GPS定位精度及其在海上的应用

1GPS定位精度及其在海上的应用王洪军[摘要]本文论述了GPS系统的组成、定位原理以及误差理论和精度实测分析,比较了GPS的优越性和缺陷性，对GPS在航海上的应用作了一个比较系统的介绍，并着重论述了GPS用于导航报警、测磁罗经自差、航线绘制,也介绍了GPS与电子海图组合应用，高精度定位，测速测向，航线设计，与雷达的配合使用，水下定位等，期望使航海人员更深刻地了解GPS的优缺点，更多地了解GPS的使用方法，更有效的使用GPS，从而提高航运效率，保障船舶的安全。[关键词]GPS；原理；系统组成；定位精度；误差分析；应用全球定位系统（GlobalPositioningSystem---GPS）又称为导航星全球定位系统，简称GPS，是一种测距卫星导航系统。美国于1973年12月开始，经过20多年的研制开发在1994年所有卫星就位，1995年10宣布“GPS进入全面运作能力”。GPS是美国继阿波罗登月计划、航天飞机之后的第三项重点空间计划，是20世纪的、也是世界上第一个全球卫星导航系统，对整个世界的经济起着举足轻重的作用。使用GPS可以获得一种全球、全天候、连续、高精度的定位导航方式。美国政府在GPS的应用中，提供了两种服务方式：一种是利用CA码定位，其精度约为100米，供民间使用；另一种是利用P码定位，其精度可以达到10米甚至更高，供军用。起初的CA码在试验阶段定位精度为30米，美国采用了S/A政策，使得它的定位精度下降到100米。各种消除S/A影响的措施于是产生了，最典型的是差分GPS，使得定位精度得到显著提高。于是，美国干脆在2000年5月1号就取消了S/A政策，这样使得GPS的应用更加的广泛。目前，GPS的用户越来越多,在航海的使用也是非常的多，这里有必要对GPS的定位精度及其在航海上的应用有个论述。通过这篇论文的构思，并翻阅了大量的资料，作者想要更深程度的搞清楚GPS的定位精度和优缺点以及GPS在航海上的应用，以便航海人员对GPS有更深刻的了解，并熟悉其在航海上的应用，做到充分发挥其优点，避开其缺点，以保障海上航行的安全和提高营运效率。1．GPS系统的组成及工作原理1.1GPS系统的组成:GPS卫星导航系统是由地面支持网、空中卫星群和用户设备三个子系统组成的。1.地面支持网：GPS系统的地面支持网由五个监测站、一个主控站和四个注入站组成。监测站收集卫星及当地气象资料送给主控站。主控站根据这些资料计算卫星轨道等导航信息，然后由注入站每隔8h向卫星发送一次，更新卫星资料，以便卫星向用户设备转发导航信息。该子系统的功能是监控卫星并根据测算结果向卫星提供时间改正参数、卫星星历等资料。2.空中卫星群：GPS系统空中卫星群由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，共24颗卫星，平均分布在6个轨道上，每一轨道上有4颗卫星。卫星接收地面站发送来的轨道信息、时间修正参数等，进行处理后，以1575.42MHZ和1227.60MHZ两种载波频率，发射CA码和P码两种伪随机码调制导航信号。23.用户设备：GPS接收机接收卫星发射的时间信号和卫星轨道信息，就得到卫星位置，利用时间信号和伪码相关测量卫星到测者的伪距，并由计算机解算用户位置、速度等参数。1.2GPS系统工作原理1.2.1GPS系统的定位原理GPS系统是一种测距定位系统，GPS导航仪接收卫星分布的信息，根据星历表信息可以求得每颗卫星发射信号时的位置。导航仪测量卫星信号传播的时间间隔，因为这时间间隔中还包含着时钟误差，信号传播延时等影响，所以乘以光速求得是导航仪与卫星的伪距离1.2.2GPS系统的测速原理通过测量GPS卫星信号载波的多普勒频移，可以获得伪距离变化率，从而建立伪距离变化率方程。测量4颗卫星信号的多普勒频移，可以建立4个伪距离变化率方程，从而解算出导航仪的速度和时钟钟差变化率。2.GPS的定位精度及误差分析2.1定位精度2.1.1单点定位单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于船舶的导航定位。利用单独的GPS接收机定位的精度为20米（2drms）.这里所指的是二维平面上的包含SA引入的误差的2倍径向距离误差。现在SA已经取消，定位经度提高了。GPS这一定位精度在15—25米之间。落在这一范围内的概率为95.5%。2.1.2差分定位差分定位就是根据两台以上的接收机进行定位，其定位精度更高，可靠。具有伪距差分功能的GPS接收机的定位精度在1—10米之间，而相对平滑伪距差分接收机为亚米级的精度，实时载波相对差分可以达到厘米级的精度。2.2误差分析GPS定位误差主要来源于卫星与测者间相对几何位置的几何精度因子GDOP、伪距误差以及使用不同测地坐标系而产生的误差2.2.1精度系数GDOP在测距误差一定时，观测点相对于所用卫星的几何图形不同，定位误差的大小不相同。卫星所处的几何位置好，定位误差则小。衡量卫星几何位置的好坏，利用几何精度系数GDOP，简称精度系数DOP。2.2.2伪距测量误差GPS系统中因测量带来的误差，可以全部等效为伪距测量带来的距离误差，称为用户等效测距误差。它主要来源于卫星部分，传播途径，用户设备和SA的影响等造成的误差。1)星历和星钟误差受到高轨卫星轨道摄动的影响和地面监制站的位置和站内原子钟偏差等因素的影3响，由地面站确定的卫星星历表出现误差，此误差叫做星历表误差。它只要决定于卫星跟踪系统的质量，如监测站的数量及分布；观测值的精度；轨道计算是所用的模型及软件等。同时还与星历表的预报间隔有关。星历表误差产生的距离测量误差对于C/A码和P码通常都在2.5—7.0以内。卫星钟误差主要取决于钟的质量，卫星上虽然使用高精度的原子钟，但是它仍然存在误差，其系统性误差可由卫星钟校正参数加以修正。2)大气传播延迟大气传播误差，包括电离层传播延迟和对流层传播延迟两部分。其误差可以矫正但是仍然残留一部分。3)多径效应多径效应是指GPS用户接收机不仅接收来自卫星的信号，还接收来自其他路径的该卫星的二次辐射信号，因此，接受的信号是直射波和反射波产生干涉后的混合信号。由于直射波与反射波的路径不同，从而使信号延迟，产生测量误差，称为多径效应误差。4)接收机噪声和量化误差由接收机的硬件和软件处理信号引起的噪声，会在短距离测量中对误差产生影响。接收机测距可以被量化。以C/A码为例，它的码率1.023MHZ/S，一个码元所对应的宽度为293.2米。如果码的距离测量被量化到一个码元的1/64，则量化值为293.2/64，约为4.6米。在指定的量化值范围内，如果假定使用的量化误差是均匀分布的，那可以计算得到总的量化误差为2.66米。5)接收机通道间偏差多通道接收机进行测量时，由于各通道硬件路径不同，会产生通道间偏差。6)SA的引入误差2.2.3使用不同测地坐标系产生地误差GPS使用的大地测量基准为WGS-84。而海图出版机构绘制海图时使用的大地测量基准点多采用当地的或本国的测量基准点。随着人造卫星的升空，60年代之后，开始出现世界的大地测量基准，如WGS-60、WGS-566、WGS-72、WGS-84。原来我国海军航保部出版的海图是北京坐标系BJS-54，现有的GPS导航仪还不具备该坐标系与WGS-84的转换，此项误差是影响中国沿海GPS定位精度的主要部分。一般有几十米，而且随纬度变化。海图的比例尺越大则误差越大。有资料显示，目前发现的最大误差是在太平洋附近某区域达7海里之多，而大多数情况下，这种误差达几十米至几百米不等。为了改变这种状况，我国海航保证部从2003年开始部分海域改用WGS-84，但船舶现有的中版海图仍然有不少北京坐标系BJS-54（比如最新版的珠江口附近的几张中版海图），故仍然须注意这问题。2.2.4海图误差海图在制版印刷过程中，由于一些陆标位置不够精确以及图中经纬度线存在着一定的制版印刷误差，导致海图自身存在一些误差。曾经有人做过这样的试验：在南美某地区，用同一时刻的一个GPS船位标于两张相邻的海图上（有共用区域），结果发现两张海图上的GPS船位与同一陆标间的位置相差0.5海里。当然这当中也包含了驾驶员的作图误差。3.GPS的特点与缺陷性3.1GPS的特点4GPS卫星导航系统是一个庞大又极复杂的系统，其主要的性能特点有:全球全天候导航、高精度和多功能。3.2GPS的缺陷性1)受控制国的控制2)卫导仪与海图所用坐标系不同产生缺陷3)误用GPS导航仪带来的影响（1）天线高度的设置在海上用GPS导航仪对船舶导航定位，宜采用三星定位。三星定位要求操作人员必须预先置入天线正确的海拔高度数据。这个置入的天线高度要与实际的天线高度相一致，误差在1M以内。如果置入天线高度错误或误差太大，将会产生不可允许的定位误差。尤其将天线置入高度数位弄错时，将会引起严重的误差。（2）GPS使用精度系数门限值的设定2D定位和3D定位应分别设置精度系数DOP的门限值。精度系数的门限值关系到GPS的精度和可用性。实际在使用时HDOP，PDOP随着卫星和测者的运动而变化，在设置时，若置定值太小，使可用于定位的卫星数减少，降低GPS用于定位的可用性。因为一旦精度系数大于所设置的门限值，GPS就发出报警而不再更新位置。若它们的置定值太小，则可能不能保证得到高的定位精度。因此，在精度系数的门限值置定时，选5～10之间或者更小。所设数值太小或太大，都将使定位无效。（3）GPS航路点的输入在利用GPS进行航线设计和其他应用时，驾驶员一定要输入准确的航路点坐标。假如由于人为的操作疏忽而将航路点及航线编辑错误，则会产生严重的后果。3.3不可盲目相信GPSGPS在实现全球高精度、全天候、连续定位的同时，由于技术及设备的原因，不可避免地产生了一些误差。加之GPS始终为美国的最高利益服务及其所谓的联盟国家军事服务，我们在使用的过程中必须对其保持高度的警惕，不可盲目信任。在过去发生的海难事故中，由于只相信GPS船位，而忽视了利用雷达或目测定位的作用，导致的经济损失已不计其数。另外，在精密定位中，GPS目前还不能提供十分精确的船位，特别船舶在狭水道航行，GPS的综合误差常常在几十至几百米之间，如果盲目信任其船位而忽视其它方法，将可能导致搁浅、碰撞等危险4.GPS在航海中的应用由于GPS作为海上导航系统，能够提供全球、全天候、高精度、实时、连续定位等优点，并且可以和很多其它导航设备组合使用，所以在航海上得到广泛的应用。例如高精度的定位、与电子海图的配合使用、与GMDSS的组合使用、浮标监视、测速、报警功能、测罗经差等。这里着重论述利用导航报警功能、测磁经差自差和航线绘制。4.1GPS用于导航报警GPS不仅可以提供高精度的船位，而且可以用来存贮航路点，存贮航线，用数据和5图像显示船舶运动的速度、航向、航迹、航行偏差和达到距离、航线所需时间等航行资料。就报警功能而言，有偏航报警、走锚报警、到达转向点所设定的范围报警、接收机故障报警等4.1.1.走锚报警GPS内部走锚警报设置的原理很简单，它是以抛锚后锚抓牢海底时的锚位点为圆心，以一定距离作一警报圈，当船在风流作用下以锚位为圆心作旋回时，若船位与锚点距离计算一旦偏出设定的警报圈时，GPS将自动报警．如图一所示:S为本船船位,M为回旋回点,当MS＜MR则正常,当MS＞MR则将发出走锚报警.但以上锚位的分析与警报半径的计算是在理想状态下确定的，在实际应用过程中会受以下因素制约：1．GPS非特许用户定位精度降到30m左右，使得GPS内存贮的锚位与实际锚位有偏差．2．大副作回复报告时，此时锚可能尚未着地，此外锚着地距抓牢时尚存一定距离.3.人为的使船首距驾驶台之距在输入到GPS内为0.1nmile．此外在测量岸标及数据的读取与作图均会产生一系列误差．4.1.2到达航路点报警如图二听示:D为预计到达点，S为本船，R为报警范围·由驾驶员人上输入给接收机。若SDR不报警，若SDR发出报警信号。4.1.3偏航报警如图三所示:A为出发点，B为到达点，s为本船，R为偏航距离，由驾驶员人工输入给接收机。若SDR不报警，若SDR发出报警信号。4.1.4进入设置范围