从自主机器控制和大地测量到基础设施形变监测和永久参考站网络，现代定位系统如今已能达到厘米级甚至毫米级的精度。然而，即使是最先进的全球导航卫星系统（GNSS）接收机，仍然面临着一个长期存在的挑战：多径干扰。
与卫星可见性差时信号阻塞显而易见不同，多径误差通常更难识别，因为接收机仍在跟踪乍看之下有效的信号。在高精度定位环境中，这些反射信号会悄无声息地降低测量质量，并引入定位误差，从而直接影响运行性能。
【内部链接机会：为什么GNSS精度比以往任何时候都更加重要】
GNSS多径误差的挑战
全球导航卫星系统（GNSS）定位的工作原理是计算从绕地球运行的卫星发射的射频信号的传播时间。接收器通过测量信号到达所需的时间，并同时计算到多个卫星的距离来确定自身位置。当接收器不仅跟踪来自卫星的直接信号，还跟踪从附近表面反射的延迟信号时，就会发生多径干扰。
尽管这些延迟看起来极其微小，通常以纳秒级衡量，但即使是微小的计时误差也会显著影响定位精度。在测量工程师需要厘米级精度的应用中，微小的信号延迟很快就会演变成严重的运行问题。
多路径如何影响定位数据
每个全球导航卫星系统（GNSS）接收机都能以极高的精度持续测量信号到达时间。当卫星信号通过畅通无阻的路径直接到达接收机时，距离计算的精度非常高。但当反射信号经过更长的物理路径，从周围物体到达接收机时，就会出现问题，因为反射信号会在几毫秒后到达接收机。
接收器可能会将这些延迟信号误判为合法的卫星传输信号，导致距离计算不准确。由于全球导航卫星系统（GNSS）定位依赖于同时结合多颗卫星的测量数据，因此即使只有一个信号受损，也会影响最终的定位结果。
多径干扰对两种主要的GNSS测量类型的影响不同：码测量和载波相位测量。
第一种方法是伪距测量，也称为码距测量。伪距测量对反射信号非常敏感，当信号反射严重时，误差可能从几米到更大的偏差不等。
第二种方法是载波相位测量，它用于实时动态定位（RTK）等高精度定位方法。与码测量相比，载波相位测量精度更高，且通常对多径效应的抵抗力更强。然而，在严重的多径条件下，反射信号仍然会引入相位畸变，从而降低RTK初始化性能，增加模糊度解算时间，并降低整体定位稳定性。
常见原因：GNSS 多径误差发生在哪些区域？
多径干扰本质上是一个环境问题。
人为环境
当周围物体能够反射电磁波时，信号失真的可能性就会增加。最常见的例子之一发生在人口密集的城市环境中。工程师通常将这种现象称为“城市峡谷效应”，即高楼大厦形成狭窄的通道，阻碍卫星信号的传播。
其他状态包括城市中的玻璃幕墙和钢结构构件，以及建筑工地的临时机械、起重机和金属脚手架。
自然环境
茂密的树冠，尤其是阔叶植被，会将接收到的GNSS信号散射到多个方向，使其在到达天线之前就发生散射。由于反射信号与茂密植被下减弱的直达信号叠加，森林测绘作业经常会遇到信号质量下降的问题。
水体也会形成强烈的反射面。平静的湖泊、水库、潮湿的地面，甚至积雪覆盖的地形都能将卫星信号向上反射到接收器，即使附近没有建筑物，也会造成测量失真。
天线放置位置不当会加剧多径效应
在许多情况下，选址本身就成为抵御多径干扰的第一道防线。即使是高度精密的测量级接收机，当天线安装得离反射面太近时也会受到影响。接收机只能处理接收到的信号环境。如果反射信号在周围环境中占据主导地位，定位性能必然会下降。
- 一个常见的错误是将天线安装在金属围栏或通信塔附近。大型金属结构会反射强烈的电磁信号，很容易干扰卫星信号的直接接收。
- 屋顶安装也面临挑战。即使卫星信号看似良好，安装在暖通空调系统、空调机组、金属通风系统或反光屋顶表面附近的测量设备也常常会出现意想不到的定位不稳定现象。
- 附近的墙壁也会造成类似的问题。靠近天线的平坦混凝土结构会产生延迟反射，持续扭曲接收信号。
- 临时施工环境引入了另一层复杂性。移动机械、钢制集装箱、起重机、发电机和其他临时结构不断改变周围的反射环境，使得信号状况极难预测。
正确的安装方法包括选择开阔的地点，尽可能远离反射面，尽量减少附近的障碍物，并在部署系统之前仔细评估周围环境。
软件缓解措施与硬件必要性
现代GNSS接收机技术显著提高了减少多径相关定位误差的能力。
- 先进的接收机现在可以同时跟踪多个卫星星座，包括GPS、GLONASS、伽利略和北斗。接入更多卫星使得定位算法能够比较更多观测数据，并降低对可能受损信号的依赖。
- 双频和多频处理也提高了系统的抗干扰能力。不同频率下传输的信号与环境干扰的相互作用方式不同，这使得接收器能够比较信号特性，从而提高测量置信度。
- 许多现代系统还采用信噪比滤波。在位置计算过程中，信号强度异常弱或噪声特征异常的信号可以被自动降低优先级。
- 高级 RTK 引擎进一步分析载波相位一致性，过滤掉不符合预期质量阈值的测量结果。
这些基于软件的缓解策略显著提高了在复杂环境下的定位性能。
【内部链接机会：提高GNSS信号精度的综合指南】
然而，基于软件的滤波存在一个不可避免的局限性。算法可以在信号进入系统后剔除损坏的数据，但软件无法从物理层面阻止反射信号到达天线本身。一旦天线端出现信号污染，接收机软件就只能处理不完美的输入数据。这在多径效应严重的环境中造成了根本性的局限性，因为在这种环境中，反射信号会持续淹没干净的卫星信号。
硬件解决方案：扼流环天线的作用
当全球导航卫星系统（GNSS）部署在无法完全避免多径干扰的环境中时，硬件设计变得愈发重要。而扼流环天线正是在此发挥着关键作用。
与主要关注信号接收灵敏度的标准 GNSS 天线不同，扼流环天线经过精心设计，可以在低角度反射信号到达天线元件之前将其减少。
它们独特的物理设计包含多个围绕中央接收元件的同心导电环。这些经过精密设计的环起到被动电磁屏障的作用。来自上方的直接卫星信号可以正常穿过这些环，并以最小的干扰到达接收元件。
反射信号的特性有所不同。由于多径信号通常以低仰角、接近地平线的角度到达天线，同心环状结构能够有效地捕获并耗散这些反射波，防止它们干扰信号处理。这使得接收机能够在更为纯净的信号环境中工作。
与接收后试图去除损坏数据的软件滤波不同，扼流环天线从源头上减少信号污染。正因如此，扼流环天线仍然广泛应用于永久参考站基础设施、大地测量监测系统、科学观测网络以及其他对信号完整性要求极高的关键定位应用中。
像 Harxon 这样的制造商不断开发专门的 GNSS 天线解决方案，这些解决方案旨在用于多径抑制直接影响定位可靠性的环境。
【内部链接机会：了解GNSS扼流环天线】
关于GNSS多径误差的常见问题
什么原因会导致GNSS多径干扰？
多径效应是指卫星信号在到达接收天线之前，从周围表面（如建筑物、金属结构、水体或植被）反射回来的现象。
RTK 能完全消除多径误差吗？
不。RTK 可以显著提高定位精度，但严重的多径干扰仍然会降低载波相位测量精度并降低解算稳定性。
软件能否彻底消除多路径错误？
软件可以过滤掉可疑或低质量的测量结果，但无法从物理上阻止反射信号到达天线。
为什么扼流环天线在多径环境下有效？
它们的同心环结构可以抑制低仰角反射信号到达接收器之前，从而在硬件层面提高信号纯度。
GNSS多径问题最常出现在哪些地方？
多径效应经常发生在城市环境、建筑工地、金属结构附近、树冠下、水面周围以及反射性屋顶上。
结论
多径干扰仍然是高精度GNSS定位中最棘手的挑战之一。解决这个问题需要采用分层方法，而不是依赖单一解决方案。
合理的天线布置可降低环境反射风险，先进的接收机软件有助于识别可疑测量值，而多频信号处理则可提高测量置信度。通过将严谨的安装规范与先进的接收机技术和专用硬件（例如扼流环天线）相结合，专业人员可以显著提高定位稳定性，并保持高要求测量、监测和参考站应用所需的可靠、高精度GNSS性能。
