| 峡谷穿越和城市行进时GPS信号漂移问题的另类分析 冰雨 GPS的信号漂移是常见问题，在GPS定位过程中，存在三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所共有的，例如：卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术第一部分误差可完全消除，第二部分误差大部分可以消除，这和基准接收机至用户接收机的距离有关。第三部分误差则无法消除，只能靠提高GPS接收机本身的技术指标。 大家平时使用GPS定位时发现位置漂移，可能更多归结为仪器质量，定位精度不准等方面。 开始我也抱着这种观念以平常心对待这种误差，但是一些奇怪的现象让我对此发生了怀疑。由于平时进山穿越时，经常走峡谷路线，在平原和山顶时所接收到的数据与峡谷接收到的数据转到Google earth比较发现，平原和山顶与地图上位置较为一致，峡谷定位数据常常发生较大的漂移，有时在同一个位置，几次开关机后发现其数据也在较大的变化。如图1所示当时从33号点直线下降，但获得的轨迹图却非常杂乱，因此这种漂移不能简单归结为仪器质量，定位精度不准。  我们简单了解一下定位原理， 卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。 GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使与自身的时钟同步，就可获得准确的时间。所以，GPS接收机除了能准确定位之外，还可产生精确的时间信息。 由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。 从GPS使用原理可以知道，手持机本身并不发射信号，它仅仅接收卫星发射数据进行运算后解决定位问题。但是如果在峡谷中，常常面临的是搜星的数目量少，实际使用过程中，一般情况三颗星基本可以初步定位，如图2所示。由此可确定横向坐标、纵向坐标及高度。 但是在峡谷中，周围有高山阻挡，因此直接捕获的可能仅仅是头顶上的一颗星或两颗星。如果把GPS接收机方位调整一下，常常能接受到三颗星甚至四颗星，这时接收到的部分信号往往是卫星发射的反射信号。如图1所示，图中34号点应该在红星位置，却向右漂移了很多，同时从这张google earth地形图可以看到，周围存在着较多的反射面，从而产生如此误差。 我们简单如图3所示，3号星被高山阻挡，红线为没有阻挡时的直射线，这时被高山所阻，GPS信号接收不到，此时3号星经过山体反射回来的信号出现在GPS接收机中。根据运算公式，接收机根据其得到1、2、3号星的距离测定自身的位置。我们设想如果没有3号星，运算结果：1、2号星反映的位置仅能定位在一条弧上，如图中桔线所示。而接收到3号星的反射信号在接收机中形成一个错误距离长度，图中蓝色折线的长度。若以这个长度为半径（绿线所示），3号星为圆心，我们可以画出一个球体，这个球体（黄线所示）与桔线相交就是接收机判断出的位置（红星位置），当然这个位置是存在误差的。 可能还存在如下情况，就是有三颗星接收到的是直射信号，第四颗星接收的是反射信号。分析GPS可能在编程时根据信号的一些特征进行了辨识，如图4所示。左边三个高低不同的黑框，为可用信号，并获得进行运算。右边的白框为存在信号，但无法进行运算的信息。因此当信号较强时，这种反射信号是不会用来运算的。 另外在城市中，由于高楼为垂直拔高，较少存在反射面，因此这种漂移的可能性较少，但是如果信号微弱地区周围有斜面反射也可能出现这种漂移。 以上仅为设想性分析，没有经过实验论证。若有不足敬请谅解。 [ 本帖最后由 冰雨1 于 2007-11-28 14:40 编辑 ] |
| 由于反射引起的误差为多路径效应，我了解了一下多路径效应原理，现在主要有如下消除误差方法。 1)为了防止水平面反射的卫星信号进入天线产生多路径效 应，对于进行高精度定位的GPS接收天线应配置抑径板。 2)由于水面几乎100％的反射微波信号，这就要求在选点时 应尽可能地远离大面积水域，当无法远离时，由于灌木丛、草地和 其他地面植被应能较好地吸收微波信号的能量，反射很弱，因此 在相同情况，可根据地表植被来判断选点位置，来减弱多路径效 应影响。 3)经研究，人们发现多路径效应误差具有一定的周期性，在 观测时可以通过加长观测时间取平均值来减弱该误差的影响。 4)在数据处理时，应结合SNR值和残差图进行多路径效应 误差的剔除工作。 5)由于多路径效应误差影响与天线高有关，所以也可在观测 中改变天线高来减弱多路径效应的影响。 由于我们是手持机，属于低精度型，也没有相应的外置天线，因此1，4，5帮助可能不大，但2，3条据有较高的实用价值。 |
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