主题GPS工作原理……1 
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 时间06-02-22 20:22:18
 

GPS是英文 Global Positioning System 的缩写,即为中文的“全球卫星定位系统”。GPS系统是美国政府在继阿波罗登月计划、航天飞机计划之后的第三项重点空间计划。从1973年至1994年的20年间,耗巨资120亿美元,共发射了24颗定位卫星,建立了完整的控制系统。该系统是一套能够实时、全天候、为全球范围内的陆地海上、空中的各类用户目标提供连续实时的三维定位、三维速度及精确时间信息的系统。

随着GPS应用领域的不断扩大和深入,它的技术随之被全世界各行各业所接受。GPS技术以其特有的延伸力和渗透力进入人类经济发展的各个领域,呈现出飞速发展、日益成熟的新局面。目前,GPS技术已发展成为多领域(如陆地、海洋、航空、航天等)、多模式(普通GPS、差分GPS、广域差分GPS等)、多用途(在途导航、精密定位、精确定时、大地测量、城市规划、交通管制、跟踪监测、指挥调度、工程建设等)、多机型(车载式、手持式、船载式、测量型、定时型等)的高新技术国际性产业。由此为公安、保险、保安、测量、规划等行业带来了新的活力,也产生了一批与GPS技术有关的新行业。据美国GPS产业协会(USGIC)的市场调查,1993年全球GPS接收机销售额中,军事应用只占5.8%,预计到2000年,GPS全球的销售额将达到84.7亿美元,其中军事应用只能占1.5%。美国出于经济利益及各方面的考虑,已经确立GPS技术军民共用、世界共享的政策,GPS技术已成为一种长期稳定、技术先进的可利用资源。

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GPS如何工作?--五个简单的步骤

GPS的基本原理实际上非常简单--尽管系统本身运用了一些已开发出的最高科技的设备。为理解它,我们将系统分为五个概念块,一次一步来分析这些块。我们将“大”的思想开始,忽略一些细节,之后我们再将好的观点添进去。



GPS的五步:

1. 由卫星进行三角测量是系统的基础。

2. 为进行三角测量,GPS通过无线电信息的传送时间来测量距离。

3. 为测传送时间,GPS需要有非常准确的时钟。

4. 一旦你知道到一颗卫星的距离,你就需要知道这颗卫星在太空中的位置。由于GPS信号穿过电离层和地球大气层,它将被延迟。



第一步: 基本想法--卫星分布

GPS是基于卫星分布的,这意味着我们通过测量我们到太空中一组卫星的距离得到我们的位置。卫星对我们而言起到准确的参考点的作用。

你可能会问:"我们怎么能确切测量我们离太空中的一颗卫星有多远?我们怎么确切地知道一颗移动的卫星在哪儿?"这是我们此时忽略的两个细节。相信我,这些可以计算出来。现在就假设我们能确切地计算出卫星在太空中的位置,我们离它有多远。

那么GPS的基本概念就简单了:假设我们迷路了,想为自己定位。如果我们知道我们离卫星A的确切距离,比如说是11,000英里,这确实使我们在整个宇宙中所能处的范围大大缩小了。它告诉我们,我们一定在一个中心在该卫星,半径为11,000英里的假想球面上。

现在,如果我们同时知道我们离另一颗卫星,B,相距12,000英里,那将使我们的位置范围缩小得更多,因为宇宙中距离A卫星11,000英里且距离B卫星12,000英里的地方只能在两个球面的相交圆上。

那么,如果我们测一下到第三颗卫星的距离我们就能精确地找到我们自己了,因为如果我们同时又知道我们离C卫星有13,000英里,那么宇宙中只有两个点是可能的。那两个点在13,000英里的球面切断11,000英里球面和12,000英里球面的相交圆处。

这就对了,通过三颗卫星的分布我们可以将我们所处的位置缩小到两个点。(稍后我们将看到有一个技术原因使我们必须进行另一次测量--但现在,在理论上,三次测量已经足够了。)

我们怎么确定这两个点中哪一个是我们真正的位置呢?我们可以进行一个到第四颗卫星的测量。或者我们可以作一个假设。通常,两个点中的一个是非常荒谬的答案,错误的点可能离地球并不近,或者它可能有着不可能的高速度。GPS接收机中的计算机使用多种技术来分辨正确点和错误点。

有时,如果你确知你所处的高度,像海员那样(他们知道他们在海平面上),你可以减少一次卫星测量。在我们所绘的球面中,其中一个可以由一个中心在地球球心,半径等于你到地球中心的距离的球面所代替。

总之,如果你想绝对精确,三角学告诉我们,必须知道四颗卫星的分布才能毫不含糊地为我们自己定位。但在实际应用中,我们可以仅由三颗得到答案,如果我们舍去那个荒谬的解。

这就是GPS的基本原理:将卫星作为参考点,三角测量确定你在地球上的位置。

系统的其他东西仅仅是技术细节,用来实现分布处理过程--使得它更准确,更容易实现。现在让我们来看一看这些细节。



总结:

1.位置由到多个卫星的距离计算得出。

2.在数学上我们需要四个距离来确定确切的位置。

3. 如果我们舍去荒谬的答案,三个距离就足够了。

4. 由于技术原因,另一次测量是必须的,这将在以后讨论。

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第二步: 测量你到卫星的距离

由于GPS基于知道在太空中到卫星的距离,我们需要一种方法来计算出我们里那些卫星有多远。

令人吃惊的是,测量到一颗卫星的距离的基本思想仅仅是我们在高中学过的老方程"速度乘以传播时间"。你应该记得那些文字题:"如果一辆汽车以每小时60英里的速度行驶了两小时,那它走了有多远?"它的速度(60英里/小时)乘以行驶时间(2小时)等于距离(120英里)。

GPS系统测定无线信号从卫星到达我们需要多长时间,再由这个时间计算出距离。无线电波以光速传播:每秒186,000英里。所以如果我们能准确地计算出何时GPS卫星开始发送无线电信息,何时我们接收到它,我们就知道了它到达我们这儿需要多长时间。我们只要用那个时间用秒表示乘以186,000英里/秒就得到了我们到卫星的距离。(要记住,我们所有需知道的是到三颗不同卫星的三个距离,这样我们就得到了我们的位置)。

当然,我们的时钟必须对较短的时间元相当准确,因为光传播得太快了。实际上,如果一个GPS卫星恰好在头顶的话,无线电信息抵达我们只需百分之六秒。

因此,在某种意义上说,GPS是电子革命之子,它所要求的定时准确度是可以得到的,因为现在非常准确的电子钟相对来说已经不贵了。对那些价值20美圆而时间准确得让人难以相信的石英手表我们已经很熟悉了,GPS依靠的是那种定时的一种先进形式。实际上大多数接收机可以以纳秒级的准确度测时,即0.000000001秒。一会儿我们将更详细地讨论如何做到这一点。

我们如何知道信号何时离开卫星? 测量无线信号传播的一个重大诀窍是准确地计算出信号何时离开卫星。为此GPS系统的设计者们提出了一个聪明的想法:使卫星和接收机同步以使之在完全相同的时间内产生相同的码字。然后我们所要做的就是从卫星接收码字,再回头看看在多久之前我们的接收机生成了相同的码,时间差就是信号抵达我们的时间。

一个日常类比。为描绘出这究竟是如何进行的,假想你和一个朋友站在足球场相对的两端。现在假设有方法来确定你们俩在绝对相同的时刻开始数到十,而且当你们数的时候你们都把数字喊出来。在球场的你那一端你能听到你自己喊:"一…二…三…",稍晚一点,你会听到你朋友的声音:"一…二…",如此继续。可能在你听到他喊"一"的时候你已经喊到"三"了,这是因为他的声音穿过球场需要一段时间。

由于你们是同时开始喊的,你就可以测出你喊"一"和你朋友喊"一"之间的时间间隔,这段时间就是声音穿过球场的时间。这基本上就是GPS系统如何工作的了。

使用一套码字,或者在我们类比的例子中那一串数字的优点是你可以在你想测量的任何时刻进行时间测量,你并不一定非要测你喊"一"和你听到你朋友喊"一"的时间,你可以在任何一对数字之间进行相同的测量,比如说,你喊"八"和你听到你朋友喊"八"--因此你可以跳过任意长时间。

伪随机码 GPS系统并不用数字,卫星和接收机实际上生成一组非常复杂的数字码。码字复杂的目的是能简易地不生歧义地进行比较,还有一些其他的技术原因我们一会儿就谈到。总之,这组码非常复杂,看起来就像一长串随机脉冲一样。



总结:

1. 到卫星的距离由无线信号多久能从卫星抵达我们的测量值决定。

2. 我们假设卫星和接收机在绝对相同的时间里产生相同的伪随机码。

3. 通过比较卫星的伪随机码相对我们的码延迟了多久我们可以知道卫星的信号抵达我们要多长时间。

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 时间06-02-22 20:24:52
 

第三步:得到精确定时

但是稍等一下(不是说笑)。我们知道光速是186,000英里/秒,即使卫星和接收机仅有百分之一秒不同步,我们的距离测量值就会偏差1,860英里!我们如何知道接收机和卫星确实在绝对相同的时间生成码字呢?

至少时间同步问题的一方是容易解决的:卫星在面板上有原子钟,它们准确得难以想象,也昂贵得难以想象,每个原子钟价值大约10万美圆,而且每颗卫星上装了四个,就是为了保证一定有一个可用。

原子钟并不靠原子能运转,它们之所以得名是因为它们用一种特殊原子的振荡作节拍器。这是人类发明的最稳定最准确的时间参照值了,所以你可以断定只要它们认为是正午12点,那就确实是正午12点了。

这对卫星很好了,但我们这些在地球上的人怎么办呢?如果我们要在每个GPS接收机上装一个10万美圆的原子钟,那就只有Donald Trump的游艇会装一个了。

三角学来救驾。幸好在只有中等准确的时钟的情况下也有办法混过去--秘密就是进行一次额外的卫星距离测量。对了--一次额外的距离测量可以弥补我们这边部件的不完全同步。(现在你知道为什么我们以前说"理论上"三次测量就足够了。)

三角学告诉我们如果三个完美的测量值将一个点定位于三维空间,那么四个不完美的测量值可以消除任何定时偏差(只要偏差是固定的)。

尽管听起来技术上非常复杂,但思想却是相当简单的,而且这对GPS非常基础,所以值得花点时间来理解原理。如果有图的话,这个解释就更容易理解了,而且在两维空间画起来就容易多了。当然,GPS是三维系统,但我们讨论的原理也适用于两维,那我们就减少一个测量值。

为什么增加一个测量值就可以消除时钟偏差 它是这样工作的:假设我们接收机的时钟没有原子钟那么完美,它像石英表那样稳定但和通用时间不完全同步,比如它有点快,那么它认为是正午12点是,实际上是上午11:59:59。让我们来看看会对我们的位置计算产生什么影响。

通常我们谈及我们到卫星的距离时用英里或千米来表示,但由于这些距离是用时间计算出来的,就用时间来代替距离以作简化。这样就容易看到时钟误差对位置的影响了。

好,比如在现实中,我们离A卫星4秒,离B卫星6秒,在两维空间,这两个距离已足够把我们定位于一个点,我们叫它"X"(记住,在三维空间需要三个值)。那么"X"就是我们所在的地方,就是在所有时钟都完美时我们得到的位置。但现在如果我们用不完美的接收机,如快了一秒钟,那会怎么样呢?这会使得到卫星A 的距离变为5秒,到卫星B的距离变为7秒,而这样会导致两个园相交于一个不同点:"XX"。那么XX就是不完美接收机把我们放的地方,而且看起来对我们而言这是一个完美的答案,因为我们没有办法知道我们的接收机快了一点。但这会导致好几英里的偏差,我们可能在开始跑进岩石时注意到什么都不对,但在计算中没有什么能告诉我们。

现在这就是三角学方法能起作用的地方了:在计算中再加一个测量值。在我们两维的例子中,这需要第三颗卫星。比如在现实中(如果我们有完美的时钟),卫星C离我们真正的位置有8秒。

记住这幅图绘出了它实际的位置,所有三个园都交于X,因为那些园代表着到三颗卫星的真实距离。现在让我们把一秒偏差加进图中看会发生什么,点状线表示由快时钟导致的"伪距离"。 "伪距离"这个名词在GPS园中用来描述有误差的距离(通常是定时误差)。注意到A和B快时钟仍然相交于XX,C的快时钟不会在接近那个点的地方,所以没有点离A五秒,离B七秒,离C九秒。没有自然的方法使那些测量值相交。

我们GPS接收机中的小计算机被编程为如果它们得到一系列测量值不能交于一点,它们就意识到有误差了,而且它们假设原因是他们的内部时钟不再生效了--即有偏差了。

那么计算机就开始做减法(或者加法),从所有的测量值减相同的时间数。它一直对所有的测量值进行时间修正直到它得到答案使所有的距离恰好穿过一个点。实质上,它会"发现"从所有测量值都减去一秒钟就能使三个园交于一点,由此它会认为它的时钟快了一秒钟。

实际上,计算机并非漫无目的地搜寻答案,它运用代数学来解决问题,老练习"四个方程,四个未知数",这样它们迅速算出时钟偏差。但思想是相同的:增加一个测量值我们可以消除接收机可能存在的任何固有时钟误差。

准确的三维测量需要四颗卫星 在三维空间中这意味着我们确实需要四次测量值来消除任何误差。这是需要记住的一个非常重要的数字,因为这意味着只有你周围地平线上有四颗卫星你才能得到一个真正准确的位置。

GPS系统在全部实现时包含24颗卫星,所以在地球的每个地方总会有四颗可以见到,但现在,由于系统正处于"形成期",一天中有些时候会少于四颗卫星在头顶。

在这些时段,GPS不能完全准确地定位,因此,有些人在使用把GPS单元和其他类型如LORAN这样的导航系统集成起来的接收机。当卫星在上面时,这种结合可以连续地提供"近GPS"的准确度,为LORAN建立一个准确的参考点;那么当GPS卫星在地平线以下时,LORAN可以独自准确地运行。

对四个测量值的需求影响了接收机的设计 需要四个测量值对GPS的设计方法有很大的影响,我们会在单独的一章谈这一点,但这其中非常基本的一条原则是如果你想要连续实时地位置测量,你需要一台至少有四个信道的接收机,也就是说,同一时刻一个专用于四颗卫星的其中之一。

现在许多应用不要求这种实时的准确性,对这些而言一台更经济的单信道接收机就足够了。一台单信道接收机在计算出结果前必须依次分别对四颗卫星进行测量,整个操作用时2到30秒,对许多应用来说这已经足够快了。不幸的是这种类型的接收机不能对监测速度这样的工作做得同样好,这是GPS功能中独特的一项:可以非常准确地测量你的速度。而且在循环处理四次测量时接收机的任何移动都会影响那些测量的准确性。单信道接收机的另一个缺点在卫星发送它们的"系统数据信息"是会显现出来,接收这些信息需要30秒,那么每一次一颗新卫星被接收时导航就必须被打断。

一个普遍的折衷是三信道接收机。两个信道在对下一个待测量的卫星建立无线锁定时另一个信道执行时间测量计算。当前两个信道做完时间测量后,它们可以不浪费任何时间来询问下一颗卫星就马上转换过去测量,或者接听它的条件信息。另一个信道,通常叫做"持家"信道,就找到下一颗卫星,开始对它进行锁定过程。

这将大大加快串行处理速度。有了这种系统,连续的位置更新就总是可行的。一个附加的好处是,这种三信道接收机可以设计为最多跟踪8颗卫星,那么当一颗卫星阻塞时,另一颗可以立即代替,在导航过程中不会有任何中断。



总结:

1.准确的定时是测量到卫星距离的关键。

2.卫星是准确定时的,因为在面板上配有原子钟。

3.接收机时钟不必精确,因为三角学技巧可以消除接收机的时钟误差。

4.这个技巧是进行第四颗卫星的距离测量。

5.需要四次测量影响了接收机的设计。


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第四步:知道卫星在太空的哪里

在我们目前的讨论中,我们假设我们已知卫星在太空中的位置,这样我们能对我们相对它们的位置进行三角测量。但我们如何知道空间中11,000英里高处的东西在哪儿呢?

高空卫星不收集烂泥。在这种情况下,海拔11,000英里实际上是优点,很高的东西恰好远离地球大气,这意味着预测卫星轨道会非常准确。正像月球那样已经围绕着这颗古老的行星旋转了几百万年,周期没有任何明显的变化,我们的GPS卫星进入的轨道非常容易预测。空军按照GPS主计划把每颗卫星发射到准确的轨道,这些轨道是已知的。实际上,一些地面上的GPS接收机有一张"年历"编入了它们计算机的存储器,告诉他们在任意给定时刻每颗卫星在空中的什么地方。

所有的卫星被不断地监测。现在轨道的数学模型自身已经相当准确了,但是,为了使事情完美,国防部要不断地监测GPS卫星。这就是GPS卫星没有像电视卫星那样被发射到地球同步轨道的一个原因。由于GPS卫星每12小时绕地球一周,所以它们每天经过国防部(DoD)的某一个监测站两次,这使得国防部有机会准确地测量它们的海拔,位置和速度。他们在寻找的变化叫做"星历表"。这种变化通常很小,是由像太阳、月亮的万有引力以及太阳辐射对卫星的压力造成的。一旦国防部测出了一颗卫星的位置,他们就把信息送回卫星,然后那颗卫星就把这些微小的变化连同它的定时信息一起广播出去。

那是一个应记住的重要事实:GPS卫星不仅发送一个定时用的伪随机码,而且还传送一个关于它们确切轨道位置和系统运行状况的"数据信息"。所有重要的GPS接收机都要使用这一信息和它们内部年历的信息来准确地建立卫星的位置。



总结:

1.为计算出我们的位置,我们不仅需要距离,还需要知道卫星在空间中的什么地方。

2.GPS卫星很高,它们的轨道可预知性很强。

3.轨道的微小变化被国防部不断测出,这一数据从卫星上发出。

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第五步:电离层和大气层时延

我们看到许多精巧设计有用来保证GPS系统尽量的准确,我们在卫星上安装原子钟,利用额外的测量消除接收机时钟可能存在的误差,卫星甚至要广播它们轨道位置十分微小的更正。但是,尽管系统看起来十分完美,有一些误差源还是难以消除的。

可能这些误差中影响最大的是来自地球电离层的了--一个带电粒子覆盖层,距地80到120英里。实际上这些粒子影响光速,因而影响GPS无线信号的速度。你可能会想:"哦,不,不要告诉我光速有问题,那可是所有普适恒量中最神圣的一个喔!"

光速只在真空中是常数,像你在深太空中得到的那样,当光(或者无线信号)穿过密一点的介质,像几英里厚的带电粒子带,它就会变慢一点。这种减速会使我们的距离计算出现偏差,因为那些计算假设光速是一个常数。

还记得高中文字题中的汽车么?"如果一辆汽车以每小时60英里的速度行驶了两小时,那它走了多远?"想象一下,如果在沿途的某个地点,开车的人下车买了一瓶汽水而没有告诉我们,那么要得到正确答案有多难。这有点像光,它的减速和加速是由它经过的介质决定的。

我们有一些方法使得由这种变化导致的误差变得最小。比如,我们可以预测在一般情况的一天、通常的电离条件下,典型的光速变化是多少,然后对我们的测量使用校正因子。这有所帮助,然而并非每一天都是一般情况。

我们的另外一种测量信号速度变化方法是参考两个不同信号的相关速度。这已经开始涉足"神秘物理"的范畴,基本原理是这样的:当光穿过电离层时,它的速度衰减和频率平方成反比,频率越小,速度衰减的就越多。

我们比较GPS信号两个不同部分的到达时间,两部分有不同的频率,我们可以推出穿过什么使速度变慢。这种误差是非常复杂的,只有先进的"双频"GPS接收器才能发现。这叫做"电离解",通过它,很多误差都能消除。

GPS信号通过电离层后,进入可产生天气变化的大气层,不幸的是,水蒸汽也可影响信号。这种误差和电离层的很象,但这种误差是不可更正的,不过,幸好它的影响在我们定位时是很小的。



其他类型误差?

电离层和大气层的传播延迟只是影响测量的一种误差。既然我们的主题是误差,就让我们把所有影响GPS准确度的因素列出来。

尽管卫星上的原子钟是准确的,他们还是会受到一些小的影响,国防部监测这些时钟,当小的偏差出现时加以纠正,但即便如此,有时一些微小的偏差也能影响我们的测量。

就象卫星上的原子钟一样,地面上的接收机有时也会出错。接收机完成一次数学操作或电子干涉可能会产生随机误码。这些误差通常或小或大,大的误差很容易检测到,因为很明显,但小的计算偏差很难发现。这些"接收机误差"可以导致测量中几英尺的不确定性。

另一种不是卫星或接收机造成的误差叫作"多径误差"。这是信号在从卫星发出后到达接收机前来回反弹造成的,结果是信号没有直接到接收机,而是多绕了路。这可以导致电视机的"重影"。现代接收机使用先进的信号处理技术和特殊的天线使这个问题变得最小,但在严重的情况下还是会给GPS测量加入一些不确定性。

误差平均不确定性 目前我们讨论过的所有误差源加到一起会对每一次GPS测量产生一点不确定性,这意味着我们不说什么东西是10英尺长,而是说"它是10加或减十分之一英尺长。"或者用另一种方法看就是:你的尺子有一端不明显,而是末端模糊。

幸好所有这些不准确性加一起也不回增加太多的误差,在实际中,GPS可以告诉你在100英尺内你在哪儿--如果你有很好的接收机结果会更好。

几何学--一些角度比其他的好些。 为得到最可能的准确度,一个好的GPS接收机应考虑到一个细微的几何原理,叫做"精确度的几何稀释"(GDOP)。现在,"精确度的几何稀释"可能听起来像律师说"我们在这儿发现了一些错误"的方式,但实际上它是指你的解会因你在做位置测量时所用的卫星而好一些或差一些。

这不是说一颗卫星比另一颗好一些,而是说由因它们在天空中的相对角度不同,几何学可以增大或减小所有我们以前所谈到的不确定性。这有点像水球运动员在选择射门,他知道对球而言在某些角度他可以偷点懒,却仍可以命中,其他角度增大了任何微小的误瞄,使得命中率很低。要了解GDOP如何起作用,让我们再来看一下我们画的图。我们用以卫星为中心的园来表示到一颗卫星的距离,既然我们知道每个测量值都有一点不确定性,我们应该用一个"模糊"的园来代表它。就像尺子的模糊末端一样,我们只能说我们的距离是像10,000英里加或减 .001英里这样的表述,这意味着我们的图画看起来像这样:带状物是不确定性的区域,因此我们先前表示的点"X"现在实际上是一个叫"X"的小斑,或者换句话说,这种不确定性意味着我们不可能说我们恰好在某个单独的点上,我们只能说我们在斑状区域内的某个地方。

现在这就是"精确度的几何稀释"的含义了。随着角度的不同,那个斑可能接近方形相对较小,或者会又长又大。简单的说,两颗卫星间的角度越大,测量就越准。所以,好的接收机有计算机的常规程序来计算所有可用卫星的相对位置,选择最好的四颗--那些位置最好的能减小斑点大小的卫星。即使是更精密的接收机也是基于视野中的所有卫星来计算你的位置的,用这种方法GDOP误差会被充分最小化。



GPS准确度

GPS准确度的极限值决定于几个误差源的和,每个误差源的作用随着大气和设备条件的不同而不同。

此外,GPS的准确度可以被国防部故意弄差,通过一种叫做"选择可用性"或"S/A"的模式。S/A是设计用来防止敌方军队利用GPS定位的战术优势的。如果S/A实现了,那时它就是GPS误差的最大的组成部分了。



误差预算

误差来源(典型)

卫星时钟误差 2英尺

星历表误差 2英尺

接收机误差 4英尺

大气/电离层 12英尺

最坏情况S/A(如果实现的话) 25英尺

总计(平方根求和) 15到30英尺

(取决于S/A)

为计算预计准确度,用上面的总计值乘以PDOP(精确度的几何稀释)。在较好条件下PDOP在4到6之间,所以你的位置准确度估计为:

.典型的良好接收机 60-100英尺

.最坏情况 200英尺

.如果实现S/A 350英尺



总结:

1.地球电离层和大气层导致的GPS信号时延会引入位置误差。

2.借助数学工具和建模一些误差可以被消除。

3.其他误差源有,卫星时钟、接收机和多径接收。

4.卫星群在空中的一些结构会增大系统中的其他误差。

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