Точность определения местонахождения объекта зависит от степени погрешности, которая возникает при исчислении расстояния от спутников к терминалу. Стандартная точность современных GPS-трекеров составляет примерно 6—8 метров при хорошей видимости спутников и использовании алгоритмов коррекции. Ожидается, что следующее поколение спутников позволит улучшить измерение примерно в 10 раз за счет использования атомных часов.
От влияния целого ряда факторов зависит, насколько точно будет определено местоположение GPS- трекера и будет ли эта погрешность составлять один метр или десяток, а то и сотню метров. Ниже представлены значения основных вкладов в точность определения от различных источников погрешности.
| Источник погрешности | Среднеквадратичное значение погрешности, м |
|---|---|
| Нестабильность генератора | 6,5 |
| Задержка в бортовой аппаратуре | 1 |
| Неопределённость пространственного положения спутника | 2 |
| Другие погрешности космического сегмента | 1 |
| Точность знания орбиты спутника | 8,2 |
| Другие погрешности наземного сегмента | 1,8 |
| Ионосферная задержка | 4,5 |
| Тропосферная задержка | 3,9 |
| Шумовая ошибка приёмника | 2,9 |
| Многолучёвость | 2,4 |
| Отражения сигналов | 1 |
| Относительность измерения времени | 2 |
| Округления в вычислениях | 1 |
| Суммарная погрешность, включая вклады от других источников | 13,1 |
Суммарная погрешность при этом не равна сумме составляющих.
А теперь более подробно об основных факторах, влияющих на точность показаний GPS-трекера.
Точность определения местоположения зависит непосредственно от количества спутников в «зоне видимости» трекера, а также от того, как эти спутники расположены на небосводе.
Оптимальным вариантом измерения считается соотношение расстояний от трекера к четырём спутникам одновременно (напомним, что по орбите Земли кружат 24 спутника). Для высокой точности измерений необходимо, чтобы спутники, находились в пределах видимости трекера и были расположены на максимально возможном расстоянии. К примеру, если все четыре спутника будут расположены только на северо-востоке относительно трекера, не исключено, что определить местоположение будет невозможно, или точность определения будет недостаточной (100 – 150 м.).
Расположение GPS-трекера в местности также играет не маловажную роль, так как спутники могут быть заслонены естественными или искусственными преградами (горы, ущелья, высотные здания и т.д.)
Также, на качество геометрии спутников влияет широта, на которой находится трекер, а также близость к одному из полюсов Земли (влияние атмосферы).
Движение спутников по своим орбитам является достаточно стабильным, однако все же случаются некоторые отклонения из-за гравитационного поля космических объектов – Солнца и Луны. Для преодоления подобных влияний данные о текущей орбите непрерывно корректируются и отправляются к трекерам уже в обработанном виде. Но, несмотря на это, гравитационные влияния все же приводят к погрешностям в измерении местоположения (потеря точности определения до 2 метров).
На точность вычисления местоположения влияет разница в скорости прохождении сигнала в космосе и разных слоях атмосферы. Так, если в открытом космосе скорость сигнала равняется скорости света, то в тропосфере, а также в ионосфере эта скорость является более низкой. Для преодоления подобного влияния используются корректирующие вычисления, проводимые самими трекерами, так как возможные скорости прохождения сигнала через различные слои ионосферы достаточно хорошо изучены. Но все же GPS-трекеры, предназначенные для гражданского использования, не в силах выполнять корректировку в случае непредвиденных изменений, которые могут быть вызваны солнечными ветрами (возможна потеря точности определения до 4,5 метров).
При прохождении сигнала через тропосферу возникают искажения, вызванные погодными факторами, а именно – различной концентрацией водяного пара. Предугадать уровень концентрации пара настолько же сложно, насколько затруднительно предсказывать погоду, поэтому внести коррекцию методом вычислений крайне проблематично. С другой стороны, величина погрешности, вызванная особенностями прохождения сигнала через тропосферу заметно ниже влияния ионосферы, поэтому используется примерная поправка.
Однако данные спутников, которые расположены под углом менее 10° к горизонту, не включаются в измерения именно по этой причине, поскольку искажения достаточно высоки.
Крупные объекты, находящиеся на пути сигнала – высотные здания и прочие объекты, часто становятся причиной его отражения, которое принимается GPS-трекером вместе с прямыми сигналами. Это приводит к искажению дальности, так как отраженному сигналу требуется больше времени, чтобы достичь приемника, погрешность в результате отражения может составлять несколько метров.
Также помехой для спутниковых измерений могут стать достаточно мощные источники излучений – радиостанции, локаторы, т.п.
Этот фактор основывается на утверждениях теории относительности:
- При более высоких скоростях время течет медленнее. Спутник движется по орбите со скоростью около 12 тыс. км/ч., а уже при скорости 3874 км/ч время для движущегося объекта течет медленнее, чем для неподвижного объекта (на Земле). Разница во времени составляет 7,2 микросекунды в день. Впрочем, погрешность, вызванная этим фактором, является незначительной в сравнении со следующим утверждением той же теории относительности.
- Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее движется время. То есть, относительно объекта, который находится на земле, часы спутника будут идти быстрее, так как последний подвергается заметно меньшим гравитационным влияниям. Данный эффект мог бы привести к отклонениям на 38 микросекунд в день, что равнялось бы ошибкам в расчетах на 10 км. Для нейтрализации подобных эффектов нет необходимости вносить постоянные корректировки и проводить дополнительные вычисления, вместо этого было решено привести частоту часов на спутниках к определенному значению.
- «Эффект Сагнака» - объект, находящийся на Земле в неподвижном состоянии, передвигается со скоростью порядка 500 км/ч (скорость вращения Земли). Явление приводит к определенным искажениям и зависит от направления движения объекта, поэтому для коррекции необходимы достаточно сложные вычисления. Искажения являются незначительными, хотя в некоторых случаях при измерениях принимается во внимание и этот фактор.
В тот момент, когда GPS-трекером выполняются вычисления местоположения, данные о времени (трекера) синхронизируются с данными о времени на спутнике. Однако округления, производимые трекером при вычислениях, все же являются причиной погрешности, которая колеблется в пределах 1 м.
