GPS一些似是而非的觀念釐清

Haily wrote:
哇~有這麼專業的GP...(恕刪)


2.為何歐盟的伽利略系統可以號稱比目前的GPS更精確, 有更新的技術能夠改善目前的誤差嗎?
比如可以克服電離層誤差? 反射? 或者不需要好的幾何角度? 穿透力更好?

首先跟大家說明關於定位系統現在共有
1.GPS 2.GLONASS 3.伽利略 (4.中國的北斗星...??我不知道若有中國的朋友請補充! )
而輔助定位系統 目前有
1.WAAS(美國) 2.EGNOS(歐洲) 3.MSAS(日本)

在GNSS-1範疇中 包含GPS、GLONASS與WAAS
GNSS-2中會加入伽利略 與EGNOS

版主提到克服電離層的誤差...這個部分我待會解釋,目前GNSS-2尚未完成部屬,所以是否比較好我想還是未知數,理論上當然比較好以GNSS的角度來看,若單以定位系統分析或許相差無幾,這個範圍真的很大我想我還是針對版主的問題一一回答再補充幾點好了
1.伽利略系統GPS更精確?以定位系統而言應該相差無幾!!
2.有更新的技術能夠改善目前的誤差嗎?我認為沒有(這個部分我沒把握,請有相關資訊的人提供正確資料給大家),但是加入輔助定位系統當然精度會提高
3.可以克服電離層誤差? 目前從GPS廣播導航信息中,針對電離層修正參數最多只能消除50%,其他仍須透過輔助定位系統提供的修正信息,要消除電離層,需透過雙頻的方式來修正,假釋有一顆1號衛星發送信號,而你有雙頻接收機,當L1 BAND(1575.42MHz)與L2 BAND(1227.6MHz)在空中透過電離層,因頻率不同在電離層傳播的速率也不同故可求得其差,進而修正電離層誤差,但你的接收機不可能是雙頻,因為不會那麼便宜,所以我以WAAS為例,當其有一廣域參考站接收GPS信號取得各種可修正之修正值(當然是高檔接收機含雙頻,可以以空中一次差的方式求的電離層誤差),然後上傳至INMARSAT的同步通訊衛星(全球有4顆 大西洋、印度洋、太平洋東、太平洋西),該INMARSAT以與相同GPS頻率廣播出其修正訊號,為什麼要同步衛星呢?因為剛剛提到的廣域參考站(WRS)假設在太平洋西,其所量測到的電離層誤差與你接收機所收到的GPS電離層誤差事實上是不同的,因為GPS信號通過電離層的路徑到地面站與到你的接收機是不同的,但也可以消除大部分的誤差,因為通過電離層的路徑不同所以使用同步衛星廣播於該區域,因為在別的區域可能收不到就算收到也幫助無多。
4.反射?或者不需要好的幾何角度? 穿透力更好?
取決於發射的功率與頻率與信號傳播路徑,而伽利略會跟GPS不同嗎?會改善嗎?我不這麼認為,如果你能提供相關資料文獻我會很高興,幾何問題事實上衛星越多其幾何誤差越小當然量測誤差會變大,請參考我在上面的解說。

提供給大家參考
大家知道衛星的編號吧,也就是所謂的PRN,該PRN的編碼有一定的規則,但放心我不會說這一段,因為這對大家不重要,我跟大家說
未來你們看到衛星編號你們就能得知該衛星是什麼衛星
1~37號衛星是GPS
38~61是GLONASS
62~119伽利略與其他未來會加入的定位衛星
120~138 WAAS同步衛星
139~210未來GNSS...

美國未來會在L2上也調變C/A CODE用以估算電離層誤差,什麼時候,我不知道未來在新型GPS衛星(Block III)上亦會加上一個L5的載波(1176.45),此頻率可與L1與L2作為區隔避免干擾,且若使用做做雙頻電碼以估算電離層的延遲時更為有效



Haily wrote:
哇~有這麼專業的GP...(恕刪)


關於航位推算(Dead Reckoning)是否有涉獵? 據國外研究高度開發的都市內 "航位推算" 會比GPS定位更穩定? 是否有統計過 GPS 都市內的平均誤差值?
航位推算(Dead Reckoning),在沒有GPS之前就有,最早用在海上航行,為什麼我會知道,因為....小弟也跑過船,古時候的航海人員並沒有GPS,所以我們在航行的過程中我們會使用六分儀來量測天體高度(天體..就是星星、月亮、太陽,星星又分為行星與恆星),並依據航海曆的資料搭配229表解算出位置線,這是使用天體做位置線解算,或使用中天求緯,我知道這很難懂,除非你是航海人員!我講白話一點,位置線的問題請參考上面我的說明,大多時候我們都用太陽來求位置線,但我們會位置線的哪裡呢?我們只知道我們在這位置線的任何一點上但我們不知道我們在哪一點,所以假設我們在早上10點算出一條位置線,早上11點又算出一條位置線,將十點的位置線平移至11點,交叉的那一點就是你的位置,這些作業都是算好之後劃在海圖之上;能直接做定位嗎?是的可以,我曾經一次觀測7顆星星算出我們船舶的位置,但算完已經是40分鐘以後的事了,那時我就可以得知我在40分鐘前的位置,因為我都是用手算,所以很慢,實際上3星即可做較準確的定位,接下來我要回答版主的問題了,我在11點算完之後把10點的位置線平移知道我的位置,但是11點之後天空烏雲密佈,我看不到星星月亮太陽,我該怎麼辦呢?事實上這時候就要開始做DR了,我把10點到11點的向量又移到11點來,那我就可以推算我在12點的位置,若一直無法觀測,我再把這個向量再推到13點..這個就是推算航法,也就是DR。

我已經解釋完什麼是DR了,但我請教各位這裡面發生了什麼問題?沒錯!!跟你想的一樣,這誤差是累積的,也就是說當10點到11點這向量有誤差時,你的誤差會隨著時間越推越大,更何況在海上還有流水與風的問題,好的~我們回到路上,回到GPS領域,我使用的天體定位解算你們可以想像就是GPS定位,當然我的精確度差多了,而烏雲密佈無法看到天體時,就好像GPS接收機進入到隧道或都市叢林中,這時候GPS本身就可以做DR不需使用其他裝置,也就是GPS在喪失定位之後,他可以根據之前最後一個有效位置與向量推出下一時刻的位置,有很多IC廠商都是做麼做,當然技巧不同,有興趣你們可以觀察看看,我看到有中國的朋友提到陀螺儀,我跟大家解釋那是什麼東西。

什麼是陀螺儀?
陀螺儀的原理是有三個互相垂直的圓環連接在一起,當3個環皆在高速轉動的情況下,最內部的環的極心會遙指空間的某一點,無論你怎麼轉動那個最內環的的極心指向空間的那一點都不會移動,所以陀螺儀利用這個原理可以求出方向的資訊。這根導航有關連嗎?跟DR有關嗎?GPS有其缺點就是有時候會無法定位,所以我們就會整合其他東西進來,這就是所謂的整合式定位系統,還記得我剛剛提到的DR嗎?在我提到DR中有一個東西是非常重要那就是向量,所謂向量就是有方向、有距離(距離就是速度,因速度是位置的微分),所以根據最後的有效位置加上向量就可以得到下一個位置

那麼有哪些方式呢? 一般單純GPS僅能以之前的資訊作為推算的依據,這跟我在海上使用的推算航法一模一樣,但是向量一定要從之前資訊獲得嗎?所以有很多方式,我想再一次強調向量有1.方向 2.距離
我們來看哪些可以得到方向 哪些可以得到距離?
1.方向:可獲得方向的感測器普遍上有羅盤、陀螺儀
2.距離(或速度或加速度):加速儀,輪速計(有些車子有其自己的方式測速),海上也有許多但我不提
所以那位中國朋友提到的就是使用陀螺儀與輪速計的方式整合GPS,如版主所提到的穩定嗎?我跟版主保證絕對穩定.....的保持誤差越來越大,但短時間絕對是沒問題的,當然這樣看其是用何種整合方式,像這種感測元件一般都是用非耦合型的整合方式。

我有提到有一種INS(Inertial navigation system)慣性導航系統,一般用於飛機、太空梭(外太空可以用GPS導航嗎?我有時間我在跟大家介紹,據我所知有些是用追星定位系統..)、與潛水艇,INS目前很貴...而且貴很久了所以一直無法推廣作為強健式導航(這是我發明的名詞),回到INS,事實上INS就是整合加速儀與陀螺儀感測元件的東西,可取得3度空間的向量與載具姿態,我想解釋一下何謂加速儀,你們想像有一個彈簧連到一個有重力的東西,移動的時候彈簧的受力不同,借以量測移動時質量的加速度,當然加速度(加速度是速度的微分),也就可以求出速度與距離,注意的是加速儀無法量測重力加速度,也就是加速度一定其值為0,OK~這INS一樣有著缺點,就是誤差會累積,這和我前面提到DR時原理是一模一樣的.....至於版主提到都市的差值,我沒有辦法告訴你,因為說了我們也無法證明,但我可以告訴你,若單以GPS而無整合其他感測元件,能多準確呢?在你速度有變化或轉彎就不行了,我以前有做過當針對某顆衛星信號遺失時,推算其訊號,但跟直些位置差不多,所以沒再做下去,或許你所提的計畫有更好的演算法也不一定,但是我相信你也經能判斷那是什麼樣的問題了





yangren wrote:
太太太....太精彩...(恕刪)


Singal Level(C/N值)與接收到的訊號是否有線性關係? 如何計算?

接收機接收GPS信號時會受到環境雜訊的影響,如熱雜訊、干擾、電子反制等,GPS信號的頻寬約為2Mhz,
假設其等效雜訊溫度為513度K(K為波茲曼常數)
雜訊密度為-201.5dBW/Hz
若載波強度為-160dBW
則訊號雜訊比為41.5dB-Hz

訊號強度的計算如上我是去找相關的範例
但每家GPS IC廠商接收的條件並不相同,所以不會有線性關係,那相關的條件有使用者接收的功率、天線增益、路徑損耗、偏極化匹配損耗...等
說實在的 這部分比較屬於RF,我也無法很清楚的跟你解釋,如果有相關專家,請協助讓我們瞭解

allai wrote:
沒有錯如你所說是用位置,所以假設速度慢時位移量小,當然兩點形成的角度因一點點誤差會變大很多,兩點距離遠時誤差的影響當然會變小,但是.....有那麼單純嗎?


感謝你的解惑, 那如果我提出這樣的假設, 你看看是否有可能以此方式改善GPS航向的運算:
雖然有卡曼濾波, 但是有時候定點的時候座標不斷的漂移, 此時卡曼濾波就會慢慢的失效. 很多GPS的航向就開始亂轉.
但是如果把速度當成條件(速度是用都普勒效應算出來的吧!?), 當速度低於一個速度(Knot)就把該點當作無效點, 停止加入卡曼濾波, 直到速度回復...而卡曼濾波要歸零吧.

如果能加入電子羅盤來校正航向那就更完美了, 就算慢速度或者原地迴轉都能正確顯示. 而目前電子羅盤都已經微型(IC)化 , 可以使用在手持式導航系統. 而且這也能使用在DR上面, 做為失去GPS信號的航向依據.

allai wrote:
在你速度有變化或轉彎就不行了,我以前有做過當針對某顆衛星信號遺失時,推算其訊號,但跟直些位置差不多,所以沒再做下去,或許你所提的計畫有更好的演算法也不一定,但是我相信你也經能判斷那是什麼樣的問題了


目前許多 G-Sensor 也微型(IC)化, 所以使用這種加速度感知器可以偵測速度的改變, 也就是在GPS還能接收的最後速度作為當時航速開始推算, 以固定每秒鐘偵測數十次來對航速做加減算. 再以航速乘以時間得到距離.

最近也接觸了兩種 G-Sensor:
一種就是內建重力捶, 可以感知加速度或者重力傾角. 原理跟Allai講的差不多, 不同的地方是固定重力棰為兩個 "彈簧"固定在兩側, 當傾斜的時候, 由於重力捶會因為重力產生扭轉的力量, 造成兩個彈簧拉扯的方向不同....
另一種類似空速計的原理, 利用熱點加熱空氣, 當移動的時候以氣體分子流動帶動熱能來感知速度. 據稱此技術使用在航機上!? 不過已有IC封裝可運用再手持式設備

而這兩個感知器的累積誤差隨著DR時間越久, 誤差越大, 可是畢竟GPS失去信號的時間不會太久.
另外P牌的車機也使用到地圖校正(Map Matching), 利用道路的行進方向與每個路口轉角來對方位與距離來校正這兩個SENSOR的誤差, 可以延長DR導航的精確度.

我個人覺得手持式 GPS 發展至此, 應該往這個方向發展, 讓DR導航不在只是車機專有的功能.
對我而言真是有字天書,果是隔行如隔山。還是繼續研究SiRF 的股票現在能不能下手比較簡單^_^

allai wrote:
Singal Level(C/N值)與接收到的訊號是否有線性關係? 如何計算?

接收機接收GPS信號時會受到環境雜訊的影響,如熱雜訊、干擾、電子反制等,GPS信號的頻寬約為2Mhz,
假設其等效雜訊溫度為513度K(K為波茲曼常數)
雜訊密度為-201.5dBW/Hz
若載波強度為-160dBW
則訊號雜訊比為41.5dB-Hz

訊號強度的計算如上我是去找相關的範例
但每家GPS IC廠商接收的條件並不相同,所以不會有線性關係,那相關的條件有使用者接收的功率、天線增益、路徑損耗、偏極化匹配損耗...等
說實在的 這部分比較屬於RF,我也無法很清楚的跟你解釋,如果有相關專家,請協助讓我們瞭解

通訊元件不同於電腦運算, 沒有線性關係存在, 這就是無線電通訊讓人頭痛之處, 當然沒有公式可以計算, 這概念只有在理想狀態下存在, 你可以用量測儀器進行紀錄後, 就可以知道該元件的"線性關係"了!
allai wrote:
...很久沒用GPS,定位變的好慢,原因就是?
1.RTC溢位:RTC(Real time clock)就是幫助當GPS關機時時間的計數器,但某些廠牌IC使用的COUNTER太小,故溢位後就會喪失時間
2.星歷資料過期,星歷資料分為兩種,精細與粗略,精細的有效約為半小時,粗略的有效約1~2星期,粗略的星歷資料任何一個衛星都能廣播,一個週期為12.5分鐘,精細的星歷資料週期為30秒,但每一顆衛星的精細星歷資料只能有該顆衛星所廣播
3.備份上述3要件的電池沒電,資料遺失故又變成冷開機...

滿分~很詳細的分享~
再請問allai大俠,
[粗略星歷]有效約1~2星期,
那為何GARMIN的機子規格都寫3個月以上才需要重收星曆,
且5分鐘就可以定位成功?
感恩先~
Allai大大:
測量級GPS接收機可以精確到1 cm以下, 可以雙頻接收, 也必須放樣數小時, 測量人員解釋有內部運算進行已提高精確度, 不知道你可知道內部運算是做什麼? 更好奇的是沒有WAAS輔助便可以精細到cm以下?
但是如果把速度當成條件(速度是用都普勒效應算出來的吧!?), 當速度低於一個速度(Knot)就把該點當作無效點, 停止加入卡曼濾波, 直到速度回復...而卡曼濾波要歸零吧.
如果能加入電子羅盤來校正航向那就更完美了, 就算慢速度或者原地迴轉都能正確顯示. 而目前電子羅盤都已經微型(IC)化 , 可以使用在手持式導航系統. 而且這也能使用在DR上面, 做為失去GPS信號的航向依據.


速度是用都普勒效應算出來的吧!?
版主還是很堅持,是的,透過都普勒頻移可以算出接收機對某一顆衛星的速度,但是不同相對位置會造成誤差,因以頻率換算速度所造成的誤差,可能造成速度很大的落差(因光速值很大,若再變成時速,假設單位時間為秒,換成小時變成3600倍,故有1公尺的誤差,你想會變多大..),事實上其跟航向解算一樣,當然也可以用你所說的方式,全依GPS IC廠的作法而定。(有些透過內部演算出來後,或許在結果之外仍有故意過濾速度之意)
電子羅盤,是的哪可以提供方向方面的訊息,可是磁羅經含自差與地磁差,故較不可靠,僅能提供大概之方位,另外依環境不同影響層面更大,如在大樓地下室方向可就....差很多,因為大樓的鋼筋結構影響環境磁場。你所說加入方向感測器是可以的,而且很有概念唷,可惜~~你舉COMPASS的例子,目前是不可行的,我的羅經學也有研究,有機會跟你探討。我簡單說明關於羅經方向與真方向中間的誤差如何計算,很簡單~~
羅經方位C-----自差D----- 磁方位M----- 地磁差V-----真北 T -->往這邊算東加西減

我在網路上找個例子算給大家看就知道了
某船之航向為350°PSC,自差為3°W,地磁差為12°E。求:

解:此為一修正問題。自差為西應為相減,磁航向為350°-3°=347°。地磁差為東應為相加,真航向為347°+12°=359°

C ----- D ----- M ----- V ----- T
350 --- 3W --- 347 --- 12E --- 359

C:以羅經磁針之軸為基準所量度之方向。

D:磁羅經裝於木質或無磁性之船上時,其羅經盤之軸之北端必指向磁北,所示之各方向均為磁方向。如裝在鋼鐵之船上則情形即不相同。因為鋼鐵之船多少均帶有磁性,因之羅經盤之軸即不能與磁子午線完全重合。此種由於船體之磁性影響而使羅經盤之軸與磁子午線方向不一致,而之差角謂之自差。自差之原因雖地磁差有別,但對其標註之方法則相同。如當羅經盤欴指向偏在磁北之東時謂之東自差,標註E。若偏在磁北之西時謂之西自差,標註W

M:以磁子午線為基準所量度之方向

V:某地之真子午線與磁子午線間之水平夾角稱為該地之地磁差。又稱磁偏角或地磁偏。
地面上各相等地磁差點之連線稱為等磁偏。連接地磁差為零之線稱無偏線。
當地球磁場之方向偏於子午線之西,即該地磁針之尋北端指於真北之西時,稱其為西磁偏差。當磁針之尋北端指於真北之東時,稱其為東磁偏差。
各地之地磁差經一長期間均會改變,有云,磁極繞地極一週為960年,惟經以往之觀測發磁極之移動並非常數,地磁差之值每天、每年均有變化,由於其變化值很小,對於航行之應用並不影響。致於有影響之部分經數年來所測得之平均值而製成地磁差及磁偏線。世界主要海權國之海圖發行機構均有定期發行地磁差圖。
在量度地磁差時,應先查清楚,應先查清楚,在該地區是否有當地磁場存在。

T:以地球子午線為基準所量度之方向







Haily wrote:
目前許多 G-Sensor 也微型(IC)化, 所以使用這種加速度感知器可以偵測速度的改變, 也就是在GPS還能接收的最後速度作為當時航速開始推算, 以固定每秒鐘偵測數十次來對航速做加減算. 再以航速乘以時間得到距離.
最近也接觸了兩種 G-Sensor:
一種就是內建重力捶, 可以感知加速度或者重力傾角. 原理跟Allai講的差不多, 不同的地方是固定重力棰為兩個 "彈簧"固定在兩側, 當傾斜的時候, 由於重力捶會因為重力產生扭轉的力量, 造成兩個彈簧拉扯的方向不同....
另一種類似空速計的原理, 利用熱點加熱空氣, 當移動的時候以氣體分子流動帶動熱能來感知速度. 據稱此技術使用在航機上!? 不過已有IC封裝可運用再手持式設備

而這兩個感知器的累積誤差隨著DR時間越久, 誤差越大, 可是畢竟GPS失去信號的時間不會太久.
另外P牌的車機也使用到地圖校正(Map Matching), 利用道路的行進方向與每個路口轉角來對方位與距離來校正這兩個SENSOR的誤差, 可以延長DR導航的精確度.

我個人覺得手持式 GPS 發展至此, 應該往這個方向發展, 讓DR導航不在只是車機專有的功能....(恕刪)


我有接觸過MOTOROLA的G-Sensor,跟日本三軸加速儀...但都不是我要的,你講的都很正確,實際拿進來整合時,不好做,如我跟你提到的若一自由落體,其加速度會為0,所以可能這部分有更高的學問在裡面,期待這方面的專家提供資料,另外你提到的空速計.....或許戶外可以做的到,但若在車裡,可能無法做到,除非你開廠棚車
道路修正是一個方法,但若MAPING到不對的道路,那會很難看...記住一件事,提供的資料越明確詳細,錯誤便會增加........這是我的心得

另外你說未來的趨勢,我身有同感,我一直想做強健式導航系統,可惜這有可能是無底洞,我畢竟在別人的公司,總不能亂來....未來慢慢執行吧!!!

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