Dodatek: Zdroje chyb měření v systému GPS.

Zaměřeno na družicové navigační systémy - technologie GPS.
Pravidla fóra
Tato sekce je věnována pouze samotnému systému. Diskuzi o přijímačích je věnována příslušná sekce.

Dodatek: Zdroje chyb měření v systému GPS.

Odeslatod Path » 11.07.07 0:45 (St)

Zdroje chyb měření v systému GPS

Veškerá měření v družicovém navigačním systému GPS jsou ovlivněna náhodnými a systematickými chybami, které lze rozčlenit do čtyř základních skupin:

  • Chyby vznikajícím v řídícím segmentu.
  • Chyby vznikající v kosmickém segmentu.
  • Chyby vznikající při šíření signálu.
  • Chyby vznikající v uživatelském segmentu.

Případně jiné členění:

  • Poloha družic vzhledem k přijímači GPS.
  • Stav družic (zdraví, frekvenční stabilita).
  • Konstelace družic a dostupnost služeb.
  • Atmosférické podmínky (vliv ionosféry a troposféry).
  • Sluneční aktivita.
  • Vícecestné šíření signálu.
  • Typ a kvalita antény GPS přijímače.
  • Poruchy GPS přijímače.
  • Úhlová viditelnost (rozsah) GPS přijímače.
  • Pohyb přijímače (statický, dynamický).
  • Algoritmus výpočtu pozice GPS přijímače.
  • Doba pozorování.
  • Poloha uživatele.

Některé z těchto příčin chyb si pokusíme vysvětlit.


Stabilita hodin družice

Ovlivňuje frekvence generovaných nosných vln a kódů. Chyba způsobená stabilitou hodin by neměla přesáhnout 6,5m po 95 % doby při použití služby PPS. Při požití SPS se tato chyba zvyšuje.

Při zachování stability hodin je rovněž důležitý časový rozdíl mezi hodinami družice a hodinami GPS přijímače. Například odchylka jedné mikrosekundy způsobí chybu měření 300 m. Chybu v časovém rozdílu hodin přijímače a družice lze aproximovat podle vzorce:

RE = TO · c

c … rychlost světla = 299 792 458 m/s
RE … range error
TO … time offset
1 mikrosekunda = 1µs = 10-6 s

A tedy

RE = TO · c = 10-6 · 299 792 458 = 299,79 ≈ 300 m


Chyba efemerid družic se projeví při výpočtu polohy družic, a tím i určení polohy GPS přijímače. Efemeridy vysílané v navigační zprávě jsou hodnoty předpovězeny a chyba při použití PPS by neměla přesáhnout 8,2 m po 95 % doby. Při využití SPS je chyba efemerid větší.


Ionosférické zpoždění (Ionospheric delay) je zpoždění signálu při jeho průchodu ionosférou (signál má jinou rychlost než při šíření ve vakuu). Ionosféra je vrstva atmosféry od výšky asi 50 km do výšky 1 000 km a obsahuje určité množství volných elektricky nabitých částic – elektronů a iontů. Rychlost šíření signálu ionosférou je závislá na počtu volných elektronů, který představují proměnlivý index lomu. Index lomu je definován jako poměr rychlosti světla ve vakuu a skutečné rychlosti signálu v daném prostředí. Počet elektronů, který způsobuje zpoždění signálu, závisí především na sluneční aktivitě. Z tohoto důvodu je vliv ionosféry na šíření signálu vyšší v denní době. Ionosférické zpoždění může v denní době ovlivnit přesnost měření od 40 do 50 metrů a v noci od 6 do 12 metrů.

Obrázek
Obr.1. Šíření signálu atmosférou.

Vliv ionosféry se snižuje zaváděním ionosférické korekce, kterou lze vypočítat z modelu ionosféry. Koeficienty pro výpočet jsou vysílány v navigační zprávě. Vliv ionosféry lze snížit využitím signálů L1 a L2 a zpoždění tak eliminovat pro přesnost přibližně 5 metrů.


Troposférické zpoždění (Tropospheric delay) je zpoždění signálu při jeho průchodu troposférou. Troposféra je vrstva atmosféry do výšky asi 11 km nad zemským povrchem. Jedná se o elektricky neutrální prostředí (bez volných iontů nebo s jejich zanedbatelným množstvím). Zpoždění signálu v troposféře ovlivňuje hustota atmosféry, která je závislá na teplotě, tlaku a vlhkosti vzduchu. Troposférické zpoždění může být kompenzováno pomocí modelu troposféry. Pro výpočet troposférického zpoždění existuje celá řada modelů, např. Black, Hophield, Saastamoinen, Goad and Goodman aj.


Vícecestné šíření signálu (Multipath) znamená, že vysílaný signál se k přijímači šíří více cestami. Je způsobeno odrazem signálu od zemského povrchu nebo odrazem od různých předmětů (například od budov ap.). Přijaté přímé a odražené signály jsou relativně fázově posunuty a fázové rozdíly jsou úměrné rozdílům v délce dráhy.

Vícecestné šíření ovlivňuje všechny měřené veličiny, každou ovšem jinou velikostí. Pro vyjádření velikosti vlivu vícecestného šíření neexistuje obecný model, protože odrazy jsou závislé na mnoha faktorech. Vícecestnému šíření je možné zabránit nebo jej zmenšit vhodným výběrem polohy. Vliv signálů odražených od zemského povrchu je možné eliminovat vhodnou konstrukcí antény a odfiltrováním těchto signálů.

Obrázek
Obr.2. Vícecestné šíření signálu.

Poruchy přijímače (Receiver noise). Přijímače mohou obsahovat mnoho vlastních systémových chyb, které se nepříznivě projevují na měřených hodnotách. Mezi nejčastější patří zpracování signálu, časové synchronizační a korelační metody, rozlišení displeje, vnitřní šum aj.


Vliv S/A (Select Availability). S/A je záměrné zhoršení přesnosti určení pseudovzdálenosti. S/A je tvořeno dvěma procesy:

  • Změna hodinového kmitočtu signálů. Změny kmitočtu mohou dosáhnout amplitudy až 50 m s periodou několika minut.
  • Změna palubních efemerid družic (souřadnice družice na její dráze). Změny mohou dosáhnout amplitudy 50 až 150 m s periodou několika hodin.
Aktivaci S/A bylo možné pro jednotlivé družice rozeznat podle URA (User Range Accuracy) vysílaného v navigační zprávě. Typická hodnota URA pro družice s aktivovaným S/A byla 32 m. Pro neaktivované S/A do 2 až 6 m.

Vliv S/A se dalo vyloučit využitím diferenčních metod měření nebo autorizací služby PPS. S/A bylo pro neautorizované uživatele (služba SPS) zrušeno z rozhodnutí prezidenta USA dne 1. 5. 2000.


Uživatelský ekvivalent chyb vzdálenosti UERE (User Equivalent Range Error). Jedná se o souhrn všech chyb ovlivňujících určení pseudovzdálenosti. Část uživatelského ekvivalentu UERE, který se vztahuje ke kosmickému a řídícímu segmentu, se označuje URE (User Range Error), a je vztažena k fázovému centru antény družice. Část UERE vztažená k šíření signálu a uživatelskému zařízení se označuje UEE (User Equipment Error) a zahrnuje zbytkové chyby po kompenzaci atmosférických zpoždění, vnitřní chyby přijímače a vícecestné šíření.

V navigační zprávě se také vysílá údaj URA (User Range Accuracy), jež udává předpovězenou přesnost určení pseudovzdálenosti z družicového signálu bez vlivů atmosféry a uživatelského segmentu. URA negarantuje uvedenou přesnost, spíše slouží jako indikátor dosažené přesnosti.

Příklad: Zdroj chyb pro URE a jeho vliv na přesnost u jednofrekvenčního přijímače dne 8. Ledna 2000:
----------------------------------------------------------
Zdroj chyb ± metrů
----------------------------------------------------------
Model ionosféry 7 m (v rozsahu 1,3 m nejlepší, 7 m nejhorší)
Model troposféry 0,25 m
C/A kód frekvenční zkreslení 0,27 m
Konstanty v navigační zprávě 0,20 m
Odchylka hodin družice 1,43 m
Odchylka polohy družice 0,57 m
Poruchy přijímače (šum) 0, 80 m
------------------------------------------------------------
URE (95 %) ± 7,22 m
------------------------------------------------------------


Obecně lze konstatovat, že URE se u jednofrekvenčních přijímačů pohybuje v rozsahu 2,2 - 14,6 m a u dvoufrekvenčních přijímačů v rozsahu 1,4 - 2,3 m. Připočteme-li cca 2 až 4 m pro vícecestné šíření signálu, pak UERE u jednofrekvenčních přijímačů může být v rozsahu 10 - 15 m.


Vliv geometrické konfigurace družic na přesnost určovaných veličin se vyjadřuje pomocí faktoru označovaného DOP (Dilution of Precision).

Obrázek
Obr.3. Geometrická představa DOP.

Podle obrázku velmi zjednodušeně předpokládejme, že k určení polohy uživatele jsou potřebné dvě měřené vzdálenosti ke známému bodu (poloha družic). Velikost chyby měření je vyjádřena šířkou pásu. Poloha určovaného bodu leží v průniku obou pásů a pak přibližně představuje faktor DOP (oranžová plocha). Je zřejmě, že obsah této plochy bude nejmenší, resp. přesnost měření nejvyšší, pokud se pásy budou protínat pod úhlem 90°. Se zmenšováním/zvětšováním tohoto úhlu se bude rovněž snižovat přesnost určení polohy. Obdobně lze tyto zákonitosti aplikovat pro třírozměrný prostor.

Podle sledované veličiny rozeznáváme několik faktorů DOP:

  • GDOP (Geometric DOP) – geometrický DOP. Vliv na určení všech čtyř určovaných veličin (poloha v prostoru a korekce hodin přijímače).
  • TDOP (Time DOP) – časový DOP. Vliv na určení korekce hodin přijímače.
  • PDOP (Position DOP) – polohový DOP. Vliv na určení polohy v prostoru.
  • HDOP (Horizontal DOP) – horizontální DOP. Vliv na určení horizontální polohy.
  • VDOP (Vertical DOP) – vertikální DOP. Vliv na určení výšky.
Odhad přesnosti určení příslušného prvku lze získat součinem koeficientu UERE a faktoru DOP.

Tento text přísluší serveru http://www.path.cz
Zdroj obrázků
: č.1,3 - path.cz; č.2 - PICODAS PRAHA, s.r.o.


Další informace:
http://gpsinformation.net/main/sawatch.htm
http://gisci.isu.edu/classes/507/Lectures/4_Error_sources.ppt
Obrázek uživatele
Path
Site Admin
 
Příspěvků: 3406
Registrace: 15.05.07 23:15 (Út)

Zpět na GPS obecně

Kdo je online

Online uživatelé v tomto fóru: CommonCrawl [Bot] a žádný návštěvník.