使gps减少误差

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1、使使 GPSGPS 减少误差减少误差壹、研究动机有一天我们找到一个 GPS，我们十分好奇，把它拿起来定位。定位完，猛然发现，GPS 显示我们在河里面！可是我们明明距离河还有一大段的距离，所以，我们决定要来研究如何准确的让 GPS 找到正确的道路。贰、研究目的一、 了解 GPS 的定位原理，并搜寻 GPS 应用软件进行测量。二、 GPS 原始误差测量，探讨造成测量误差的可能来源。并探讨修正 GPS 误差方法，达成准确测量。参、研究设备及器材一、 计算机与因特网二、 GPS 接收器三、 Pocket PC 一台肆、研究过程或方法一、了解 GPS 的定位原理，并搜寻 GPS 应用软件进行测量。(一)

2、GPS 简介及原理： 1.GPS 简介及系统架构：GPS 为 Global Positioning System 的简称，也就是全球卫星定位系统，由分布 20200KM 高空，6 个轨道上的 24 颗卫星，其地面有一个主控站、五个监测站所组成。卫星测量及由设置再地面之 GPS 卫星接收仪，将GPS 卫星位置是为已知，接收其发射的讯号，以空间后方交会法测算点间距离和方位角2.卫星几何精度因子：单点定位的精度受到所接受的卫星在空间的分布状况影响很大，为表示其分布之几何架构对定位精度的影响，以卫星几何精度因子（Dilution of Precision，DOP）来表示，可知 DOP 值乃卫星分布几何

3、架构对点位精度影响的因子，在许多场合下，为特定应用可以更方便，将它分解而用来表示个别坐标量或者用来表示几个坐标量组合而成的 DOP 值，而有如下各种不同 DOP 值之定义：PDOP 位置精度因子：为纬度、经度和高程等误差平方和的开根号值。HDOP 水平 2D 坐标精度因子：为纬度和经度等误差平方和的开根号值。VDOP 垂直坐标精度因子：为高程的误差值。PDOP =HDOP +VDOP 图 1 GPS 系统架构图 2 GPS 定位原理3.GPS 的误差来源：可能有卫星本体因素、信息传播路径及接收仪器三方面所造成，其中卫星本体因素为时钟准确性及轨道位置的内部系统所造成；而信息传播路径是容易受到大气

4、层活动、地形及其它所造成的外部干扰因素，而接收仪器部分为仪器精准度及天线等仪器因素。(二) GPS 软件简介：本组使用下列 GPS 软件，主要测量值为：所在位置（包括经度、纬度及高度） 、卫星几何精度因子 DOP（包括水平及垂直） 、GPS 卫星位置（包括方位角及高度角） 、卫星信号强度、测量稳定度。1.GPS Viewer(1)进阶的卫星信息及定位误差（几何精度因子 PDOP） (2)明确的位置信息2.GPS Tuner 2.0(1)卫星信号及定位误差（几何精度因子 HDOP、VDOP、PDOP） (2)可连续定位，并显示定位点误差半径 (3)可记录存盘图 3 GPS Viewer 卫星状态

5、及信号强度图 4 GPS Tuner2.0 卫星信息及定位误差(三) 定位测量记录及分析方法1.在一定点利用 GPS Tuner 2.0 连续测量 30 次，记录定位点分布及分布半径，以确定卫星数据的定位稳定度。2.待 GPS Tuner 2.0 分布数据稳定后，以 GPS Tuner 2.0 进行 GPS 定位取得位置信息、几何精度因子及卫星信息，并进行连续测量记录。3.以 EXCEL 进行数据分析，寻找造成 GPS 测量误差的因素。二、 GPS 原始误差测量，探讨造成误差的可能性，并探讨修正 GPS 误差方法，达成准确测量。(一)GPS 原始误差测量：在广阔区域于不同时间于定点进行多次测量

6、，求得 GPS 可能 误差范围及原始误差来源。1. 测量原理：影响 GPS 观测地点因素可用固定测量点来消除，可能随时间变化的其它因 素而引起的误差，因此可以用以多次观测取平均的方式达到准确。本组为计算个别测 量的误差，用平均值作为参考值。2. 误差测量：在操场上以皮尺测量，取一条南北方向长为 100 公尺线，于两端进行 GPS 定位测量，并以 Google earth 卫星地图数据库读取两端定位(如图 7)。在不同时间， 以上述方法于测量点进行 15 次的 GPS 定位测量，取到取得位置信息、几何精度因子 及卫星信息记录。3. 三维坐标误差基本分析：采用计算个别实际测量偏差分析，并比较各维度

7、的误差大小。（1）将上述在同一点不同时间所测量的值以 EXCEL 计算经度、纬度、高度平均值， 为平均经度 X0、平均纬度 Y0、平均高度 Z0。 （2）计算个别测量经度差、纬度差及高度差。以经度差为例以 X X X0进 行计算，其中 X 为经度差，X 为个别实测值，X0为平均值。 （3）计算个别测量经度标准化偏差值（Xs） 、纬度标准化偏差值（Ys）及高度 标准化偏差值（Zs） 。其中 XsX / X 标准差。 （4）因经度、纬度测量值精准度达 0.1“，而在测量时均在固定范围内进行，经 度在 E 12027而纬度在 N 2329 ，故描述时只需采角秒的值。 （5）将所得三维坐标误差进行分析

8、，比较各维度测量偏差值分布。4. 以实测平均值和 Google earth 测量值比对，比较实测平均值和卫星地图间的差异。 5. 以散布图分析实际测量水平偏差（Hs）和 HDOP 值的一致性。其中水平偏差为 Hs =Xs +Ys 6. 以 HDOP 值和 Tuner2.0 所得定位点误差半径、已接收卫星数进行分析，确定 HDOP 是否 为测量稳定度。7. 探讨上述分析找寻 GPS 测量误差的可能性。(二)在不同环境条件，探讨环境对 GPS 定位的影响：除 GPS 原始误差外，本组推测环 境亦可能对 GPS 信号造成干扰，故设计本实验来进行证实。 1. 建筑物对定位的影响：从学校大楼东侧（图 8

9、）向东拉一条长为 40 公尺线，每隔 10 公尺进行 GPS 定位测量，以上述方法进行 GPS 定位测量，取到取得位置信息、几何 精度因子及卫星信息记录。比较不同距离下卫星数据的定位稳定度，找出误差来源。2. 植物对定位的影响：从植物正下方（图 9）向东拉一条长为 40 公尺线，每隔 10 公尺 进行 GPS 定位测量，以上述方法进行 GPS 定位测量，取到取得位置信息、几何精度 因子及卫星信息记录。比较不同距离下卫星数据的定位稳定度，找出所造成的误差。图 7 GPS 定位误差测量取点位置图 8 测量建筑物对定位影响的取点位置图 9 测量植物对定位影响的取点位置伍、结果与讨论一、GPS 原始误

10、差测量，探讨造成误差的可能来源。1. 从二个实测点的 15 次测量结果进行分析（表 1）显示，单次测量误差以经度误差 较小，标准差约约为 4.0m，纬度误差较大，标准差可达 8.0m，水平标准差约为 8.5m 左右；高度标准差可达 6.4m，三维空间标准差约为 10.4m。显示平均测量误 差值在各方向大致相同。2. 和 Google earth 测量值比对结果（表 1）显示，经度及纬度在采用实测平均值后 和 google earth 测量值差均在 0.04”内，水平测量平均偏差为 1.1m 左右；但在高度测量误差极大，达 23.5m。从上列结果显示，采用多次平均计算在 GPS 水平 定位有极高

11、精准度，但在高度测量较不精准，但从上述分析发现高度测量仍有一 定的稳定性，可由数据库查询做平移修正。3. 我们预期 GPS 测量误差若由地形或大气的外部所造成的，应在经度、纬度及高度 同时差生系统性的误差，在各维度偏差相关性分析结果应有关连性，从图 10 显 示经度和纬度偏差为低度相关，相关系数约为 0.21，虽和预期结果相差较大，但 仍有此现象，而图 11 和图 12 显示高度偏差和经度、纬度偏差较无关；整体分析 显示，GPS 的误差没有明显同时一致性，这表示非信息传播路径所造成；而在高 度偏差均和其它两者完成无关，这可能和高度测量偏差太大所造成。我们认为GPS 在高度测量不佳，也不容易修正

12、。因此本组就只针对 GPS 水平定位进行经度和纬度的探讨，也就是 HDOP。 4. HDOP 应为卫星分布几何架构对点位精度影响的因子，但从实测水平偏差值和 HDOP散布分析（图 13）显示，HDOP 和实测水平偏差无明显的相关性，因此可知 HDOP 数值小并不能代表该次测量的位置坐标一定精准度。5. 从 HDOP 和已接收信号卫星数分析（图 14）显示，接收到的卫星数愈多 HDOP 值愈 小；HDOP 和定位误差半径散布分析（图 15）显示，定位误差半径和 HDOP 呈正比； 因此我们认为 HDOP 的值只能代表此次测量有一定的稳定度。亦表示仪器接收的 信号稳定，仪器误差小。表 1 实测平均

13、和 google earth 测量值比对结果测量结果经度(12027)纬度(2329)水平实际测量标准差高度三维实际测量标准差实测点 120.73”29.45”59m标准差0.13”(3.5m)0.27”(8.0m)8.7m5.7m10.4 m实测点 220.96”26.35”58m标准差0.15”(4.0m)0.24”(7.2m)8.2m6.4m10.3m卫星地图点 120.69”29.43”34m卫星地图点 220.95”26.38”36m经度偏差纬度偏差水平偏差高度偏差3D 偏差点 1 实测和卫星地图偏差0.04”(1.1m)0.02”(0.6m)1.2 m25m25.0m点 2 实测和

14、卫星地图偏差0.01”(0.3m)0.03”(0.9m)0.9m22m22.0m平均偏差0.7m0.8m1.1m23.5m23.5m經度偏差和緯度偏差相關性y = 0.1895x - 0.0069R2 = 0.0443-1.20-1.00-0.80-0.60-0.40-0.200.000.200.400.600.80-2.00-1.50-1.00-0.500.000.501.001.502.00經度偏差緯 度 偏 差图 10 经度偏差和纬度偏差散布分析經度偏差和高度偏差相關y = -0.0811x + 0.001R2 = 0.0066-2.50-2.00-1.50-1.00-0.500.000

15、.501.001.502.002.50-2.00-1.50-1.00-0.500.000.501.001.502.00經度偏差高 度 偏 差图 11 经度偏差和高度偏差散布分析緯度偏差和高度偏差分析y = 0.0833x + 0.0007R2 = 0.0069-2.50-2.00-1.50-1.00-0.500.000.501.001.502.002.50-1.20-1.00-0.80-0.60-0.40-0.200.000.200.400.600.80緯度偏差高 度 偏 差图 12 纬度偏差和高度偏差散布分析y = -0.0955x + 2.2627R2 = 0.029200.511.522

16、.533.500.511.522.533.5水平偏差值H D O P图 13 水平偏差值和 HDOP 散布分析y = -1.5947x + 11.45R2 = 0.398701234567891000.511.522.533.5HDOP已 接 收 衛 星 數图 14 HDOP 和已接收信号卫星数散布分析y = 6.0999x - 2.7629R2 = 0.5932024681012141600.511.522.533.5HDOP定 位 誤 差 半 徑图 15 HDOP 和定位误差半径散布分析6. 综合上述分析结果，我们认为测量的精准度及误差，可从 GPS 测量定位稳定度及 定位精准度二个部分来看，在个别单次测量各项信息得到的测量稳定度，显示GPS 定位具有稳定性，表示其误差来源非仪器所造成的误差；但在精准度上发现， 精准在各维度偏差较无关连表示亦非信息传播路径所造成，因此我们认为主要的误差来源应为 GPS 卫星所造成。 7. 采用不同时间多次测量，所计算的平均值和 Google earth 卫星数据一致的精准位 置，