gps定位精度及其在海上的應(yīng)用

1、1GPS定位精度及其在海上的應(yīng)用王洪軍[摘要摘要]本文論述了GPS系統(tǒng)的組成、定位原理以及誤差理論和精度實(shí)測(cè)分析比較了GPS的優(yōu)越性和缺陷性，對(duì)GPS在航海上的應(yīng)用作了一個(gè)比較系統(tǒng)的介紹，并著重論述了GPS用于導(dǎo)航報(bào)警、測(cè)磁羅經(jīng)自差、航線繪制也介紹了GPS與電子海圖組合應(yīng)用，高精度定位，測(cè)速測(cè)向，航線設(shè)計(jì)，與雷達(dá)的配合使用，水下定位等，期望使航海人員更深刻地了解GPS的優(yōu)缺點(diǎn)，更多地了解GPS的使用方法，更有效的使用GPS，從而提高航運(yùn)

2、效率，保障船舶的安全。[關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞]GPS；原理；系統(tǒng)組成；定位精度；誤差分析；應(yīng)用全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystemGPS）又稱為導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GPS，是一種測(cè)距衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。美國(guó)于1973年12月開(kāi)始，經(jīng)過(guò)20多年的研制開(kāi)發(fā)在1994年所有衛(wèi)星就位，1995年10宣布“GPS進(jìn)入全面運(yùn)作能力”。GPS是美國(guó)繼阿波羅登月計(jì)劃、航天飛機(jī)之后的第三項(xiàng)重點(diǎn)空間計(jì)劃，是20世紀(jì)的、也是世界上第一個(gè)全球衛(wèi)星

3、導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)世界的經(jīng)濟(jì)起著舉足輕重的作用。使用GPS可以獲得一種全球、全天候、連續(xù)、高精度的定位導(dǎo)航方式。美國(guó)政府在GPS的應(yīng)用中，提供了兩種服務(wù)方式：一種是利用CA碼定位，其精度約為100米，供民間使用；另一種是利用P碼定位，其精度可以達(dá)到10米甚至更高，供軍用。起初的CA碼在試驗(yàn)階段定位精度為30米，美國(guó)采用了SA政策，使得它的定位精度下降到100米。各種消除SA影響的措施于是產(chǎn)生了，最典型的是差分GPS，使得定位精度得到顯著提

4、高。于是，美國(guó)干脆在2000年5月1號(hào)就取消了SA政策，這樣使得GPS的應(yīng)用更加的廣泛。目前，GPS的用戶越來(lái)越多在航海的使用也是非常的多，這里有必要對(duì)GPS的定位精度及其在航海上的應(yīng)用有個(gè)論述。通過(guò)這篇論文的構(gòu)思，并翻閱了大量的資料，作者想要更深程度的搞清楚GPS的定位精度和優(yōu)缺點(diǎn)以及GPS在航海上的應(yīng)用，以便航海人員對(duì)GPS有更深刻的了解，并熟悉其在航海上的應(yīng)用，做到充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，避開(kāi)其缺點(diǎn)，以保障海上航行的安全和提高營(yíng)運(yùn)效率。1

5、GPS系統(tǒng)的組成及工作原理1.1GPS系統(tǒng)的組成:GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由地面支持網(wǎng)、空中衛(wèi)星群和用戶設(shè)備三個(gè)子系統(tǒng)組成的。1.地面支持網(wǎng)：GPS系統(tǒng)的地面支持網(wǎng)由五個(gè)監(jiān)測(cè)站、一個(gè)主控站和四個(gè)注入站組成。監(jiān)測(cè)站收集衛(wèi)星及當(dāng)?shù)貧庀筚Y料送給主控站。主控站根據(jù)這些資料計(jì)算衛(wèi)星軌道等導(dǎo)航信息，然后由注入站每隔8h向衛(wèi)星發(fā)送一次，更新衛(wèi)星資料，以便衛(wèi)星向用戶設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航信息。該子系統(tǒng)的功能是監(jiān)控衛(wèi)星并根據(jù)測(cè)算結(jié)果向衛(wèi)星提供時(shí)間改正參數(shù)、衛(wèi)星星歷等資

6、料。2.空中衛(wèi)星群：GPS系統(tǒng)空中衛(wèi)星群由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，共24顆衛(wèi)星，平均分布在6個(gè)軌道上，每一軌道上有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星接收地面站發(fā)送來(lái)的軌道信息、時(shí)間修正參數(shù)等，進(jìn)行處理后，以1575.42MHZ和1227.60MHZ兩種載波頻率，發(fā)射CA碼和P碼兩種偽隨機(jī)碼調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)。3響，由地面站確定的衛(wèi)星星歷表出現(xiàn)誤差，此誤差叫做星歷表誤差。它只要決定于衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的質(zhì)量，如監(jiān)測(cè)站的數(shù)量及分布；觀測(cè)值的精度；軌道計(jì)算是所用的

7、模型及軟件等。同時(shí)還與星歷表的預(yù)報(bào)間隔有關(guān)。星歷表誤差產(chǎn)生的距離測(cè)量誤差對(duì)于CA碼和P碼通常都在2.5—7.0以內(nèi)。衛(wèi)星鐘誤差主要取決于鐘的質(zhì)量，衛(wèi)星上雖然使用高精度的原子鐘，但是它仍然存在誤差，其系統(tǒng)性誤差可由衛(wèi)星鐘校正參數(shù)加以修正。2)大氣傳播延遲大氣傳播誤差，包括電離層傳播延遲和對(duì)流層傳播延遲兩部分。其誤差可以矯正但是仍然殘留一部分。3)多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)是指GPS用戶接收機(jī)不僅接收來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，還接收來(lái)自其他路徑的該衛(wèi)星的二次輻

8、射信號(hào)，因此，接受的信號(hào)是直射波和反射波產(chǎn)生干涉后的混合信號(hào)。由于直射波與反射波的路徑不同，從而使信號(hào)延遲，產(chǎn)生測(cè)量誤差，稱為多徑效應(yīng)誤差。4)接收機(jī)噪聲和量化誤差由接收機(jī)的硬件和軟件處理信號(hào)引起的噪聲，會(huì)在短距離測(cè)量中對(duì)誤差產(chǎn)生影響。接收機(jī)測(cè)距可以被量化。以CA碼為例，它的碼率1.023MHZS，一個(gè)碼元所對(duì)應(yīng)的寬度為293.2米。如果碼的距離測(cè)量被量化到一個(gè)碼元的164，則量化值為293.264，約為4.6米。在指定的量化值范圍內(nèi)，

9、如果假定使用的量化誤差是均勻分布的，那可以計(jì)算得到總的量化誤差為2.66米。5)接收機(jī)通道間偏差多通道接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于各通道硬件路徑不同，會(huì)產(chǎn)生通道間偏差。6)SA的引入誤差2.2.3使用不同測(cè)地坐標(biāo)系產(chǎn)生地誤差GPS使用的大地測(cè)量基準(zhǔn)為WGS84。而海圖出版機(jī)構(gòu)繪制海圖時(shí)使用的大地測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)多采用當(dāng)?shù)氐幕虮緡?guó)的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)。隨著人造衛(wèi)星的升空，60年代之后，開(kāi)始出現(xiàn)世界的大地測(cè)量基準(zhǔn)，如WGS60、WGS566、WGS72、WGS

10、84。原來(lái)我國(guó)海軍航保部出版的海圖是北京坐標(biāo)系BJS54，現(xiàn)有的GPS導(dǎo)航儀還不具備該坐標(biāo)系與WGS84的轉(zhuǎn)換，此項(xiàng)誤差是影響中國(guó)沿海GPS定位精度的主要部分。一般有幾十米，而且隨緯度變化。海圖的比例尺越大則誤差越大。有資料顯示，目前發(fā)現(xiàn)的最大誤差是在太平洋附近某區(qū)域達(dá)7海里之多，而大多數(shù)情況下，這種誤差達(dá)幾十米至幾百米不等。為了改變這種狀況，我國(guó)海航保證部從2003年開(kāi)始部分海域改用WGS84，但船舶現(xiàn)有的中版海圖仍然有不少北京坐標(biāo)系

11、BJS54（比如最新版的珠江口附近的幾張中版海圖），故仍然須注意這問(wèn)題。2.2.4海圖誤差海圖在制版印刷過(guò)程中，由于一些陸標(biāo)位置不夠精確以及圖中經(jīng)緯度線存在著一定的制版印刷誤差，導(dǎo)致海圖自身存在一些誤差。曾經(jīng)有人做過(guò)這樣的試驗(yàn)：在南美某地區(qū)，用同一時(shí)刻的一個(gè)GPS船位標(biāo)于兩張相鄰的海圖上（有共用區(qū)域），結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩張海圖上的GPS船位與同一陸標(biāo)間的位置相差0.5海里。當(dāng)然這當(dāng)中也包含了駕駛員的作圖誤差。3.GPS的特點(diǎn)與缺陷性3.1GPS