивают мультипат как параметр состояния, отделяя его от других источников ошибок. Эти методы лучше всего работают, когда сеансы наблюдения достаточно длинны, чтобы захватить многолучевую подпись через несколько спутниковых проходов.

Сайдеальная фильтрация для статических обследований

Поскольку созвездие GPS повторяет свой наземный трек примерно каждые 23 часа 56 минут, ошибки мультипата проявляют сидерическую периодичность. В долгосрочных статических исследованиях данные из дня N могут использоваться для характеристики и удаления мультипата из дня N + 1. Этот метод, известный как сидерическая фильтрация, может уменьшить многолучевую RMS на 30–70 процентов в зависимости от условий участка. Он требует тщательного выравнивания окна фильтрации и наиболее эффективен, когда среда мультипата неподвижна.

Вегетативный вес, зависящий от подъема

Простая, но эффективная стратегия обработки заключается в уменьшении веса или исключении наблюдений со спутников под низкими углами возвышения, где мультипат наиболее строг. Многие пакеты программного обеспечения для обследования позволяют маски возвышения, которые исключают данные ниже 10, 15 или даже 20 градусов. Хотя это уменьшает количество доступных спутников, оставшиеся данные имеют тенденцию быть более чистыми и надежными. Оптимальная маска возвышения варьируется в зависимости от места и должна определяться методом проб и ошибок.

Отношение сигнал/шум (SNR)

Мониторинг сообщенных значений C/N0 для каждого спутника может помочь идентифицировать многолучевые заражённые наблюдения. Резкие падения или колебания в SNR являются сильными показателями отражения или обструкции. Современные рабочие процессы после обработки могут отмечать или исключать наблюдения со значениями SNR вне определяемого пользователем порога, улучшая общее качество решения.

Оперативные стратегии для полевых геодезистов

Сайт разведки и планирования

Наиболее эффективное смягчение начинается до сбора каких-либо данных. Тщательная разведка участка должна выявить потенциальные отражающие поверхности: фасады зданий, ограждения, транспортные средства, водоемы, металлические крыши и даже мокрый тротуар. По возможности выберите точки наблюдения, максимально удаленные от этих поверхностей. Для долгосрочных мониторинговых установок проведите 24-часовой тест участка для характеристики многолучевой среды перед завершением определения местоположения антенны.

Размещение антенны лучшие практики

Продолжительность наблюдения и повторение

Более длительные сеансы наблюдения позволяют статистической фильтрации усреднять многолучевой шум. Как правило, увеличение времени наблюдения с 5 минут до 15 минут может уменьшить многолучевой координатный рассеяние в два раза. В высокомультилучевых средах рассмотреть возможность использования 30-минутного времени занятия для контрольных точек. Захватывающие точки в разное время суток, когда геометрия спутника сместилась, обеспечивает независимую проверку и помогает выявить стойкое многолучевое смещение.

Мониторинг в реальном времени при сборе данных

Многие современные приемники ГНСС обеспечивают показатели качества данных в реальном времени. Обратите внимание на расчетное положение РМС, количество отслеживаемых спутников и статус фиксации РТС. Если РМС внезапно увеличивается или фиксация падает, сделайте паузу и исследуйте: рядом стоящий грузовик, кусок строительного оборудования или изменение угла солнечного света, возможно, ввели новую отражающую поверхность. Документируйте эти наблюдения в полевых заметках, чтобы информировать о решениях после обработки.

Пример: обнаружение многолучевых объектов в пригородной сети управления

Рассмотрим типичный сценарий: съемочная группа устанавливает сеть управления в пригородной зоне с разбросанными домами, деревьями и небольшим прудом. После обработки одна контрольная точка показывает горизонтальное расхождение в 2,8 см по сравнению с контрольными измерениями, в то время как другие согласны в пределах 0,8 см. Подозреваемая точка расположена в 12 метрах от металлического садового сарая и в 8 метрах от забора цепной линии. Анализ после обработки показывает, что четыре из восьми спутников, используемых в решении, имели значения C/N0, которые колебались более чем на 4 дБ во время 10-минутного наблюдения.

Подход смягчения: повторно наблюдать точку с помощью удушающей антенны, увеличить время занятия до 25 минут, применить маску возвышения 15 градусов и вручную исключить два спутника с самыми неустойчивыми SNR-моделями. Переработанные координаты согласуются с проверочными измерениями в пределах 0,6 см, подтверждая, что мультипат был основным источником ошибок. Этот случай иллюстрирует, что систематическое внимание к аппаратному обеспечению, стратегии наблюдения и скринингу данных может решить большинство проблем мультипата.

Новые технологии и методы

Многоконстелляционная и многочастотная обработка

Наличие нескольких созвездий GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) и нескольких частот обеспечивает больше степеней свободы для обнаружения и смягчения многолучевых лучей. Линейные комбинации частот, такие как комбинация без ионосферы или комбинация Мельбурна-Wübbena, могут помочь изолировать эффекты многолучевых лучей. С большим количеством спутников в поле зрения приемники могут выбрать подмножество геометрически благоприятных спутников, которые минимизируют восприимчивость к многолучевым лучам.

Машинное обучение для многолучевой классификации

Исследовательские группы разрабатывают модели машинного обучения, которые классифицируют наблюдения GNSS как многолучевые или чистые на основе таких функций, как временные ряды C/N0, форма корреляционной функции и высота спутника. Эти модели показывают перспективность для автоматизированного скрининга данных, хотя они требуют данных обучения для конкретного сайта и тщательной проверки. По мере созревания этих инструментов они могут интегрироваться в коммерческие пакеты постобработки.

Фазированные антенны и антенны для управления лучом

Передовые антенные решетки, которые в электронном виде направляют свой приемный шаблон к спутникам и от отражающих поверхностей, представляют собой передний край многолучевого смягчения. Эти системы в настоящее время дороги и в основном используются в научных исследованиях и военных приложениях, но ожидается, что в течение следующего десятилетия затраты на них сократятся, что сделает их доступными для рынков точного обследования.

Интеграция многолучевой осведомленности в рабочие процессы обеспечения качества

Для фирм, занимающихся проведением обследований, которые управляют несколькими проектами, систематический подход к управлению с использованием нескольких путей повышает эффективность и снижает степень переделки. Рассмотрим следующие шаги в рамках КА/КК:

Эти шаги создают документированный след контроля качества, который приносит пользу как внутреннему улучшению процесса, так и уверенности клиентов.

Вывод: Мультипат как управляемый вызов

Спутниковый сигнал мультипата никогда не будет полностью устранен. Физические реалии распространения сигнала в сложных средах гарантируют, что некоторая отраженная энергия достигнет приемника. Однако, обрамление имеет значение: вместо того, чтобы рассматривать мультипат как непредсказуемый источник ошибки, геодезисты могут рассматривать его как известное, измеримое и управляемое количество.

Инструменты и методы, описанные в этой статье— от антенн с кольцевым удушением и узкокорреляторных приемников до сидерической фильтрации и SNR-скрининг— обеспечивают комплексный инструментарий для снижения многолучевых воздействий. Ключ заключается в том, чтобы применять их разумно на основе условий участка, требований к точности проекта и доступного оборудования. Геодезист, который понимает физику многолучевого, может распознавать его симптомы в полевых условиях и знает, какой рычаг смягчения для вытягивания для каждой ситуации будет последовательно производить надежные данные даже в сложных условиях.

По мере развития технологии GNSS, мультипатическое смягчение станет более автоматизированным и более эффективным. Многоконстелляционные приемники, передовая обработка сигналов и контроль качества на основе машинного обучения уже перекладывают бремя с оператора поля на прошивку приемника. Но в обозримом будущем решение геодезиста & #8212; знание того, когда доверять данным и когда исследовать дальше & #8212; остается самым важным инструментом смягчения всех.

Для дальнейшего чтения по теории мультипатов GNSS и смягчению последствий, обратитесь к документации по стандартам производительности GPS , , Технические ресурсы Trimble по точности GNSS и NOAA публикация по мультипатам в GPS-съемке . Эти авторитетные источники обеспечивают дополнительную глубину для геодезистов, стремящихся освоить этот сложный аспект точного позиционирования.