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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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