Грешки при определяне на позицията

Грешки при определяне на позицията

Източници на грешки

Както всяка сложна техническа система, така и GPS се влияе от различни източници на грешки, което води до неточни резултати при определянето на координатите на приемника. В идеалния случай системата би трябвало да определя точно параметрите, необходими за изчисление на позицията, но на практика грешката достига от няколко метра до десетки метри. Съществуват няколко причини за грешки в GPS.

Неточна позиция на спътниците

Тази грешка се появява, когато навигационното съобщение не предава точните координати на спътниците. Позицията им обикновено е известна с грешка в порядъка между 1 и 5 метра и води до отклонение в положението от няколко метра. Грешката в позицията на спътниците има тенденция да нараства с времето, тъй като орбиталните параметри, необходими за изчисляването на положението на спътника, се обновяват на два часа и това води до натрупване на грешка при изчисленията с времето.

Грешка в часовниците

Грешката в точността на часовниците се отнася както за приемниците, така и за спътниците. Както стана ясно, грешките в приемниците могат да се пресмятат с помощта на допълнителни измервания, но за разлика от тях, отклоненията в часовниците на спътниците не могат да се изчислят. Всяка неточност от 10 наносекунди води до грешка в измерването на разстоянието до спътника с около 3 метра. Поради тази причина спътниците са оборудвани с атомни часовници, но дори и те имат отклонение от около 1 наносекунда на всеки 3 часа.

За да се реши този проблем, часовниците на борда на спътниците се наблюдават постоянно от наземните станции, техните показания се сравняват с еталонни часовници и грешките се изчисляват и предават към потребителя чрез навигационното съобщение. При получаване на сигнала от приемника, от времето на изпращане се изважда грешката на часовника за дадения спътник, която се съдържа в съобщението.

Въпреки тази процедура, грешките в часовниците не могат да бъдат точно определени и избегнати и винаги остава отклонение от няколко наносекунди.

Йоносфера

Йоносферата е една от основните причини за грешки при определянето на позицията с GPS. Поради наличието на свободни електрони в йоносферата, скоростта на електромагнитните вълни намалява при преминаването през тази област. В резултат на това се променя разстоянието до спътниците, изчислено на базата на скоростта на светлината във вакуум, и се получават грешки от порядъка на 10 метра.

За да се избегнат тези отклонения съществуват два основни метода:

• използване на модел на закъснението, който използва информация от навигационното съобщение за оценка на грешката.
• използване на две честоти на сигнала, като по този начин директно се изчислява закъснението. В случая се използва свойството на сигналите, че при различни честоти закъснението в йоносферата е различно.

Вторият метод е много по-точен и практически елиминира грешката от закъснение в йоносферата, но използването на две честоти не е достъпно за цивилните потребители, а се използва за военни цели. Все пак съществуват приемници, които са способни частично да декодират двете честоти и да използват по този начин корекциите за йоносферното закъснение.

Тропосфера

Както йоносферата, така и тропосферата води до промяна на скоростта на разпространение на GPS-сигнала. Промяната в температурата, налягането и влажността на въздуха са фактори за промяна на скоростта на радиовълните. Подобно на йоносферния модел за корекция на грешката, и при тропосферните отклонения се използва моделиране за изчисление на закъснението.

Многократни отражения (многолъчево разпространение)

Мултипат се нарича грешката, предизвикана от отразяването на сигналите от различни повърхности. При отражението на сигнала пътят, който той изминава, се удължава, а с това се променя и измереното разстояние до спътниците. По този начин, когато се смесят отразените сигнали с директните, се получава неточност при определянето на стойностите на разстоянията и се получават грешки при определяне на положението.

Мултипат-грешките, заедно с йоносферните закъснения, оказват най-голямо влияние върху точността на позицията. За намаляване на тази грешка се използват подобрени антени или специални приемници, които изчисляват отклоненията.

Разположение на спътниците

Определянето на позицията зависи от броя и разположението на спътниците. Колкото повече спътници са на разположение, толкова по-точно може да се определи положението. Разпределението на спътниците на небосклона също има значение. Колкото по-равномерно са разположени, толкова по-точна е позицията.

Умишлени грешки

В някои случаи тези грешки са преднамерено въвеждани от Министерството на отбраната на САЩ и се изразяват в промяна на параметрите на бордовите часовници и грешни орбитални параметри. Военните приемници са снабдени с кодове, които са способни да анулират тези грешки, но цивилните потребители нямат достъп до тях.

Методът на въвеждане на грешки се нарича избирателен достъп (на английски „Selective Availability“) и е отменен през 2000 г. Все пак американските военни си запазват правото да въведат този метод, когато смятат за необходимо.

Корекция на грешките

За подобряване на точността при определяне на координатите се използват диференциални GPS системи. Тези системи включват една или няколко неподвижни контролни станции с точно известни координати, в които се сравняват действителното и изчисленото положение, пресмятат се корекциите и се предават към потребителите в зоната на обслужване. Най-голямо разпространение имат системите WAAS(покрива Северно-Американския континент), EGNOS (Европа и част от Африка) и MSAS (Япония). Принципът им на работа и начина за обратна връзка към GPS-приемника е практически еднакъв, и повечето от GPS устройства, поддържат корекция чрез една от трите системи.

Наред с диференциалните системи съществуват и други методи за подобрение на точността на изчислената позиция, като съчетване на GPS приемници с инерциални системи или използване на алгоритми за определяне на изправността на спътниците. В първия случай, GPS приемниците се комбинират с жироскоп и акселерометър, които позволяват на приемника да определя позицията дори при загуба на сигнала. Във втория случай, приемниците използват алгоритми за определяне на изправността на спътниците и изключват от навигационното уравнение тези, които не са достатъчно надеждни.