关于GPS的精度问题

你知道GPS目前的定位精度有多高吗？下面小编给大家分享美国GPS系统官网今年3月发布的报告，看完你就知道答案了。

一、评测数据来源

报告由美国德克萨斯大学空间与地球物理实验室（Space and Geophysics Laboratory of The University of Texas at Austin）完成，报告由全球42个跟踪站2018年的全年数据分析统计得到。

图1：跟踪站点分布图（NGA&IGS）

为什么既有IGS的站，又有NGA（National Geospatial-Intelligence Agency，美国国家地理空间情报局）的站？ 稍后解释，继续看。

二、评估方法及结果

报告从信号的覆盖范围、卫星可见性、信号质量、定位精度等几个方面综合评估了GPS系统目前的建设水平，技术指标汇总如下：

注：上表左边是指标项，右边是设计标准，但是实际性能可能已优于设计标准。

三、关键指标分析

3.1、GPS星座状态

据官网，目前GPS系统在轨运行的卫星共有12颗旧卫星（2004年前发射）、19颗新卫星（05到16年发射）组成，其中最多的是2010年至2016年发射的Block IIF型卫星，另外，美国于去年（2018）发射了一颗新型GPS IIIF卫星，为下一代系统升级做测试验证。

3.2、用户测距精度

用户测距精度URE（User Range Error）是最常见的系统精度指标，背后反映了广播星历及卫星时钟精度。

由于URE的具体计算和优缺点并不是本文重点，这里不讨论，总之，URE数值越大说明信号质量越差，数值越小则越好，记住这一点，接着看2018年各卫星的具体情况：

分析：

1、GPS卫星空间信号测距误差（SISRE）约为1.3米。

2、顺便贴下北斗的情况，供大家对比参考：

图4：5月6日北斗系统SISRE指标，来源：中国卫星导航系统管理办公室测试评估研究中心网站

3.3、授时精度

GPS系统官方设计的系统授时精度为40纳秒（95%置信度），但实际精度已经远高于此。研究小组在全球均匀选择了425个仿真点：

图5：授时仿真计算点

每隔15分钟计算一次该位置的授时精度，全天40800个数据，再统计出当天95%置信度的精度。

分析：

1、目测GPS系统授时精度优于5纳秒（95%置信度）。（另据官网2016年的测试数据，官方结论为：优于10纳秒）

3.4、卫星健康状态统计

大家知道，卫星有异常的时候广播星历中有一个字段会表示卫星健康状态，下面是2018全年各卫星的健康状态统计：

分析：

1、GPS卫星的全年可用性约为99.7%。

3.5、卫星可见性

用户在任意位置能看到卫星的数量及分布情况代表了卫星的可见性（可用性），专业上用PDOP值（位置几何精度因子）来表达，总之PDOP越大说明对精度的稀释越大，所以数值越小越好。由于卫星一直在运动，运气不好就会遇到卫星数很少的情况，看起来就像下面这样：

统计全年的数据可以反映出GPS系统的轨道设计和控制水平，GPS系统设计指标为：小于6。但实际情况如何？下表是过去4年的统计情况：

分析：

1、GPS系统PDOP全球平均值约为1.6，远高于设计标准。

2、GPS系统平均可见卫星数约为10.4颗。

3.6、用户定位精度

定位精度是用户最直观的感受系统精度的指标，那么GPS系统设计的定位精度是多少呢？如下：

换句话说，“平面能保证9米“ 是GPS系统的民用设计指标。

实际情况又如何？

由于定位精度关系到多个方面的因素：系统信号质量、接收机的信号质量、终端算法（高度截止角优选卫星或启用接收机自主完整性监测），研究小组分别使用IGS和NGA站网数据，并按是否启用RAIM数据算法进行对比，结果如下：

可以看到， RAIM对于控制粗差有明显作用，能显著提高定位精度，统计结果如下：

表4：全年定位精度统计结果

分析：

1、NGA用接收机似乎比IGS用的好很多。

（NGA是美国军方机构，站点使用的接收机可跟踪军码，上表结果也体系出军码和民码的定位性能差异）。

2、GPS单点定位平面精度优于1.5米（双频伪距）。

另据GPS官网2016年的评测数据，单频伪距单点定位精度优于3.8米，（详见本文资料）

四、结论

1、GPS卫星用户测距信号精度（SISRE）约为1.3米。

2、GPS系统授时精度优于10纳秒。

3、GPS卫星全年可用性约为99.7%。

4、GPS系统PDOP值全球平均值为1.6。

5、GPS系统平均可见卫星数约为10颗。

6、GPS单点定位平面精度可优于1.5米，单频优于4米。