GPS定位技术与误差（精选8篇）
GPS定位技术与误差 篇1
1、GPS的发展与组成
自1974年以来, GPS经历了方案论证、系统论证、生产实验这三个阶段, 到目前为止, 已经发展成为精度高、可靠性强, 应用范围广的全球定位系统。在未来的航空领域, GPS成为首选的定位系统。GPS由空间卫星、地面监控部分和用户设备组成。
空间卫星24颗, 分布在6个轨道面内, 通常可见卫星数目为4颗至11颗不等。卫星的可见数对航空器的放行有一定的影响。因为RIAM预测需要至少5颗可见卫星。卫星的检测与故障排除也需要至少6颗卫星。有足够的卫星数, 才能保证航空器运行期间, 导航精度的可靠性, 减小导航误差。
地面监控部分由1个主控站、3个信息注入站和5个卫星监控站组成。用于监视卫星运行;确保GPS时间系统;跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态;向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。
用户设备是用户得以实现GPS定位的目的, 通常称为GPS接收机。有天线单元和接受单元两部分。航空器是一项高新精尖的科技, 对天线和接收机也提出了更高的要求。接收机天线灵敏度增强, 方向性好, 能够较好的屏蔽外界干扰。接收机处理好选址问题, 减少多路径效应引起的误差。
2、GPS定位原理
卫星的运动收到地球引力、日月引力以及太阳光压的影响, 导致受摄运动, 因此卫星的运动不是简单的圆形, 而是复杂的椭圆。GPS对航空器起到的最大作用就是定位, GPS的定位分为静态定位 (绝对定位) 和动态定位 (相对定位) 。
GPS绝对定位原理是, 以GPS卫星和用户接收机天线之间的观测距离为基准, 根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机天线所对应的位置。可以采用伪距测量和载波相位测量方法测距。G PS相对定位是指用两个接收机分别安置在基线的两个短线, 其位置静止不动, 同步观测4颗以上GPS卫星, 确定基线端点在坐标系中的位置。利用差分技术可以结算出两个测站之间的基线向量。GPS差分定位可以分为位置差分、伪距差分和载波相位差分。
3、GPS的定位误差
国际民航组织ICAO建议以误差圆半径R为定位精度的标准。指以实际位置为中心做一个圆, 圆为包括95%的定位结果, 该圆的半径R就是定位误差的半径。PBN中的包容度应该也是这样计算出来的。
为了精确定位, 必须尽可能的消除误差。GPS测量是通过地面接收机接受G P S卫星发射的信息, 从而定位。所以GPS误差的主要来源于卫星部分、地面接收装置和信号传播。在高精度GPS测量中还要考虑地球的整体运动导致的误差。
3.1 与卫星有关的误差
GPS绝对定位精度受多种因素的影响, 其中之一就是卫星。包括卫星星历误差、卫星钟误差和相对论的影响。
观测卫星的几何位置影响GPS定位精度, 包括, 三维几何精度因子P D O P、时钟精度因子T D O P, 垂向精度因子V D O P (又称高程精度因子) 、平面精度因子H DO P (又称水平精度因子) 、几何精度因子GDOP。根据统计分析, 卫星的几何分布和钟差对定位有很大影响, 几何精度因子越低, 定位精度越高。
卫星星历误差来源于广播星历和实测星历, 是一种起算数据误差。可以通过建立区域性卫星跟踪站和利用轨道松弛法降低。卫星钟误差来源于钟差、频偏和频移产生的误差, 利用接收机之间求一次差进行解决。相对论引起的误差主要在精密定位中考虑。是由于地球转动与卫星转动之间存在速度差造成的。
3.2 信号传播有关的误差
GPS信号经过电离层和对流层传送到接收机, 在传输过程中受电子密度和大气密度分布不同的影响, 产生电离层折射误差和对流层折射误差。同时还会产生多路径效应误差。
电离层中的电子属于弥散性介质, 电磁波在其中传播时的速度与频率的大小有关。根据研究表明, 为了降低电离层折射误差, 可以通过双频观测或电离层改正模型。由于不能精密的模拟电离层的分布, 所得出的一些计算公式只是一种经验估计式, 无法建立严密的数学模型。目前采取的电离层时延改正模型也可消除电离层折射的7 5%。除此之外, 利用两台以上的G P S接收机在基线两端进行同步观测, 并对同步观测值求差, 也可以削弱影响。
GPS信号经过对流层时传播路径发生弯曲, 从而使测量距离产生偏差, 这就是对流层的折射误差。地面气候、大气压力、温度和湿度都会影响对流层折射误差。目前采用霍普菲尔德模型、萨斯塔莫宁模型或勃兰克模型可以减少92%~95%的对流层折射影响。在观测站直接测定气象参数, 用于以上三种误差模型, 并引入对流层影响的附加估计参数, 可以进一步降低误差影响。近距离时, 还可以采用同步观测值求差法。当距离大于100KM时, 对流层折射的影响是限制GPS定位精度提高的重要因素。
多路径效应误差是我们关注最多的误差, 严重影响G P S测量精度。严重时还将引起信号失锁。信号在到达接收机之前可能经过多路反射、干涉, 导致信号相位和光程产生很大变化。为了抑制多路径效应, 首先应该选择合适的观测站。选址位置应该远离大面积的平静水面, 选择吸收微波信号能量较好的灌木草地和其他植被。同时选址位置应远离高大建筑, 也不宜在山坡、山谷和盆地中, 避免反射信号从天线抑制板的上方进入天线, 产生多路径效应。
3.3 与接收机有关的误差
接收机误差包括接收机钟误差、接收机安装误差、天线相位中心位置误差及几何图形强度误差。
接收机采用的振荡器不同 (如石英晶体、恒温晶体) , 接收机钟的误差不同。将每个测站时刻的接收机钟差当做一个独立未知数, 在数据处理中与测站的位置参数一并解决。应注意个观测站时刻接收机钟差是相关的, 将其表示为时间多项式, 并引入平差模型中求解系数。还可以通过卫星求一次差消除接收机的钟差。
接收机在安装过程中, 接收机天线相位中心相对于测站标识中心位置的偏差就是接收机安装误差。可以对这种误差进行GPS变形监测, 采用有强制对中装置的观测蹲进行校正。
4、GPS测量误差应用于GLS
上述与卫星有关的误差、信号传播误差以及接收机的误差都会影响G PS测量结果和定位精度, 产生定位误差。按性质分类, 卫星轨道误差、卫星钟误差、接收机钟差和大气折射误差都属于系统误差。多路径效应及观测误差属于随机误差。
虽然系统误差是GPS测量的主要误差来源, 但都是有规律可依。根据其产生的原因, 采用不同的措施就可以降低或消除。总体来说可以建立相应的系统误差模型, 对观测量进行修正;引入相应的未知参数, 在数据处理中与其他未知参数一起求解;或将不同观测站的同步观测值平差, 消除误差影响。
目前比较难处理的是随机误差系统中的多路径效应。在最新的地基增强系统 (GBAS) 的着陆系统 (GLS) 中, 多路径效应成为限制其发展的主要因素。
参考接收机通常坐落于GBAS参考站或机场边界附近。在参考接收机或用户接收机中, 影响差分GPS的重要误差源是多路径。该类误差较难处理, 不能通过差分处理补偿。为降低多路径误差的影响, 参考接收机的选址就显得极为重要。
目前已经对GPS多路径效应的影响以及如何减少这些影响做了很多研究。并且提出了关于这一主题的大量有益的参考问题。
地面反射是一种潜在的多路径源。这类误差叫做地面反射多路径效应。美国采用多路径抑制天线 (MAL) 对其进行处理。该天线有效降低从地面反射又从上方进入接收机的信号, 显著降低多路径信号的能量, 成功屏蔽相当数量的潜在误差。
虽然MLA能有效减轻地面反射多路径效应, 但是, 为了减小来自其它的多路效应的影响, 参考接收机的位置仍然很重要。因此位置勘测通常是评估潜在的多径源。在进行选址时, 要把参考接收机分散的放置在一定空间, 保证环境多路径的影响不相关。
5、结束语
GPS定位技术在航空航天中发挥极其重要的作用, 确定影响定位精度的各种误差, 可以有效提高定位精度, 确保航空航天的安全运行与发展。在进行航空器运行时, 考虑这些误差的影响, 可以帮助我们建立有效的误差模型, 确定误差的大小, 制定有效工作区。制定合适的航路宽度和保护区域, 保障运行安全性, 提高运行效益。在以后的工作中, 还将进一步对各项误差, 尤其是多路径误差进行研究。
摘要：介绍GPS的基本组成和基本定位原理, 帮助初学者了解GPS。GPS测量中受到多种误差的影响, 本文对影响GPS测量精度的误差进行综合, 并总结目前采用的对应措施。目前航空领域越来越重视GPS的使用, 本文在最后结合当前最先进的GLS系统, 探讨GPS主要误差对GLS系统的影响。
关键词：GPS,定位,误差,GLS
参考文献
[1]陈高平, 邓勇.航空无线电导航原理.国防工业出版社.2008.9.
[2]王惠南.GPS导航原理与应用.科学出版社.2003.2
[3]黎明峰, 冯宝红, 刘三枝.GPS定位技术及其应用.国防工业出版社.2005.12
[4]黄智刚.无线电导航原理与系统.北京航空航天大学出版社.2006.8
[5]GNSS Manual version 5-Rio working version.2001.9
[6]European Air Traffic Management Programme.GBAS Roadmap.2003.2
GPS定位技术与误差 篇2
手持GPS定位在野外地质测量中的误差分析
GPS在工程测量、导航定位等应用中所具有的优越性和方便性,使其应用越来越广泛.在野外地质测量中小巧方便的手持GPS机能够起到辅助定点和导航的重要作用,是新时期实现现代化数字地质调查的基础设备之一.但由于野外地形、树木等多路径环境因素的影响,其测量精度和应用受到限制.针对手持机的`特点,通过实际测点分类统计分析各方面因素对误差产生的影响程度,进而得出修正方案,提高测量精度和实用性.
作 者：周蓓 陶君 ZHOU Bei TAO Wenjun 作者单位：湖北省国土测绘院,湖北,武汉,430000 刊 名：资源环境与工程 英文刊名：RESOURCES ENVIRONMENT & ENGINEERING 年，卷(期)：2009 23(3) 分类号：P228.4 关键词：地质测量 GPS定位 误差分析 地形因素 数字地质调查 GeoSurvey系统
GPS定位技术与误差 篇3
精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)技术由美国喷气推进实验室(JPL)的Zumberge于1997年提出。20世纪90年代末,由于全球GPS跟踪站的数量急剧上升,全球GPS数据处理工作量不断增加,计算时间呈指数上升。为了解决这个问题,作为国际GPS服务组(IGS)的一个数据分析中心,JPL提出了这一方法,用于非核心GPS站的数据处理。该技术的思路非常简单,在GPS定位中,主要的误差来源于三类,即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。如果采用双频接收机,可以利用LC相位组合,消除电离层延时的影响。如果选择地心地固系表示卫星轨道,计算的参考框架同为地心地固系,可以消去观测方程中的地球自转参数[1]。于是,只要给定卫星的轨道和精密钟差,采用精密的观测模型,就能像伪距一样,单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度以及对流层延时参数。
1 对流层延迟
对流层折射影响通常表示为天顶方向的对流层折射量和同高度角相关的投影函数M的乘积,并且对流层延迟的90%是由大气中干燥气体引起的,称为干分量,其余10%是由水汽引起的,称为湿分量。因此,对流层延迟可用天顶方向的干、湿分量延迟及其相应的投影函数表示:
式(1)中:△Ptrop为对流层总延迟;△Pz
常见的确定对流层延迟有Hopfield模型、Saastamonen模型等,由于它们在一般文献中可以查到,这里不再做讨论,而投影函数有Marini(1972)、chao(1972)、Davis(1985)及Niell(1996)等模型。这里讨论目前在精密定位中经常采用的Niell模型。
Niell干分量投影函数为:
式(2)中:ε为高度角,aht=2.35×10-5,bnt=5.49×10-3,cht=1.14×10-3,H为正高。而干分量投影系数aHydro、bHydro、cHydro,对于测站纬度φ,15°≤│φ│≤75°。
利用式(3)进行内插计算,内插系数由表一~三给出。
式(3)中,φi表示表中与φ最接近的纬度,t是年积日,p表示要计算的系数aHydro、bHydro或cHydro,T0为参考年积日,取T0=28,aHydro、bHydro或cHydro的平均值及其波动值如表一所示。
湿分量投影函数为:
其湿分量投影函数awet、bwet、cwet,对于15°≤│φ│≤75°,利用式(7)进行内插计算,内插系数由表二给出。
Niell模型除了考虑纬度因素外[2],还考虑了对流层的季节性变化和高程不同的影响,另外,其不包含气象元素,不会受气象元素观测误差的影响。因此,尽管其没有考虑实测的气象数据,它也能和无线电探空数据计算出的投影模型符合的很好。对流层影响利用模型改正后,干分量部分的改正精度可以达到厘米级,而湿分最部分的残余影响还比较大。因此,在精密单点定位中,必须利用参数估计的方法将对流层影响当作一个参数进行估计。一般比较好的方法有线性分段函数法、随机游走法[3]。
1.2 电离层延迟
所谓的电离层,是指地球上空距地面高度在60~2000km之间的大气层,其影响主要集中在60~1000km,特别是350km附近的区域。电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射,产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时,如同其它电磁波一样,信号的路径发生弯曲,传播速度发生变化。所以用信号的传播时间乘以真空中速度而得到的距离不等于卫星至接收机间的距离,这种偏差叫电离层折射误差[4]。
对于双频接收机来说可通过双频组合来消除电离层影响,L1和L2载波相位测量Φ1和Φ2,可以表示为:
式(9)中,Φ10、Φ20表示L1、L2的真实相位,f1、f2为L1、L2的频率。式(9)可形成如下线性组合:
为消除一阶电离层影响,选择a1和a2,使得:
令a1=1,则。由此对于载波相位测量,可得到消除一阶电离层影响的组合形式:
消除一阶项后,剩余的高阶项影响约为2~4cm[4]。
1.3 卫星星历和钟差
由卫星星历给出的卫星轨道与卫星的实际轨道之差称为卫星星历误差,而由卫星钟频率漂移引起的卫星钟时间与GPS标准时之间的差值称为卫星钟差。在精密单点定位中,确定卫星星历误差和卫星钟差非常重要。为了满足这一需要,IGS及其分析中心开始提供间隔不等的高精度卫星轨道和钟差产品,见表三、表四。
2 其他误差源分析
精密单点定位还有以下11种误差需要进行改正。具有未知参数多、模型复杂、数据预处理困难等三个特点。模型复杂是因为改正模型不仅仅只是上面三个重要的方面,它们分别是:卫星天线相位中心偏差、接收机天线相位中心偏差、地球自转改正、Sagnac效应、相对论效应、海洋负荷潮改正、极潮改正、多路径效应、固体潮改正、相位缠绕误差、引力延迟等。这些模型也都有相应的改正模型措施、方法等[5]。
3 算例分析
利用前面讲述的改正模型,对某市某一GPS连续跟踪站的四天数据进行计算,对结果进行了分析。对没有改正和改正后的精度进行了比较分析,对比图例如图一所示。
图上的红色、黄色、蓝色分别表示E、N和U方向的残差。经过对两幅图的比较:E和N向可以提高2厘米左右,U向的精度几乎可以提高至少17厘米左右。
4 结束语
GPS精密单点定位仅需一台GPS接收机即可获得高精度定位,无需架设地面基准站,不受基线条件限制,作业方法更加灵活,有更广阔的应用前景。本文利用模型对结果进行改正,从实验的结果来看,可以大幅度的提高定位精度,从而可以有效地代替某些控制测量,以减少测量工程的时间和成本。单点定位的进步提高有待于数学方法的引入,不定粗差的探测,并剔除这些粗差可以更进一步的提高定位精度。
参考文献
[1]叶世榕.GPS非差相位精密单点定位理论与实现[D].武汉:武汉大学,2002.
[2]陈义.利用精密星历进行单点定位的数学模型和初步分析[J].测绘学报,2002,31(z1):3l-33.
[3]张小红.动态精度单点定位(PPP)的精度分析[J].全球定位系统,2006,31(1):7-11.
[4]杜向锋,蒋利龙,李霞.GPS静态精密单点定位精度实验分析[J].全球定位系统,2008,33(1):35-38.
GPS定位技术与误差 篇4
关键词：船舶定位,GPS技术,误差,测伪距误差,正确选星,实时差分定位
GPS技术和应用工具在航运体系中有着普遍的应用, 特别在船舶导航和定位方面, GPS技术更是具有效率与精度上的优势, 使船舶航行安全得到了保障。
1 GPS技术产生误差的内外因素
GPS技术产生误差主要分为系统内部因素、外部环境因素和操作者因素三个主要方面。GPS卫星存在星历上的客观误差, 在运行过程中卫星星钟也存在精度上的差异, 同时在GPS技术结构体系中接收机、计算、天线位置也会产生误差, 这些都给GPS技术的应用带来精度上的问题, 产生GPS技术误差。从GPS技术的运作原理上我们可以看到, 在GPS信号传输中存在电离层的延迟和对流层的折射现象, 船舶高速运行, 测量天气过于恶劣都会出现信号的不稳定和延迟, 导致GPS技术误差的产生, 进而影响船舶定位的精度。此外, 在GPS技术应用于船舶定位过程中, 操作者的操作方法、GPS设备的应用技巧不同也会产生各种问题, 使GPS技术出现误差较大的显现, 对船舶定位和航运来讲构成威胁和隐患。
2 船舶定位中GPS技术应用的方式
2.1 船舶绝对定位中GPS技术的应用
船舶绝对定位是利用GPS技术对船舶在WGS-84坐标系的位置进行精确定位, 在GPS技术中需要以4颗GPS卫星作为基础, 这时的GPS测量才具有准确性。进行船舶精确定位时, 只需GPS的接收装置就可以独立进行, 相对其他方式而言, GPS技术在船舶绝对定位中具有组织简便、处理简单、操作简易的特点。但同时也存在信号延迟、星历误差等方面的影响, 进而产生GPS技术应用的误差, 影响船舶绝对定位的精度。
2.2 船舶动态定位中GPS技术的应用
船舶动态定位是船舶定位的常态, 通过动态定位可以了解船舶的位置、方向、速度, 是船舶选择线路, 引导船舶的重要应用基础。由于动态定位中船舶始终处于运动状态, 速度、角度上的不同会产生对GPS技术应用的影响, 如果不控制GPS技术在船舶动态定位上的误差, 很容易形成误差积累, 进而影响对船舶正确方位和速度的了解, 进而失去航线优化的可能, 不但会影响船舶的航运经济性, 而且可能出现航运的安全隐患。
3 GPS技术误差产生的主要原因
3.1 测伪距误差的产生原因
测伪距误差又称等效测距误差。同测其他观测值一样, 在测伪距时, 由于存在着卫星时钟误差、电离层延时、对流层延迟、接收机噪声等这些误差的存在会引起测伪距的误差。
3.2 选星存在问题
卫星在空间分布影响GPS定位精度, GPS在定位时只要选择其中的4颗卫星就可以基本保障测量的精度, 但是当实际卫星数超过4颗时, 如果不进行选星计算, 就难于形成最佳卫星组合, 进而产生误差而影响船舶定位精度。
3.3 差分定位的误差
实时差分定位系统是由基准站、数据链和多用户流动站三部分组成, 如果三部分之间出现联系上的困难或者系统噪声, 则会影响测距信息、伪距、载波相位的误差, 进而出现对船舶定位的精度影响。
4 控制船舶定位GPS技术误差的方法
4.1 测伪距误差的防范
应该在船舶定位中采用C/A码作为GPS伪距测量的主要技术基础, 单点实时定位, 定位精度25m, 这种接收机价格便宜, 应用也广泛。该种接收机在船舶导航定位应用, 并和海图配合使用。而测地型接收机主要用于精密大地测量工作的接收机。这种仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位, 定位精度高, 仪器结构复杂, 价格昂贵, 不适宜在船舶上应用。
4.2 正确选择GPS卫星
由于伪距误差是卫星及大气环境决定的, 用户不能直接改变, 而几何因子是由于用户接收设备与卫星相对位置决定的。通过合理的选择导航卫星, 降低几何因子, 可以达到减小误差、提高精度的目的。
4.3 差分定位误差的防范
采用高精度的RTK技术, 发送给流动站的并不是观测值的改正数, 而是基准站的原始观测值。基准站需要发送给流动站的还包括基准站自身的一些信息, 如基准站的坐标和天线高等。
5 结语
船舶定位是船舶航运过程中重要的环节, 必须在科学导航和精细测量的基础上才能确保船舶定位的精度。在GPS技术应用船舶航运的大背景下, 船舶定位经常利用GPS技术作为快速、精确的保证。由于GPS技术本身受到坐标系、技术原理、实际情况等方面的影响, 出现GPS误差对船舶定位精度的影响。为了更为精确地船舶定位, 更为有效地应用GPS技术, 应该从测伪距误差控制、正确选星、实时差分定位等环节入手, 探寻船舶定位应用GPS技术的要点, 实现对船舶动态和静态更为准确而快捷的定位工作目标。
参考文献
[1]郑行昭, 张建华, 张洪文.北方海区GPS控制网建设的实践与思考[J].测绘与空间地理信息, 2009, (02) .
[2]叶杭, 张冰蔚, 张安洁.基于双GPS接收机的船舶定向系统实现[J].船舶工程, 2009, (02) :78-79.
[3]方红亮, 董远志.船舶GPS定位误差的修正方法[J].中国水运 (下半月) , 2009, (06) :102-103.
[4]章耀亮, 梁高金.GPS卫星导航仪在内河船舶定位的误差及修正[J].珠江水运, 2009, (10) 59-60.
GPS定位技术与误差 篇5
1 电离层延迟理论
1.1 电离层延迟的推导
相折射率np可表示为:
忽略f-3项和f-4项, 若测距码从卫星至接受的传播时间为Δt′, 则从卫星至接收机的几何距离ρ为:
令cΔt′=ρ′, 并将上式中第二项的积分变换为ds=cdt, 于是积分间隔Δt′也将相应的变为信号传播路径s。最后可得:
1.2 影响电子密度及电子含量的因素
1) 总电子含量与地方时的关系。图1是根据夏威夷太阳观测站上的实测资料绘制而成的的VTEC与地方时之间的关系图。
2) VTEC与太阳活动程度的关系。太阳活动强烈的年份和太阳活动平稳年份的电子含量相差4倍。
3 双频伪距改正法和Klobuchar模型
3.1 双频伪距改正法
电离层延迟的双频改正法就是建立在色散效应基础上。GPS卫星采用L1和L2两种载波。
由于他们有相同A值, 经过一系列推导可得到双频改正法公式:
3.2 Klobuchar模型
Klobuchar模型属于经验模型, 由美国J.A.Klobuchar于1987年提出其计算公式如下:
垂直方向的延迟:
式中,
Iz为以秒为单位的垂直延迟;
t为以秒为单位的接收机至卫星连线与电离层交点 (M) 处地方;
A1=5×10-9s为夜间的垂直延迟常数;
A2为白天余弦曲线的幅度。
由广播星历中得an系数求得:
A3为对应于余弦曲线极点的地方时, 一般取为50400s (即14∶00) ;
A4为余弦曲线的周期。
根据广播星历中的βn系数求得:
电离层延迟应用值:
4 结论
GPS定位技术与误差 篇6
1 北斗导航与GPS定位技术概述
北斗导航和GPS定位技术都属于卫星定位技术的范畴,由地球监控设备、用户终端以及卫星网络组成,地球监控设备的主要功能是将采集到的指令传输给卫星系统,同时能够对卫星状态进行监测,并对采集到的数据进行分组处理,卫星网络系统的主要功能是传输并转发信号,用户终端的主要功能是接收卫星系统发来的信号,并对定位报文进行解析,从而计算并确定自身地理位置。下面来简要分析北斗导航系统与GPS导航系统的原理。
1.1 北斗导航系统原理
北斗导航位置定位有着主动性、精准性和有源性的特点,能够全双工传输数据,但其到达区域有限,这就使得其服务范围有着一定的局限性。北斗导航系统架构由3部分组成:1)空间部分:空间部分主要由两颗工作卫星和一颗备用卫星组成,卫星与地球同步运动,轨道高度为36 000km,两颗工作卫星的坐标分别为(80°E,0°)和(140°E,0°),备用卫星的坐标为(110.5°E,0°),空间部分卫星不具备导航电文发射功能,且没有原子钟,其主要功能是进行地面中心站和用户站的双向信号中继传输,覆盖面积为地球面积的42%[1];2)地面中心控制系统:主要由地面中心站、测轨站及数十个地面参考标校站等组成,其中地面中心站配置了电子高程图,主要功能包括卫星定位、测轨以及调控卫星等,对导航定位参量数据进行搜集和校正,能够实现用户位置的精确测定;3)用户终端:用户终端指的是收发器,其带有定向天线,能够接收卫星传来的信号,并发射相关通信请求。
北斗导航系统定位工作过程如下:1)地面控制中心将询问信号发送给空间部分的两颗工作卫星;2)空间部分工作卫星接收到询问信号之后,利用卫星转发器将询问信号转发给服务区用户;3)服务区用户对其中一颗工作卫星的询问信号进行响应,同时将回应信号发送给另一颗工作卫星[2];4)工作卫星接收到响应信号之后,利用卫星转发器将响应信号转发给地面控制中心;5)地面控制中心对接收到的用户响应信号进行解读,明确用户申请服务内容,以数值地图计算为基础,对用户所在地的三维坐标进行计算,之后将相关信息发送给空间部分工作卫星;6)空间部分工作卫星接收到坐标资料或通信内容等信息之后,利用卫星转发器转发给用户,从而实现定位。可以看出,在整个北斗导航系统定位工作过程中,空间部分工作卫星相当于地面控制中心和用户之间通信的中转站。
1.2 GPS导航系统原理
GPS导航系统主要由1个MCS主要控制台、4个地表天线站以及6个监控系统等3部分组成,用户设备是GPS导航系统数据的最终目的地,通过接收机来接受GPS卫星发送的信息,以GPS卫星固定角度获取测量卫星,并跟踪捕获卫星数据,获取导航报文,最后计算出用户设备的定位数据,例如经纬度数据、速率数据等。
当前GPS定位技术方法种类繁多,但原理基本一致,都是以GPS卫星为测量中心点,至少需要4颗卫星,确定为卫星坐标,进行空间距离的后方交会,通过数学建模方法来进行定位[3]。根据GPS卫星的运动状态可以将GPS定位算法分为动态定位算法和静态定位算法两种,根据参考物选取可以分为相对定位算法和单点定位算法两种,一般采用伪距法进行定位计算,此外,载波相位测量以及多普勒定位等方法也可以在GPS定位中应用。
2 北斗导航与GPS定位技术在航海定位中的实验对比
对北斗导航和GPS导航在航海定位中的应用进行对比实验,以AIS船载自动识别系统为基础,获取船舶航行过程中的相关信息或信号,例如海岸基站信息、周围船舶信息等,并将这些信息转发给岸上终端系统[4]。在此过程中,AIS船载自动识别系统会将搜集到的信息传输到北斗导航卫星或GPS导航卫星上,经过卫星的转发到达控制中心。控制中心利用AIS解码、多基站信息融合等技术来处理船舶航行信息,并将其存储到数据库中,监控系统会读取数据库中的船舶信息并将其显示在电子屏幕上,这就能够实现对船舶的定位,并实现对船舶航行的实时、动态监控。
北斗导航系统船舶定位和GPS导航系统船舶定位的精准度对比如表1所示,每隔2s获取以此船舶航行相关数据信息,每隔482m长度设置一条极限,需要注意的是,北斗导航系统船舶定位测试的数据类型与GPS导航系统船舶定位测试的数据类型有着一定的差别,前者测试数据类型为检测相位大小以及B1速率和B2速率伪距,后者测试的数据类型为L1、L2以及C1、P2,截至高度角控制在15°。
由表1可知,北斗导航系统船舶定位的相位精度在4.1mm~5.1mm之间,而观察准确度在0.32m~0.43m之间,这两个精度指标与GPS导航系统船舶定位基本相等。
测试卫星高度角对船舶定位精准度的影响,采集不间断的十组历元分组数据,计算北斗导航系统船舶定位和GPS导航系统船舶定位的准确度结果进行计算,去除不精确结果,得出高度角匹配精度预估值,之后进行平均值的计算。
测试结果表明,对于北斗导航系统船舶定位来说,随着卫星高度角的增加,船舶定位精准度也随之增加,随着卫星高度角的降低,船舶定位精准度也降低,而在GPS导航系统船舶定位中,这种关系依然存在,相较于北斗导航系统来说,GPS导航系统的这种相关度更加稳定,历元有着较好的信号接受能力,能够接收卫星的数量也更多。北斗导航系统船舶定位中的历元MEO卫星数量波动较大,GEO卫星相对稳定,但从准确性方面来看,北斗导航系统船舶定位要更优良一些。
综上所述,在卫星高度角较小的基础上,相较于GPS导航系统船舶定位来说,北斗导航系统船舶定位的精确性更优良。
3结论
综上所述,北斗导航系统能够实现全球范围内的导航和定位,其在航海领域中的应用至关重要,通过对比分析可知,北斗导航系统航海定位精度和准确度更加优良,能够实现定位导航、精密授时以及报文通信等众多功能。北斗导航系统在航海定位中的应用能够有效促进我国航海技术的进一步发展。
摘要：本文从北斗导航与GPS定位技术概述入手,分析了二者的原理,通过对比实验来对比了北斗导航系统船舶定位和GPS导航船舶定位的精度,对比分析可知,作为我国自主研发的导航和定位技术,北斗导航航海定位有着一定的优势,其对于促进航海技术的发展有着积极的意义。
关键词：北斗导航,GPS导航,航海定位,对比
参考文献
[1]王阅兵,游新兆,金红林,等.北斗导航系统与GPS精密单点定位精度的对比分析[J].大地测量与地球动力学,2014(4):110-116.
[2]杨琰.北斗卫星导航系统与GPS全球定位系统简要对比分析[J].无线互联科技,2013(4):114,131.
[3]武英洁.船用北斗/GPS联合导航终端的研究[D].大连:大连海事大学,2010.
GPS定位技术与误差 篇7
随着我国社会经济的快速发展以及全球经济一体化的前进, 再加上科学技术的不断创新, 大大提高了世界范围内信息交换速度, 更加地方便了人们的生活和生产。GPS全球定位系统以其独特的技术优势赢得了广大人士的喜爱, 被广泛应用到了很多领域。尤其是在工程测绘方面, GPS测量技术被大量的使用, 它是保障工程测绘质量的重要技术之一。工程测绘技术关系着我国国防事业的建设以及国民经济的发展, 由此人们越来越重视工程测绘技术的测量精度, 并且加大了对测绘技术规范性和高效性的关注和研究。在工程测绘领域中, 不断地涌现出各种先进的测量设备和测绘技术, 明显提高了测绘精度, 且GPS测量技术以其具备的各种优势特点, 也对工程测绘做出了巨大的贡献, 所以, 研究GPS定位测量技术在工程测绘中的应用, 对我国的工程建设具有很重要的意义。
1 GPS定位测量技术概述
在我国工程测绘行业的发展历程中, 有过几次大规模的技术改革, 其中GPS定位测量技术的应用就是一大革新之一, 并且该技术成为了影响工程测绘的测量技术和工艺技术的重要因素。相对于传统测量技术, GPS技术具备的优点非常多, 例如测量精度高、操作速度快、测量费用低等等, 此外GPS测量技术摒弃了原有的常规测角和测距方法, 扩大了测量范围。在我国的工程测绘行业中, 测量人员通过GPS卫星定位技术构建一个定位网络, 然后经过这个GPS网络就能够将测量的实际数据信息传输给工程测绘管理单位, 而且测量点的距离可以扩展到几万里, 从而确保了测量的精度和连续操作。举例如下:我们利用GPS高差与三角高差技术来进行差值的分析处理, 在GPS网络中抽取对比数据, 一共抽取八条基线, 而且还要测量它们的三角高差。就能够得出在每一段中的GPS高差与三角高差的差值, 分析可知这个差值优越性在规范要求之内, 且GPS高差测量的精度基本上等于四等高线导线的精度。
GPS系统就是我们通常所说的卫星全球定位系统, 该系统以卫星为基础进行无线导航定位, 于1973年最早出现在了美国国防部。GPS系统主要由三大部分组成, 即:地面监控系统、GPS卫星星座以及用户GPS接受设备。随着社会经济的发展, 美国国防部逐渐解除了GPS在民用领域的限制, 而且还研制出了很多高精度的民用GPS系统, 不断地改善着系统的可靠性、安全性和稳定性, 使得GPS系统被大量应用到了工程精密测量、大地精确测量以及运载导航等等诸多领域中。
2 GPS定位测量技术的优势特点
2.1 功能多应用广
GPS全球定位系统在提供坐标位置信息的同时, 还可以提供时间和速度等信息, 由此可知, 该系统可以广泛应用在测量、导航、测速和测时等多方领域。GPS定位系统在不断地发展成熟, 在工程测绘领域, GPS测量技术被应用在工程测量航空摄影测量、大地测量以及海洋测量等方面。在使用全球性的或是全国性的高精度GPS控制网络时, 测量的相邻点距离范围可以扩大到几千或几万公里以上, 大大提高了系统的测量范围。
2.2 定位准确
在利用GPS定位技术进行测量时, 如果使用载波相位法则其精度能够达到1ppm, 使用其它技术则无法获得如此高的精度。GPS定位技术的测量范围精度在50km内时相对定位精度为10-6m, 测量范围精度在100~500km时相对定位精度为10-7m, 测量范围精度到达1000km时相对定位精度为10-9m而在300~1500m的工程定位测量中, 定位的误差不大于1mm, GPS在传递高层建筑物的绝对地面误差不大于5mm。尤其是GPS运用到实时动态定位和实时差分定位方面时, 定位精度甚至可以达到分米级和厘米级, 对于各种工程测量都能满足要求。目前, 数据处理技术和观测技术都在不断进步, 那么GPS技术也会随之提高自身的测量精度, 以便更好的为人民和国家提供可靠、优质的定位服务。
2.3 观测所需时间短
在GPS进行测量时, 如果采用静态定位方法, 则要找一条标准的基线, 按照工程要求的观测精度, 进行测量, 测量时间可在1~3h之内;如果采用快速定位法进行测量, 则测量时间可以缩短到几分钟, 甚至是几秒钟以内。这就看出, 随着GP技术以及软件技术的发展进步, 系统的观测时间明显缩短, 在以前需要花费几个小时的时间才可完成的工作, 现在只需几分钟或是几秒钟就可以观测成功。一般情况下, GPS系统能够在1h之内观测完需要采集的数据, 然后经过GPS接收器接收数据, 再把数据处理过后, 得到一个较精确的定位。随着科学技术的进步, GPS定位系统的软件和硬件设备都得到了更新和换代, 而新出现的监测控制网更加有利于加快观测速度, 提高工作效率。例如:更新升级后的GPS观测系统利用相对静态定位可以快速准确的观测到20km范围内, 而且观测时间仅需16~20min, 如果只是进行静态定位, 那么观测时间更加缩短, 仅需1~2min或是几秒钟。
2.4 易于操作
在GPS测量技术中, 自动化操作水平高, 在实际应用中只需安装所需设备, 就能够进行远程监控, 并且采集的数据准确、全面、可利用性强。例如:系统运用到气象数据采集中, 整个系统的观测设备一直处于高监视运行状态, 与接收器一起自动化为完成观测工作。如果要实现一个观测站内的连续观测, 那么系统还需要采用一些网络通信方式, 把采集的数据传输个数据处理中心, 并进行存储。整个观测和传输过程等, 都是在无人值守化的全自动模式下完成, 真正实现了系统的自动化采集和处理数据。
2.5 全天候工作
目前, 世界上发射到外太空在卫星已经多不胜数, 并且卫星分布均匀, 可以把地球的每个角落覆盖全面, 能够在任何时间观测到任何地方, 实现了工程测绘的全天候工作。GPS系统除了受恶劣性雷雨天气影响外, 其他天气情况下都不会间断工程测绘工作, 缩短了工程测绘的时间。
3 GPS技术在工程测绘中的应用
工程测绘工作对于其准确性和技术性要求很高, 并且其还具有复杂的内容。GPS与传统的测量技术相比, 具有很多的优点如:观测工期短、准确度高、成本低以及技术含量丰富等, 而且使用到的设备简单易操作, 所以, 在工程测绘工作中得到了广泛使用。具体的应用主要表现在以下几个方面:
3.1 GPS定位技术的应用
工程测绘中应用的GPS定位技术的工作原理为:把物理学和几何学的一些基础原理结合在一起, 利用系统空间分布的卫星, 在经由地面接收器对物体进行测量。目前, 在国内外的工程测绘中主要采用了静态相对定位技术和动态相对定位技术, 静态相对定位技术主要是把接收器在地面上进行一定的规范化排列, 还需要一些专业技术人员进行人工的数据采集处理。动态相对定位技术的观测依据是载波相位法, 选取工作点是首要工作, 其次是安装地面接收器, 实现不同角度的观测。
3.2 GPS技术在大地控制网中的应用
近年来, GPS定位系统改变了原有大地控制网络的长钢轨测距和测角的方法, 建立了GPS测量大地控制网。我国于1991年就开始把GPS技术应用到大地的基础控制网上, 其中大地控制点之间的距离很远大多在几千到几万公里之间, 传统的测量设备无法进行高精度的测量工作, 导致了工程测绘消耗的人力多而效率却低的现象。而在城市控制测量网络中, 测量点的距离很小只有几十公里, 使用GPS技术使得控制网络具备了测量精度高、使用范围大而频繁的优点。
3.3 GPS技术在工程监测中应用
工程建设过程中, 经常会由于各种原因而引起建筑物的变形, 我们将其叫做工程变形, 它一般会给我们带来很大的经济损失或人员伤亡。利用GPS技术可以对工程变形的四个主要阶段进行监测, 即为:基准设计的阶段、结构强度设计阶段、观测设计阶段、监测周期设计阶段。
3.4 GPS技术在虚拟现实技术领域的应用
在工程的测绘中, 因为很多外界因素和认为因素的影响, 测绘数据的误差大大增加。使用GPS定位技术之后, 就可以利用交互定位方法把测绘结果形象逼真的表现出来, 以便实施监管整个测绘工作流程。为了保证GPS技术的应用效果, 可以使用计算机等先进设备对测绘工作流程做一个模拟分析, 提早发现测绘中存在的问题并制定相应的解决办法, 明显可以提高测量方案的可行性和安全性, 以确保测量技术的有效发挥。
4 结语
除了以上所述的GPS技术应用之外, 在工程测绘很多方面还有用到, 例如GPS技术在房地产测绘中应用以及在水下工程测绘中应用等等。总结可知, GPS技术在工程测绘中应用, 大大提高了测量的精度和工作效率, 并且给工程测绘提供了可靠的技术保障, 也给我国各项工程的建设带来了很大的便利, 促进了全球信息化的发展趋势。
参考文献
[1]张文朗, 李游.工程测绘中GPS测量技术的应用[J].中国高新技术企业, 2013, 36:33~34.
[2]付骏.工程测绘中GPS定位测量技术的优势与应用[J].江西建材, 2013, 06:312~313.
GPS多路径效应误差及处理技术 篇8
GPS在现代科技领域得到了广泛的应用, 它的主要工作原理是通过地面接收设备接收卫星传送的信号, 进而测定地面点的三维坐标数据。它能广泛应用于全球的一个重要原因在于它的高精度, 它对目标的定位精度达到毫米级别。但其在使用过程中也会产生误差, 为了达到更高的水平, 要对测量误差实施一些改进措施。在GPS相对定位中, 当获取GPS定位数据时, 其主要在于怎样消除和减少GPS信号的传播误差。这些传播误差包括电离层和对流层的时延误差和多路径效应误差。我们可以利用模型改正或双差方法消除或削弱除多路径效应误差以外的传播误差, 但是, 由于多路径效应误差的随机性, 我们不能基于采集的观察数据来建模, 因此消除或者削弱多路径效应误差是比较困难的。
1 多路径效应误差
1.1 多路径效应误差概念
GPS信号接收机所测得的站点距离应该是GPS信号接收天线相位中心至GPS卫星发射天线相位中心的距离。接收的GPS信号理论上应该是GPS信号接收天线相位中心直接到达GPS信号接收天线相位中心, 称为直接波。GPS接收天线除了接收直接波以外, 还接收间接波, 包括星体反射波、介质散射波等。GPS信号接收机所接收的GPS信号是由直接波和间接波所合成的信号。通常认为的“多路径误差”其实是所测的站点距离误差, 由间接波对直接波的破坏干涉而引起的。由这种破坏干涉所引起的时延效应叫作“多路径误差效应”。
1.2 多路径效应误差特性
多路径效应误差主要有以下几个特征:1多路径效应误差包括随机部分和周期性部分, 随机部分在观测时间段内一直存在, 它决于天线周围的具体环境, 属于系统误差, 无法削弱和消除。2GPS接收机中的相关器特性和跟踪锁定环特性能够决定多路径效应造成的误差量级。3在静态测量中, 也就是测量点位坐标时, 情况良好时, 多路径效应误差对伪距观测造成的影响约为1.3 m, 在反射很强的环境情况下大概为4~5 m;情况严重时可能引起信号失锁。4多路径效应误差的大小也与卫星的仰角有关, 其影响与卫星仰角成反比, 多路径效应误差的影响随仰角的减小而增大。
由于这些特征的存在, 我们在研究多路径效应误差时, 就应该综合考虑这些因素的影响。
2 GPS“多路径效应误差”的处理技术
GPS“多路径效应误差”的处理技术由于天线和接收器硬件技术的提高得到了很大的改进。目前降低“多路径效应误差”的技术大致可以分为空间处理技术、数据后处理技术和接收机改进技术三种。
2.1 空间处理技术的应用
2.1.1 选择合适的天线站址
多路径效应误差的产生原因主要有两方面:1卫星信号的方向和反射系数;2反射物与接收站之间的距离关系。天线接收方面的处理技术主要是通过某种技术手段将原始信号和反射信号分离, 以达到削弱多路径效应误差的目的。
2.1.2 天线加装抑径盘和扼流圈
所谓“抑径盘”, 指的是在天线底部加装一个扁平圆盘, 它的半径可以通过r=h/sin Z计算。
2.1.3 定向天线阵列
使用天线阵列是空间处理技术中用来降低多路径效应误差的一个更好的方法, 使用天线阵列有两个主要的作用:1可以在原始信号路径的传输方向上建立一个高度定向的空间相应模式;2可以减少次级传输信号的通过。
2.2 数据后处理技术的应用
现在的GPS在天线和接收器的硬件方面得到了很大的提高。与此同时, 数据后处理技术的配合使用也大大增加了GPS数据的精度。所谓“数据后处理技术”, 是从原始的观测技术或定位结果数据中提取多路径效应误差的影响。近年来出现了多种数据后处理技术, 主要有以下几种。
2.2.1 信噪比技术
我们可以通过多路径效应的周日重复性和其对周边观测环境的依赖性预判出多路径效应误差的存在, 主要在特定卫星、特定时间段上的判断。当多路径效应误差发生改变时, 信噪比会相应降低, 根据观测值的信噪比降低受多路径效应误差影响的观测值的比例, 从而削弱多路径效应误差。
2.2.2 扩展卡尔曼滤波技术
根据小范围多天线系统中多路径对各天线之间伪距测量值的相互影响, 可得到削弱多路径效应误差的方法, 其主要过程为通过使用扩展卡尔曼滤波技术来获取多路径信号的各种参数, 然后在接收信号中消除多路径信号。
在GPS定位测量中, 多路径效应误差是影响数据精度的一个重要因素。而本文介绍的误差处理技术对降低多路径效应误差效应有很大效果。虽然以上几种多路径效应误差的处理技术有助于降低多路径效应误差, 但它们仍存在一些问题。空间处理方法在误差处理方面有一定的效果, 但其成本比较高, 而且可行性比较低;接收器改进技术可以比较出色地解决多路径效应误差, 但是这项技术比较高端, 很难普及。
3 结束语
本文主要对多路径效应误差的原理以及如何削弱或消除多路径效应误差进行了介绍。在以后的GPS使用中, 多路径效应误差的研究是热点问题, 在工程实践中, 即使延长其观测时间也不能完全消减多路径效应误差对精度的影响。在实际观测中, 特别是在进行高精度导航测量中, 必须要降低多路径效应误差带来的影响。
参考文献