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GPS误差来源

GPS定位的方法在车辆定位中应用日趋广泛，但由于GPS系统容易受到外界环境的干扰，尤其是在高楼林立的城市，或者车辆通过隧道及立交桥时，GPS卫星信号将很差甚至失效而无法定位。要得到连续可靠的定位信息就需要其它的辅助手段。

另外，GPS定位的主要误差来源于以下几个方面：

a．空间卫星误差。主要是卫星星历误差、卫星钟差误差和卫星设备延迟误差意占守：

b．接收机误差。主要有测量误差、计算误差和设备延迟误差等；

c．外界条件误差。主要是卫星信号传播中所产生的误差，如对流层传播延迟、电离层传播延迟和多路径效应误差等。下面主要分析几种误差的原因。

(1)伪距测量误差源

1)卫星星历误差

定位中卫星星历和卫星钟差都是作为已知量，然而它们都是通过地面控制部分测定的，含有较大的误差，特别是广播星历具有较大的误差。卫星位置误差通常用径向、切向、法向3个分量表示。其中沿轨切向误差较大，由于GPS轨道比较高，切向、法向误差基本没有影响，主要是径向误差的影响。也就是说，卫星的位置误差之径向分量可近似的认为等效于伪距误差dr，它与接收机相对卫星的位置无关。

2)卫星钟差误差

卫星钟差出，定义为卫星钟面时与GPS时之差值。GPS主控站不断预报此项误差，并通过导航电文发播出钟差多项式系数的估计值。

3)接收机钟差

接收机钟差址，是指接收机钟面时与GPS时之偏差，其误差取决于钟漂大小。

4)接收机的观测误差

接收机观测噪声与接收机元件、跟踪环路带宽、载体机动情况、信噪比有关。

对C／A码，此项误差约为l到3米；对于P码，此项约为10到30米。

5)多路径效应误差

多路径效应是由于天线周围其它表面反射的卫星信号迭加进接收信号中，从而使信号特性发生变形，可造成1．2到2．7米的误差。利用RF吸收板、调整天线的位置等可以减弱此项误差的影响。

6)延迟性误差

信号在传播过程中，受电离层折射的影响，产生附加的信号延迟，信号延迟造成测距误差可达到2到5米。综合以上各误差源的影响，由于各误差源引起的用户总的伪距测量误差约为3．6到6．3米。

(2)误差几何精度因子

上面叙述的测距误差不等于用户最终的定位误差，用户是利用测量的伪距推算用户位置，定位误差不但受测量误差影响外，还受所选4颗卫星几何图形的影响。采用误差几何放大因子(即GDOP)表示。其意义是用户测量位置和时间所能达到的精度等于距离测量精度乘以误差几何放大因子。

根据定位和授时需要，GDOP分为几个因子参数：三维位置误差放大系数((PDOP)、二维水平位置误差放大系数(HDOP)、垂直高度误差放大系数(VDOP)和时间误差放大系数(TDOP)。显然，如果GDOP的数值减小，表明所选的卫星几何图形越理想，就可以使位置和时间的偏差减小。

而DR是典型的独立定位技术，在短时间内能够保持较高的精度，且其有效性不受外界影响，但该方法仅能确定相对位置，且误差将随推算过程而累加。因此，GPS和DR存在很强的互补关系。一方面，GPS提供的绝对位置信息可以为DR提供推算定位的初始值并进行误差校正；另一方面，DR的推算结果可用于补偿部分GPS定位中的随机误差，从而平滑定位轨迹(尤其是在SA关闭前)。所以，利用适当的方法将两种系统组合起来，充分利用其定位信息的互补性，就能够获得比单独使用任何一种时都要高的定位精度和可靠性。

所以实际中就是利用GPS和DR各自的特点进行取长补短，进行数据融合后得到精度更高的定位信息。如采用联合卡尔曼滤波分别对GPS和DR进行标准卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波，消除各自产生的误差，然后根据权重来判断当前采用哪个更加可信。

惯性导航一些基本概念

惯性导航的主要功能是从陀螺仪、加速度计和里程计等传感器中获取车体的角速度，方位加速度和距离，经过航位推测法DR计算后推测出当前车体的位置和方位，然后结合读取的GPS的信息进行卡尔曼滤波去掉陀螺仪和加速度计的各种误差后补正最终结果，然后输出给路径引导和地图显示等模块在地图上反映出当前车辆位于道路的位置信息。

DR:Dead Reckoning首字母缩写，航位推算是一种非常原始的自主式车辆定位。在十八和十九世纪期间，各种海图十分缺乏，其价格非常昂贵，船员们常常通过船只的已知航向和速度，利用数学公式推算出船只的当前位置，这种技术被称为估计推算法(Deduced Reckoning)，后米又简称为Ded Reckoning，几经演化成为今天的航位推算(DR--Dead Reckoning)，国内亦有学者称为推测航法。航位推算的现代定义由Cotter提出，其定义为“从一个已知的坐标位置开始，根据运载体在该点的航向、航速和航行时间，推算下一时刻的坐标位置的导航过科称为航位推算”。

GYRO：陀螺仪，用来记录车辆方向变化的装置。

加速度计：用来测量车辆各个方位的加速度变化的装置。

Speed Pulse：速度脉冲，一般车辆利用速度脉冲来计算车辆行驶速度和走形距离。

零点误差 zero error：陀螺仪和加速度计在静止和水平的情况下输出的电压值。又称零点偏差，该值对计算正确的角速度和倾斜角有很大的影响。

比例因子 Scale factor:陀螺仪和加速度计的输出值根据A/D转换后得到的是电压值，所以要转换成相应的角速度和重力加速度，还要再乘以一个比例因子。又称sensibility。灵感度或感度。该值在实际应用中也存在误差。本文中我们称为比例因子。

距离系数：得到里程计输出的脉冲数后，还需要乘以一个距离系数，才能得到单位时间内车辆的走形距离。该系数因为车胎内外压力不同、车胎直径的变化等存在误差。

卡尔曼滤波：一种高效率的递归滤波器(自回归滤波器), 它能够从一系列的不完全包含噪声的测量中，估计动态系统的状态。简单来说，卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法。基本思想是以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值，算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计

滤波发散：当滤波的实际误差远远超过滤波误差的允许范围，甚至于趋向无穷大，使得滤波器推动作用，这种现象叫做滤波的发散。

墨卡托(Mercator)投影：又名“等角正轴圆柱投影”，荷兰地图学家墨卡托（Mercator）在1569年拟定，假设地球被围在一个中空的圆柱里，其赤道与圆柱相接触，然后再假想地球中心有一盏灯，把球面上的图形投影到圆柱体上，再把圆柱体展开，这就是一幅标准纬线为零度（即赤道）的“墨卡托投影”绘制出的世界地图。

多路径效应：GPS卫星从2万公里高空向地面发射电磁波，地面接收机的天线可以收到这种信号并跟踪GPS卫星完成定位或导航任务。但是，GPS发射的电磁波信号并不是一条条的直线信号而是向四面八方的，地面上接收机周围必定有一些其他的物体，这些物体或多或少要反射GPS信号。因此，接收机天线不但收到了沿最小光程路径来的GPS直达信号，也收到经各种反射物反射后到达接收机天线的信号。这两种经不同路径到达接收机天线的信号会产生叠加，成为一种新的复合信号。这种复合信号与直达信号相比会产生路径延迟和相位延迟，从而对定位结果产生影响，这就是多路径效应现象