峡谷穿越和城市行进时GPS信号漂移问题的另类分析 - 导航户外装备知识


2014-05-10 10:38:16  钓鱼人网作者:  来源:户外装备  评论:0  发表评论

  GPS的信号漂移是常见问题,在GPS定位过程中,存在三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所共有的,例如:卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等;第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差;第三部分为各用户接收机所固有的误差,例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术第一部分误差可完全消除,第二部分误差大部分可以消除,这和基准接收机至用户接收机的距离有关。第三部分误差则无法消除,只能靠提高GPS接收机本身的技术指标。

  大家平时使用GPS定位时发现位置漂移,可能更多归结为仪器质量,定位精度不准等方面。

  开始我也抱着这种观念以平常心对待这种误差,但是一些奇怪的现象让我对此发生了怀疑。由于平时进山穿越时,经常走峡谷路线,在平原和山顶时所接收到的数据与峡谷接收到的数据转到Googleearth比较发现,平原和山顶与地图上位置较为一致,峡谷定位数据常常发生较大的漂移,有时在同一个位置,几次开关机后发现其数据也在较大的变化。如图1所示当时从33号点直线下降,但获得的轨迹图却非常杂乱,因此这种漂移不能简单归结为仪器质量,定位精度不准。

 

  我们简单了解一下定位原理:

  卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历,注入卫星,且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历,就可确知卫星的准确位置。

  GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟,并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息,同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息,使与自身的时钟同步,就可获得准确的时间。所以,GPS接收机除了能准确定位之外,还可产生精确的时间信息。

  由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。

  从GPS使用原理可以知道,手持机本身并不发射信号,它仅仅接收卫星发射数据进行运算后解决定位问题。但是如果在峡谷中,常常面临的是搜星的数目量少,实际使用过程中,一般情况三颗星基本可以初步定位,如图2所示。由此可确定横向坐标、纵向坐标及高度。

 

  但是在峡谷中,周围有高山阻挡,因此直接捕获的可能仅仅是头顶上的一颗星或两颗星。如果把GPS接收机方位调整一下,常常能接受到三颗星甚至四颗星,这时接收到的部分信号往往是卫星发射的反射信号。如图1所示,图中34号点应该在红星位置,却向右漂移了很多,同时从这张google earth地形图可以看到,周围存在着较多的反射面,从而产生如此误差。

  我们简单如图3所示,3号星被高山阻挡,红线为没有阻挡时的直射线,这时被高山所阻,GPS信号接收不到,此时3号星经过山体反射回来的信号出现在GPS接收机中。根据运算公式,接收机根据其得到1、2、3号星的距离测定自身的位置。我们设想如果没有3号星,运算结果:1、2号星反映的位置仅能定位在一条弧上,如图中桔线所示。而接收到3号星的反射信号在接收机中形成一个错误距离长度,图中蓝色折线的长度。若以这个长度为半径(绿线所示),3号星为圆心,我们可以画出一个球体,这个球体(黄线所示)与桔线相交就是接收机判断出的位置(红星位置),当然这个位置是存在误差的。

 

   可能还存在如下情况,就是有三颗星接收到的是直射信号,第四颗星接收的是反射信号。分析GPS可能在编程时根据信号的一些特征进行了辨识,如图4所示。左边三个高低不同的黑框,为可用信号,并获得进行运算。右边的白框为存在信号,但无法进行运算的信息。因此当信号较强时,这种反射信号是不会用来运算的。

 

  另外在城市中,由于高楼为垂直拔高,较少存在反射面,因此这种漂移的可能性较少,但是如果信号微弱地区周围有斜面反射也可能出现这种漂移。

  以上仅为设想性分析,没有经过实验论证。若有不足敬请谅解。


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