关于衍射对GNSS载波相位测量影响的学术研究报告
本研究由瑞典查尔姆斯理工大学的Uttama Dutta、Jan Johansson和Rüdiger Haas以及瑞典国家研究院（RISE）的Uttama Dutta和Jan Johansson共同完成。研究成果以题为《Investigating the Impact of Diffraction on GNSS Carrier Phase Measurements》的论文形式，发表在《Journal of Geodesy》期刊，于2026年正式在线发表。
一、 研究学术背景 本研究隶属于大地测量学与卫星导航领域，核心关注高精度全球导航卫星系统（GNSS）中的误差源。现代高精度GNSS应用，如精密单点定位（Precise Point Positioning, PPP）和实时动态（Real-Time Kinematic, RTK）定位，依赖载波相位测量以实现厘米甚至亚厘米级精度。虽然标准的后处理技术可以有效消除或削弱卫星轨道、钟差和大气延迟等主要误差，但由接收机天线本地环境引起的局部效应，如多路径和衍射，仍是重大挑战。其中，信号衍射作为一种重要但常常未被建模的误差源，其影响尚未得到充分研究和理解。
衍射发生在卫星信号被障碍物（如建筑物边缘、墙壁）阻挡时，信号波前发生弯曲，使得在直接视线（Line-of-Sight, LOS）被遮挡的区域仍能接收到信号。这种弯曲的、非视距（Non-Line-of-Sight, NLOS）的信号会引入额外的路径延迟。与多路径干扰不同，衍射引入的是一种缓慢变化的、系统性的偏差。这种偏差具有确定性和结构性，意味着无法通过简单的数据平均来消除，而必须通过物理或经验模型进行建模。在精密GNSS应用中，这种未被校正的偏差会显著降低定位精度，特别是在城市峡谷、矿区或存在大型金属结构的工程机械等复杂环境中。尽管已有部分研究探讨了城市环境下的信号衰减模型，但专门针对衍射效应、并将其与多路径等其他局部效应区分开来的实证研究仍然缺乏。因此，本研究旨在系统性地调查和量化衍射对GNSS载波相位测量的具体影响，填补当前研究空白。
二、 详细研究流程 本研究采用了一种多管齐下的方法，结合理论建模、仿真分析和真实数据验证，工作流程严谨且环环相扣。
流程一：理论建模与仿真准备 首先，研究建立了衍射效应的理论基础。主要使用刀口衍射模型（Knife Edge Diffraction, KED）来模拟信号在障碍物边缘的弯曲行为。该模型基于菲涅尔-基尔霍夫衍射理论，通过计算菲涅尔-基尔霍夫衍射参数ν，可以估算出由衍射引起的信号功率损失（以dB为单位）和额外的路径延迟。研究推导了在典型GNSS天线环境下（如图1所示，包含墙壁高度v、天线到墙的水平距离d、卫星高度角θ₀等几何参数），计算路径差和衍射损失的公式。基于此模型，研究预先计算了在不同几何配置下（不同d和θ₀）的预期路径延迟（如表1所示），范围从毫米到分米级，为后续结果分析提供了理论参照。 其次，为了在受控条件下理解衍射的特征，研究进行了仿真实验。选取了瑞典ONSALA空间观测站的两个并址（相距约59米）的IGS站ONSA和ONS1作为基线。研究团队预先使用GipsyX软件通过PPP技术（采用20°高度截止角以避免低高度角信号干扰）精确测定了这两个站的坐标作为已知值。然后，在ONSA站周围模拟了一堵墙（位于方位角180°-270°，水平距离d=1米，墙顶高出天线0.85米）。利用已开发的衍射模型，计算了所有受此模拟墙影响的GPS和伽利略卫星（即出现在180°-270°方位且高度角低于40.36°的卫星）的额外路径延迟，并将这些延迟值直接添加到ONSA站的原始RINEX观测文件的相应载波相位观测值中，从而生成了包含模拟衍射效应的“修改后”的ONSA数据。同时，保留了原始的ONSA和ONS1数据用于对比。
流程二：基于仿真数据的效应验证 此流程旨在验证分析方法能否有效捕捉衍射特征，并为真实数据分析建立参考基准。 1. 双差残差分析：使用伯尔尼GNSS软件（Bernese GNSS Software, BSW）对ONSA-ONS1基线进行单频（L1C）双差（Double-Difference）处理。处理策略的关键在于：固定站坐标（使用流程一中测定的精确坐标）、不估计大气参数，仅估计相位模糊度。这种约束性模型旨在防止局部未建模误差（如衍射）被其他参数（如坐标或大气延迟）吸收，从而使衍射效应尽可能清晰地保留在载波相位残差中。研究分别处理了“修改后ONSA数据 + 原始ONS1数据”以及“原始ONSA数据 + 原始ONS1数据”两种情况。通过对比两者的双差残差图（图4a与图4b），可以清晰地识别出由模拟衍射引入的异常残差模式。 2. PPP定位影响分析：使用GipsyX软件，分别对原始ONSA数据和修改后（含模拟衍射）的ONSA数据进行双频PPP解算（采用3°低高度截止角以包含更多受衍射影响的卫星），生成时间分辨率为5分钟的位置序列。通过比较两者相对于平均位置估计的偏移量及其均方根误差（Root-Mean-Square, RMS），量化衍射对PPP定位精度的影响。
流程三：真实环境下的实证研究 在仿真研究验证方法有效性的基础上，研究转向更具挑战性的真实环境。在瑞典Borås的一栋建筑屋顶上，布设了两个相同的Septentrio Polarx5接收机和Leica AR20天线，构成POS1-POS2基线（长约50米）。其中，POS1天线附近存在一个金属墙（图6c），是产生衍射的理想环境。研究同样预先使用BSW软件通过PPP（20°截止角）确定了POS1和POS2的精确坐标。 1. 真实数据的双差残差分析：采用与流程二（仿真数据）完全相同的BSW处理策略（单频、双差、固定坐标、不估大气），对长达40天的POS1-POS2基线真实数据进行分析。生成的双差残差图（图8，图9）按方位角和高度角展示，用于识别与理论衍射区域相符的异常残差模式。 2. 真实数据的PPP定位影响分析：使用GipsyX软件对POS1站的观测数据进行双频PPP解算（3°截止角），获得其位置时间序列，分析其波动和RMS值，评估真实衍射对实际定位的影响。 3. 信噪比分析：研究分析了受衍射影响的GPS卫星的L1C信号信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。首先，基于高高度角（39°-55°）的“开阔天空”数据建立了SNR随高度角变化的经验模型（图11）。然后，利用KED模型计算特定几何下（基于POS1环境实测的d, v等参数）的预期衍射损失，并将其叠加到“开阔天空”SNR模型上，得到“模型预测SNR”。最后，将“模型预测SNR”与“实测SNR”进行对比（图12），验证信号衰减是否符合衍射理论。 4. 基于激光扫描的几何验证：为了提供确凿的几何证据，研究使用激光雷达（LiDAR）精确扫描了POS1天线及其周围环境（包括金属墙），生成了三维点云（图14）。选取一个特定卫星（如GPS G05）在特定时刻（当其方位角使信号被墙阻挡时），利用激光扫描获得的精确几何数据，计算了信号如果从墙顶衍射点到达天线所经历的额外路径长度，并将该计算结果与理论模型预测值以及从双差残差图中观察到的异常值进行交叉验证。
三、 主要研究结果 结果1：仿真研究明确揭示了衍射的特征和影响。 在ONSA-ONS1基线的双差残差分析中，使用修改后数据得到的残差图（图4a）在模拟墙对应的方位和高度角区域（黑色方框内）出现了显著的残差异常，最大值可达数分米，这与表1中的理论预测范围一致。而使用原始数据的残差图（图4b）在该区域则相对干净。这直接证明了所采用的分析方法能够有效分离和显示衍射效应。PPP定位结果（图5）显示，引入模拟衍射后，ONSA站位置估计在水平和高程方向均出现了剧烈的、瞬时性的跳跃误差，误差可达分米级。其位置序列的RMS值（表3）在东西、北向和高程方向分别恶化了约2.7倍、2.1倍和1.9倍，表明衍射可导致定位精度严重下降。
结果2：真实数据证实了衍射效应的存在及其对定位的负面影响。 对POS1-POS2基线的双差残差分析（图8，图9）显示，在金属墙存在的方位角范围（约300°附近）及其下方（即理论上应被墙遮挡的“阴影区”），出现了持续且可重复的系统性残差异常，残差幅值可达约10厘米。这些异常信号出现在本应无信号的区域，强有力地证明了存在信号弯曲（即衍射）现象。PPP处理结果（图10）表明，POS1站在采用低高度角截止（3°）时，其位置估计时间序列出现了明显的、偶发的厘米级甚至分米级偏差，与仿真结果预测的“短时剧烈跳变”特征相符。
结果3：SNR分析将信号衰减与衍射物理模型直接关联。 图12显示，对于多个GPS卫星，当卫星轨迹进入墙的“阴影区”时，实测SNR值出现显著下降。更重要的是，将基于KED衍射模型预测的SNR（即“开阔天空模型”减去“衍射损失”）与实测SNR进行对比，两者吻合度很高（最大残差约7 dB-Hz）。这证明观测到的信号强度下降主要可用衍射理论解释，而非其他随机干扰或多路径。图13进一步显示，较弱的L2频率信号（S2W）在遇到障碍时SNR下降更为剧烈（可达15-20 dB），体现了衍射对不同频率信号影响的差异性。
结果4：激光雷达扫描提供了无可辩驳的几何证据。 通过对POS1环境的高精度激光扫描（图14），研究团队精确测量了天线到墙的距离、墙的高度等关键几何参数。以GPS G05卫星为例，计算了其信号从卫星到墙顶衍射点再到天线的总路径长度，并与直接视距路径长度进行比较（表5）。计算得出的额外路径延迟约为0.037米（3.7厘米）。这一数值与根据实测几何参数通过理论模型（表1）预测的厘米级延迟相符，同时也与双差残差图中在该方位和高度角附近观测到的残差异常幅度（图15）相吻合。这构成了一个完整的证据链，确凿地证明了POS1天线在特定方向接收到的信号是通过墙顶衍射而来。
四、 研究结论与意义 本研究得出核心结论：GNSS载波相位和SNR测量明显受到来自墙壁等障碍物的衍射影响，即使卫星已无直接视线。衍射引入的是一种缓慢变化的、系统性偏差，会降低高精度定位的准确性。这种误差是确定性和结构性的，无法通过平均消除，必须进行物理或经验建模。
其科学价值与应用意义在于： 1. 对高精度大地测量的警示：研究表明，即使是一个距离天线仅1.95米的墙壁（这种配置在建筑屋顶的IGS站或其他大地测量应用中可能常见），也能引入厘米级的系统性偏差。这种偏差若未被模型化，在长期数据处理中可能被吸收到其他参数（如对流层延迟、坐标速度场）中，从而污染国际地球参考框架（ITRF）的解算，影响地壳形变、海平面上升等长期地球科学研究的准确性。 2. 对实时精密导航应用的挑战：在RTK、网络RTK或机器引导等实时应用中，用户依赖每秒更新的GNSS数据。周围的物体（包括机器自身结构）经常引起衍射。本研究显示，衍射效应虽然短暂，但可引起坐标瞬间跳变达数厘米甚至分米。在RTK设置中，参考站受衍射影响可能导致流动站产生更大的估计误差，严重限制实时应用所能达到的测量不确定度。 3. 方法论贡献：研究证明了采用单频、双差、固定坐标的网络处理策略，是分析和隔离衍射对载波相位影响的有效方法。该方法避免了PPP中双频组合引入的不确定性，也避免了网络平差中过多参数对误差特征的吸收。 4. 对误差建模的推动：研究明确区分了衍射与多路径效应，并通过SNR建模和激光雷达几何验证，将观测异常牢固地锚定在衍射的物理原理上。这为未来开发更精细的、基于波动传播物理的衍射校正模型奠定了基础。
五、 研究亮点 1. 多证据链交叉验证：本研究并非依赖单一指标，而是通过双差载波相位残差、PPP定位结果、SNR测量以及高精度激光雷达几何测量这四条独立的证据线，相互印证，共同确证了衍射效应的存在、特征和影响，论证极为坚实。 2. 仿真与实证紧密结合：先通过可控的仿真实验建立方法并揭示“预期特征”，再应用于复杂的真实环境数据进行分析和比对，使研究结论既有理论基础，又有现实依据。 3. 明确了衍射与多路径的差异：通过SNR的物理模型拟合和特定几何下的唯一路径分析，有效论证了所观测到的异常主要是衍射而非多路径导致，深化了对不同局部误差源的认识。 4. 揭示了衍射误差的严重性：研究定量表明，在非最小衍射效应下，位置估计的散射范围可能扩大两倍甚至更多，这为高精度GNSS用户和数据处理者敲响了警钟。 5. 提出了与既往研究不同的见解：研究结果间接对之前的一些研究结论（如Xi等人2025年提出的垂直衍射误差随距离增大而增大、高仰角卫星误差更大的观点）提出了不同看法，认为更近的障碍物通常威胁更大，低仰角信号更易受衍射影响，这引发了学术对话，指出了基于波动物理进行建模的必要性。
六、 其他有价值内容 研究在附录中通过计算三差（Triple-Difference）并分析其恒星日重复性，验证了所选POS1-POS2基线（使用相同型号设备）的观测质量很高，本地未建模效应（如衍射、多路径）是残差中的主要相关成分，而随机接收机噪声影响较小。这确保了使用该基线来提取衍射特征是可靠和有效的。这为其他研究者选择和分析类似数据提供了方法论参考。
这项研究是一项系统、深入且证据充分的实证工作，它显著提升了学术界和工程界对GNSS信号衍射这一隐性误差源的认识，对推动高精度卫星导航技术的理论发展和实际应用具有重要意义。