2. Źródła błędów w pomiarach GPS
Błędy można podzielić na:
- błędy propagacji sygnału,
- błędy wynikające z efektów relatywistycznych,
- błędy działania systemu, powstające w segmentach kosmicznym i naziemnym,
- błędy odbiorników (błędy segmentu użytkowników).
Ze względu na wpływ warstw atmosfery, wyróżnia się następujące błędy propagacji sygnału:
- opóźnienie jonosferyczne,
- opóźnienie troposferyczne.
Zmienność opóźnienia jonosferycznego jest najpoważniejszym obiektywnym źródłem błędów wyznaczania pozycji. Opóźnienie jonosferyczne jest zależne od gęstości swobodnych elektronów na drodze sygnału, a jego wartość wynosi od 10 do 50 m. Duża zmienność warunków jonosferycznych, zarówno dobowa, jak i długookresowa, powoduje, iż model opóźnienia jonosferycznego transmitowany przez satelitę pozwala na redukcję odpowiedniego błędu co najwyżej w 50%. Dokładniejszą wartość opóźnienia jonosferycznego można obliczyć na podstawie pomiarów wykonywanych jednocześnie na częstotliwościach L1 i L2, co wymaga użycia odbiornika 2-częstotliwościowego.
Wartość opóźnienia troposferycznego zmienia się zazwyczaj od 2 do 3 m. Modelowanie opóźnienia troposferycznego na podstawie aktualnych pomiarów parametrów meteorologicznych stosuje się głównie przy pomiarach geodezyjnych w terenie o zróżnicowanej wysokości oraz w pomiarach o zasięgu globalnym”
Do odbiornika docierają również sygnały odbite od obiektów na Ziemi. Czas ich
dotarcia do odbiornika jest większy niż czas dotarcia sygnału bezpośredniego. Błąd ten nazywa się błędem wielotorowości (ang. multipath error). Sygnały mogą ulec rozproszeniu po odbiciu, osłabieniu i zniekształceniu po przeniknięciu przez przeszkody. Fale odbijają się od budynków, konstrukcji metalowych - ogrodzeń czy samochodów, żelbetowych, a również od podłoża: gleby i wody. W praktyce do odbiorników mogą docierać sygnały, które zostały wielokrotnie odbite od różnych powierzchni. Błąd wielotorowości jest istotny, gdy pomiary
wykonywane są w warunkach gęstej zabudowy miejskiej. Przy zmianie długości odcinka kodu, błędy te mogą osiągać wartość nawet ±146,4 m dla kodu C/A oraz ±14,64 m dla kodu P. Błędy wynikające z przesunięcia fazowego mogą osiągać wartości: ±4,8 cm dla pasma L1 oraz ±6,1 cm dla pasma L2
Efekty relatywistyczne, zgodnie ze szczególną teorią względności, wynikają z ruchu zegarów satelitów względem Ziemi, na której znajdują się nieruchome wzorce czasu. Wpływ ogólnej teorii względności wynika stąd, że zegary na satelitach znajdują się w polu grawitacyjnym mniejszym niż na powierzchni Ziemi. Wpływ efektów relatywistycznych kompensowany jest przez zmianę częstotliwości podstawowej wzorca czasu satelity na Ziemi, przed umieszczeniem zegarów w kosmosie oraz przez obliczeniową korekcję czasu zegarów satelitów.
Do błędów działania segmentów kosmicznego i naziemnego zalicza się:
- błędy efemeryd satelitów,
- błędy zegarów satelitów.
Błędy efemeryd są to różnice pomiędzy aktualną pozycją satelity a podawaną w depeszy nawigacyjnej, wynoszą one ok. 3 m, a przy włączonych zakłócaniu SA osiągają nawet powyżej 30 m. Błędy efemeryd nie wpływają na dokładność pomiarów różnicowych DGPS.
Błąd zegara satelity jest to różnica pomiędzy czasem zegara satelity, a czasem obliczonym na podstawie danych efemerydalnych. Systemy nawigacji satelitarnej posiadają własne wzorce czasu, np. dla systemu GPS jest to atomowa skala czasu, tworzona w USNO (ang. US Naval Observatory), zgodna z uniwersalnym czasem UTC. Na satelitach znajdują się zegary atomowe, które muszą odznaczać się bardzo wysoką stabilnością długoterminową, gdyż brak jest możliwości wymiany w czasie eksploatacji danego satelity. Jest to bardzo ważne ze względu na dokładność wyznaczania pozycji, błąd pomiaru czasu 1 ns powoduje błąd pomiaru odległości od satelity 0,3 m
Błędy odbiornika wynikają z działania jego obwodów elektronicznych oraz oprogramowania. Wykonując bardzo dokładne pomiary istotne stają się takie cechy jak: czas przebiegu sygnału od anteny do procesora, czas przetwarzania danych, działanie układów śledzenia kodu i fazy sygnału czy czas wyprowadzenia wyników do urządzenia wyjściowego. Innym utrudnieniem są zakłócenia zwane „szumami cieplnymi”, które powstają w samym odbiorniku. Wpływ tych zakłóceń ocenia się na ok. 2 m.
Specyficznym rodzajem błędu, który dotyczy wszystkich systemów nawigacji, jest błąd rozmycia pozycji (ang. Dilusion of Precision). Jego wielkość zależy od wzajemnego ustawienia satelitów w chwili obliczania pozycji. Przyjmuje się, że rozkład satelitów charakteryzowany przez DOP w zakresie 1-3 jest bardzo dobry, przy DOP od 3 do 6 jest on akceptowalny, natomiast, gdy DOP jest większe od 6, nie powinno się wykonywać precyzyjnych pomiarów.