摘要：文章論述了GPS發(fā)展概況，包括SA取消后的美國GPS現(xiàn)代化對GPS應(yīng)用界的影響。簡述了GPS的工作原理，以及影響GPS定位精度的各種誤差因素。采用OFFICE軟件中的EXCEL，處理大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，比較SA取消前后GPS定位精度，重點(diǎn)分析影響GPS精度的各種誤差因素，對GPS民用精度進(jìn)行了分析與評估。同時針對SA取消后航海應(yīng)用中的定位精度，在評估GPS定位精度(2DRMS)基礎(chǔ)上，分別采用不同版海圖，實(shí)測GPS船位與在大比例尺港泊圖上，通過多次陸標(biāo)定位所得的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)船位比較其偏差，分析在不同坐標(biāo)系下，對船舶定位精度的影響，得出采用不同坐標(biāo)系的定位誤差及海圖的誤差。

關(guān)鍵詞：GPS 定位精度 坐標(biāo)系 誤差分析 航海

引言

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System—GPS)，是美國經(jīng)歷20多年研究開發(fā)而成的全球定位系統(tǒng)。它為全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時、高精度的三維位置、三維速度和時間信息。隨著GPS系統(tǒng)正式建成并全面運(yùn)行使用，各國的用戶越來越多，使用范圍越來越廣。目前GPS定位與導(dǎo)航功能已廣泛用于艦船和飛機(jī)，精密測繪、作戰(zhàn)訓(xùn)練、海洋捕撈、資源開發(fā)等。近幾年來，車輛導(dǎo)航與跟蹤在農(nóng)業(yè)、公安和旅游等方面也已廣泛應(yīng)用。GPS尤其在航海中的應(yīng)用，已經(jīng)被航海人員所接受和重視。如船舶營運(yùn)中的定位導(dǎo)航，利用GPS導(dǎo)航儀在復(fù)雜條件下航行，編制計(jì)劃航線及測定羅經(jīng)差，評估雷達(dá)方位、距離精度和拋錨作業(yè)及監(jiān)視錨位等應(yīng)用。因此許多用戶特別關(guān)注GPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及應(yīng)用精度等。隨著美國于2000年5月1日宣布暫停SA(selective availability)政策后，GPS定位精度有大幅度的提高。據(jù)有關(guān)資料表明，目前的定點(diǎn)定位精度已達(dá)到5-10m(2DRMS)。但GPS在航海實(shí)踐中的精度，工作穩(wěn)定度又如何呢?筆者針對這個問題認(rèn)真參考了大量文獻(xiàn)資料，在休斯頓散裝碼頭(HOUSTON Bulk handling plant)和巴西阿拉圖港固體散裝碼頭(Solid Bulk Terminal)分別實(shí)測了大量數(shù)據(jù)，對SA關(guān)閉后的GPS精度做了一些探討和分析。同時針對SA取消后，GPS在航海應(yīng)用中的定位精度，在評估出的GPS定位精度基礎(chǔ)上，在大比例尺港泊圖上定位實(shí)測，與通過多次陸標(biāo)定位所得平均船位作為標(biāo)準(zhǔn)船位比較其偏差，統(tǒng)計(jì)并分析在航海應(yīng)用中GPS的定位精度。

1GPS定位原理

從理論上講，GPS的基本定位方法可以采用測距交匯確定點(diǎn)位法。衛(wèi)星將它們的實(shí)時位置與來自于內(nèi)部原子鐘的時間信息發(fā)射出去，然后根據(jù)信號從衛(wèi)星傳輸?shù)浇邮諜C(jī)天線所用時間，就可以計(jì)算出到GPS接收機(jī)的距離。當(dāng)3顆不同衛(wèi)星的距離d1、d2、d3確定后，以各發(fā)射衛(wèi)星為球心，相應(yīng)距離為半徑，可構(gòu)成3個球面，這3個球面的交匯點(diǎn)即接收機(jī)的位置，這樣就可測定接收機(jī)的三維位置。

但是實(shí)際測量定位中，GPS系統(tǒng)受到很多誤差源的影響，即實(shí)際的定位方法采用的是偽距測量法。導(dǎo)航儀所測出的與衛(wèi)星間的距離是偽距離Ri，如(1)式所示。

Ri=[(Xsi-x)2+(Ysi-y)2+(Zsi-z)2]1/2+CΔtAi+C(Δtu-Δtsi) (1)

式中：Ri—導(dǎo)航儀至第i顆衛(wèi)星的偽距離i=1、2、3、4；

C—光速；

ΔtAi—衛(wèi)星信號的傳播延時和其它誤差；

Δtsi—衛(wèi)星時鐘與GPS系統(tǒng)母鐘的時間偏差，其改正參數(shù)可以從導(dǎo)航電文中獲得；

Δtu—導(dǎo)航儀時鐘與GPS系統(tǒng)母鐘的時間偏差；

Xsi、Ysi、Zsi—衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，它由導(dǎo)航電文計(jì)算求得；

X、y、z—導(dǎo)航儀天線的位置坐標(biāo)。

上面公式中，只有導(dǎo)航儀天線的位置坐標(biāo)x、y、z和導(dǎo)航儀時鐘誤差Δtu為未知數(shù)。所以，需要同時測量4顆衛(wèi)星的偽距離建立4個方程式，才能求得導(dǎo)航儀的三維位置和導(dǎo)航儀的時鐘偏差。而船用導(dǎo)航儀只需測量3顆衛(wèi)星的偽距離，確定船位的經(jīng)、緯度和導(dǎo)航儀的時鐘偏差。

影響GPS測量定位精度的誤差源主要有以下幾種：

第一類是測偽距誤差。這是因?yàn)樵跍y偽距時，由于存在軌道誤差和衛(wèi)星鐘差及信號傳播中由于電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應(yīng)、設(shè)備誤差。也由于這些誤差造成所測接收機(jī)到衛(wèi)星的距離并不是真的距離，而是偽距。

第二類是衛(wèi)星與測者間相對幾何位置的幾何精度因子GDOP(Geometric Dilution of precision)。在航海應(yīng)用中一般取HDOP即水平幾何精度因子。當(dāng)有多于3顆衛(wèi)星時，測者與其中3顆衛(wèi)星構(gòu)成的四面體體積最大時，即此時HDOP最小，水平定位精度就最高。

前兩者誤差的累積為定位誤差σ*HDOP，取兩倍水平位置標(biāo)準(zhǔn)差(2DRMS)△D=2σ*HDOP。

另外幾種誤差是航海定位應(yīng)用中不可避免的誤差。其中一種是GPS采用的WGS-84坐標(biāo)系與海圖采用大地坐標(biāo)系不一致引起的誤差。由于海圖使用的測量基準(zhǔn)與GPS定位參考的基準(zhǔn)不同，使得在海圖上定出的船位就會有誤差。海圖的比例尺越大則誤差越明顯。有資料表明，目前發(fā)現(xiàn)的最大誤差是在太平洋的某區(qū)域達(dá)7n miles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，而且隨緯度變化。此外還有海圖誤差，這是由于海圖在制版印刷過程中，由于一些陸標(biāo)位置不夠精確以及圖中經(jīng)緯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。當(dāng)然還存在其他一些誤差，如天線高度設(shè)置不準(zhǔn)確(不過這種誤差對在海上航行的船舶定位影響很小)和作圖誤差等引入的誤差等。

2GPS定位數(shù)據(jù)實(shí)測、處理與分析

2.1SA取消前后GPS系統(tǒng)定位精度評估與分析

2.1.1SA取消前GPS陸地靜態(tài)定點(diǎn)定位精度評估

SA取消前，于1999年8月份，地點(diǎn)在集美大學(xué)航海學(xué)院8#樓上(φ：24°34′N，λ：118°05′E)，采用Magellan NAV1200XL型號的GPS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)定點(diǎn)定位實(shí)測。圖1顯示了其中的1999年8月20日0800-1100時段的實(shí)測數(shù)據(jù)圖，其中SA取消前的定位精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1GPS陸地靜態(tài)定點(diǎn)定位精度統(tǒng)計(jì)

精度分析：

從表1中可知：

1)SA取消前的GPS定位精度最大誤差小于50m，而2DRMS約為46.508m，此精度較高，主要原因如下：HDOP較小，統(tǒng)計(jì)平均值約為1左右；由于無法獲知測量點(diǎn)的精確位置，而是采用實(shí)測的統(tǒng)計(jì)平均值作為測點(diǎn)的基準(zhǔn)位置，會給精度評估帶來一定的誤差；

2)經(jīng)緯度誤差不等且較大，經(jīng)緯度最大最小值偏差較大，而有的瞬間偏差達(dá)40多米。

從圖1中可知GPS測量概率點(diǎn)雜亂無章且變化范圍較大，這是因?yàn)?/SPAN>SA的干擾所致。

2.1.2SA取消后碼頭靜態(tài)定點(diǎn)定位精度評估

SA取消后，筆者于2007年1月14日在休斯頓港外錨地，采用GP-80型號GPS接收機(jī)，對可見衛(wèi)星數(shù)和HDOP進(jìn)行每隔60s為期4h采樣(0800-1200西6區(qū))。輸入天線高度22m。圖2為可見衛(wèi)星數(shù)實(shí)測變化曲線圖，圖3為HDOP實(shí)測數(shù)變化曲線圖。根據(jù)統(tǒng)計(jì)最少衛(wèi)星數(shù)是6顆，最多為12顆，8顆以上的概率為85.12%；同時HDOP最小值0.7，最大值是1.2，平均值為0.841152，HDOP≤1的概率是95.45%，由此可看出目前的GPS定位精度是相當(dāng)高的，穩(wěn)定度也較好。并且由圖2、圖3變化曲線可得出，可見衛(wèi)星數(shù)和HDOP值的變化有一定的規(guī)律：當(dāng)衛(wèi)星數(shù)多時，HDOP就小，這與理論上是一致的。

筆者于2007年1月20日1230-1600時在休斯頓散裝碼頭(Houston Bulk Handing Plant)(φ29°44.′94Nλ 095°09′.96W)，采用GP-80型號GPS接收機(jī)，進(jìn)行了3.5h采樣，間隔為30s的GPS靜態(tài)定點(diǎn)定位實(shí)測，圖4顯示其中的2007年1月20日1230-1600(西6區(qū))時段的GPS靜態(tài)定點(diǎn)定位實(shí)測數(shù)據(jù)圖。其中定位精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2GPS碼頭靜態(tài)定點(diǎn)定位精度統(tǒng)計(jì)

由表2可知：

(a)SA取消后，GPS經(jīng)緯度最大誤差小于20m，而且經(jīng)度誤差和緯度誤差的標(biāo)準(zhǔn)差相近且都小于5m，其中2DRMS(兩倍水平位置標(biāo)準(zhǔn)差△D=2σ*HDOP)約為12.5763m。此精度相當(dāng)高，當(dāng)然可能與處理數(shù)據(jù)的方法(采用大量船位的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)船位)存在誤差有一定關(guān)系，這也與有關(guān)資料顯示的精度基本相符。

(b)GPS經(jīng)緯度誤差不大，這些主要是因?yàn)?/SPAN>HDOP較小，可見衛(wèi)星數(shù)較多，SA干擾取消后GPS精度有了大幅度的提高。

3不同坐標(biāo)系對定位精度的影響及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過上面的實(shí)測與統(tǒng)計(jì)，已知在WGS-84坐標(biāo)系下，GPS的定位精度(2DRMS)約為12.5763m。下面初步探討不同坐標(biāo)系對船舶定位精度的影響。

筆者在休斯頓散裝碼頭和巴西的阿拉圖港散裝固體碼頭分別觀測了大量數(shù)據(jù)，與分別在美、英版海圖上通過多次陸標(biāo)定位得出的平均船位，作為標(biāo)準(zhǔn)船位比較(船位較為準(zhǔn)確)，來探討采用不同坐標(biāo)系下船舶定位精度。

3.1在美國休斯頓采用WGS-84坐標(biāo)系的定位情況

2007年1月20日1230-1600時在休斯頓港散裝碼頭，采用GP-80型號GPS接收機(jī)，進(jìn)行了3.5h采樣，間隔為30s的GPS靜態(tài)定點(diǎn)定位實(shí)測，所得實(shí)測的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)船位(大比例尺港泊圖多次陸標(biāo)定位、雷達(dá)定位取平均值)φ：29°44.′94Nλ：095°09′.96W比較。最后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3與標(biāo)準(zhǔn)船位比較統(tǒng)計(jì)(休斯頓)

由表3得：GPS船位均方誤差=[兩船位間差值2/(n-1)]1/2=15.0822m

由于使用的大比例尺港泊圖是美版WGS-84坐標(biāo)系，而GPS接收機(jī)也為WGS-84坐標(biāo)系，因此這里只包含△D=2σ*HDOP、海圖誤差和作圖誤差，不存在坐標(biāo)系誤差。

則海圖誤差和作圖誤差=15.0822m-12.5763m=2.5059m。SA取消后在休斯頓的部分實(shí)測數(shù)據(jù)及和標(biāo)準(zhǔn)船位比較后的數(shù)據(jù)在此不一一列表。

3.2在巴西的阿拉圖Corrego Alegre – Minas Gerais Datum坐標(biāo)系的定位情況

筆者于2007年3月31日1230-1630時(西3區(qū))，在巴西的阿拉圖散裝固體碼頭(ARATU Solid Bulk Terminal)進(jìn)行間隔30s連續(xù)4h定點(diǎn)定位實(shí)測，將GPS船位與標(biāo)準(zhǔn)船位φ12°46.42′S，λ038°30.06′W(通過多次陸標(biāo)定位和雷達(dá)定位取平均值)比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4與標(biāo)準(zhǔn)船位比較統(tǒng)計(jì)

由表4知：GPS定位2倍徑向均方誤差為34.6027m，此誤差偏大，這主要是因?yàn)楹D采用的坐標(biāo)系與GPS接收機(jī)內(nèi)設(shè)置的WGS-84不一致所致。下面來探討一下坐標(biāo)系誤差。筆者使用的英版海圖圖號545中NOTE欄中Satellite-Derived Position ：Position obtained from satellite navigation systems，such as GPS，are normally referred to WGS-84.Datum such positions must be adjusted by 0.01 minutes NORTHWARD before plotting on this chart.

由此可知：

φ1=φ+△φ (2)

λ1=λ (3)

式中：φ、λ—為GPS船位的緯、經(jīng)度；φ1、λ1—轉(zhuǎn)換后的緯、經(jīng)度，由于阿拉圖在南半球則△φ=-0′.01

將每組GPS船位坐標(biāo)緯度和經(jīng)度(WGS-84)代入(2)、(3)公式中，分別求出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換到符合海圖坐標(biāo)系的船位。然后比較經(jīng)過修正后的坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)船位的偏差，求出誤差的2倍均方誤差。其中與標(biāo)準(zhǔn)船位比較的和經(jīng)坐標(biāo)系修正后的部分原始實(shí)測數(shù)據(jù)，就不在此一一列表。

由表4知：

GPS船位均方誤差=[兩船位間差值2/(n-1)]1/2=32.6258m

坐標(biāo)系修正后GPS船位均方誤差=[兩船位間差值2/(n-1)]1/2=17.3013m

從上述數(shù)據(jù)可以看出，在總計(jì)的32.6258m的誤差中包含有12.5763m的△D=2σ*HDOP，則剩下的誤差主要由坐標(biāo)系誤差、海圖誤差和作圖誤差組成。

則計(jì)算可知：坐標(biāo)系誤差=32.6258m-17.3013m=15.3245m

則海圖誤差和作圖誤差=17.3013m-12.5763m=4.7251m.

結(jié)論

由實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，SA取消后，GPS定位精度有了很大的提高，由取消前的40多米，提高到目前的12.5763m，而且定位的穩(wěn)定度也有了很大的提高。隨著GPS現(xiàn)代化的進(jìn)一步實(shí)施，GPS定位精度將會有更大的提高。

在實(shí)際航海定位中，GPS精度(2DRMS)為12.5763m時，在英版海圖(坐標(biāo)系不是WGS-84)上定位，得到定位偏差為32.6258m時，坐標(biāo)系誤差為15.3245m，而海圖誤差和作圖誤差為4.7251m；在美版海圖上定位，定位偏差為15.0822m時，由于沒有坐標(biāo)系誤差，兩倍偽距水平誤差為12.5763m，則海圖誤差和作圖誤差為2.5059m。當(dāng)然上述的陸標(biāo)定位中所得的標(biāo)準(zhǔn)船位也不是絕對的精確(雷達(dá)定位的船位是雷達(dá)天線的位置而非GPS天線的位置)，但我們?nèi)匀豢梢缘贸鲆韵碌慕Y(jié)論：

1)在排除坐標(biāo)系誤差的情況下，在港內(nèi)定位精度優(yōu)于20m；

2)當(dāng)海圖坐標(biāo)系與GPS接收機(jī)使用坐標(biāo)系不一致時，由于有坐標(biāo)系誤差，當(dāng)處在精確定位場合時，必須考慮到坐標(biāo)系誤差。

作者：劉俊喜  來源：天津航海