導讀
上大學的時候，老師講到GPS的時候說：「普通GPS的定位精度只有20~30米，通過我們測繪學科的方法可以達到釐米級甚至毫米級...」
前久又聽到類似的話，心中略有疑慮：轉眼十多年過去了，怎麼還是20到30米？難道GPS就沒有半點提高？
GPS目前的精度有多高？
根據美國GPS系統官網今年3月發布的報告，答案如下：
（註：原文共100頁英文報告，以下為摘要翻譯）
一、評測數據來源
報告由美國德克薩斯大學空間與地球物理實驗室（Space and Geophysics Laboratory of The University of Texas at Austin）完成，報告由全球42個跟蹤站2018年的全年數據分析統計得到。
圖1：跟蹤站點分布圖（NGA&IGS）
為什麼既有IGS的站，又有NGA（National Geospatial-Intelligence Agency，美國國家地理空間情報局）的站？ 稍後解釋，繼續看。
二、評估方法及結果
報告從信號的覆蓋範圍、衛星可見性、信號質量、定位精度等幾個方面綜合評估了GPS系統目前的建設水平，技術指標匯總如下：
表1：系統評估指標
註：上表左邊是指標項，右邊是設計標準，但是實際性能可能已優於設計標準，具體如下：
三、關鍵指標分析
3.1、GPS星座狀態
據官網，目前GPS系統在軌運行的衛星共有12顆舊衛星（2004年前發射）、19顆新衛星（05到16年發射）組成，其中最多的是2010年至2016年發射的Block IIF型衛星，另外，美國於去年（2018）發射了一顆新型GPS IIIF衛星，為下一代系統升級做測試驗證，詳見下圖：
圖2：GPS衛星升級狀態
3.2、用戶測距精度
用戶測距精度URE(User Range Error)是最常見的系統精度指標，背後反映了廣播星曆及衛星時鐘精度，基本概念和計算公式如下：
圖3：全球平均URE計算公式
由於URE的具體計算和優缺點並不是本文重點，這裡不討論，總之，URE數值越大說明信號質量越差，數值越小則越好，記住這一點，接著看2018年各衛星的具體情況：
表2：各衛星SIS URE 誤差統計
分析：
1、GPS衛星空間信號測距誤差（SISRE）約為1.3米。
2、順便貼下北鬥的情況，供大家對比參考：
圖4：5月6日北鬥系統SISRE指標，來源：中國衛星導航系統管理辦公室測試評估研究中心網站3.3、授時精度
GPS系統官方設計的系統授時精度為40納秒（95%置信度），但實際精度已經遠高於此。研究小組在全球均勻選擇了425個仿真點：
圖5：授時仿真計算點
每隔15分鐘計算一次該位置的授時精度，全天40800個數據，再統計出當天95%置信度的精度，全年結果序列如下：
圖6：UUTCE 95%置信度值
分析：
1、目測GPS系統授時精度優於5納秒（95%置信度）。
（另據官網2016年的測試數據，官方結論為：優於10納秒）
3.4、衛星健康狀態統計
大家知道，衛星有異常的時候廣播星曆中有一個欄位會表示衛星健康狀態，下面是2018全年各衛星的健康狀態統計：
表3：GPS衛星健康狀態計數
分析：
1、GPS衛星的全年可用性約為99.7%。
3.5、衛星可見性
用戶在任意位置能看到衛星的數量及分布情況代表了衛星的可見性（可用性），專業上用PDOP值（位置幾何精度因子）來表達，總之PDOP越大說明對精度的稀釋越大，所以數值越小越好。由於衛星一直在運動，運氣不好就會遇到衛星數很少的情況，看起來就像下面這樣：
圖7：16年12月9日GPS PDOP分布
統計全年的數據可以反映出GPS系統的軌道設計和控制水平，GPS系統設計指標為：小於6。但實際情況如何？下表是過去4年的統計情況：
分析：
1、GPS系統PDOP全球平均值約為1.6，遠高於設計標準。
2、GPS系統平均可見衛星數約為10.4顆。
3.6、用戶定位精度
定位精度是用戶最直觀的感受系統精度的指標，那麼GPS系統設計的定位精度是多少呢？如下：
換句話說，「平面能保證9米「 是GPS系統的民用設計指標。
實際情況又如何？
由於定位精度關係到多個方面的因素：系統信號質量、接收機的信號質量、終端算法（高度截止角優選衛星或啟用接收機自主完整性監測），研究小組分別使用IGS和NGA站網數據，並按是否啟用RAIM數據算法進行對比，結果如下：
圖8：這是不加RAIM的效果
圖9：這是加RAIM的效果
可以看到， RAIM對於控制粗差有明顯作用，能顯著提高定位精度，統計結果如下：
表4：全年定位精度統計結果
分析：
1、NGA用接收機似乎比IGS用的好很多。
（NGA是美國軍方機構，站點使用的接收機可跟蹤軍碼，上表結果也體系出軍碼和民碼的定位性能差異）。
2、GPS單點定位平面精度優於1.5米（雙頻偽距）。
另據GPS官網2016年的評測數據，單頻偽距單點定位精度優於3.8米，（詳見本文資料）
四、結論
1、GPS衛星用戶測距信號精度（SISRE）約為1.3米。
2、GPS系統授時精度優於10納秒。
3、GPS衛星全年可用性約為99.7%。
4、GPS系統PDOP值全球平均值為1.6。
5、GPS系統平均可見衛星數約為10顆。
6、GPS單點定位平面精度可優於1.5米，單頻優於4米。
(本文結束)
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