Błędy systemu GPS

Pomiary pozycji przy użyciu nawigacji satelitarnej narażone są na wiele błędów. Najczęściej spotykane błędy systemu GPS, to: błędy efemerydy, błędy wynikające z niedokładności wzorca czasu, błędy wielotorowości sygnałów, wariacje centrum fazowego anten, szumy własne odbiornika, opóźnienia jonosferyczne, opóźnienia troposferyczne, błędy geometryczne ustawienia satelitów DOP oraz błędy GPS powstałe przy projektowaniu systemu.

Błędy i odchylenia systemu GPS:

Błędy efemerydy

Błąd efemerydy polega na różnicy między położeniem satelity wyliczonym z danych orbitalnych, a rzeczywistym. Błędy efemerydy spowodowane są przez grawitację Słońca i Księżyca, a także wiatr słoneczny.

Niedokładność wzorca czasu

Mimo, iż zegary atomowe, które posiadają satelity są bardzo dokładne, to nie znaczy, że są perfekcyjne. Błędy zegara atomowego to około 8,64 ns do 17,28 ns w ciągu dnia. Błąd zegara atomowego powoduje błędy w wyznaczaniu pozycji w granicach 2,59 m do 5,18 m.
Wartość odchyleń zegara jest określana przez Główne Centrum Kontroli, a poprawki transmitowane w depeszy nawigacyjnej.

Odbiornik używa zegara kwarcowego. Jest on tani, ale dużo mniej dokładny niż zegar atomowy. Do skorygowania tego błędy wykorzystuje się sygnał z czwartej satelity.

Wielotorowość sygnałów

Błąd wielotorowości sygnałów powstaje wtedy, gdy sygnał dociera do odbiornika różnymi drogami. Tymi drogami mogą być: bezpośredni sygnał z satelity oraz sygnał odbity od obiektu znajdującego się w pobliżu anteny odbiornika.
Wielotorowość zniekształca oryginalny sygnał poprzez jego interferencję z sygnałem odbitym.

Wariacje centrum fazowego anten

Antena odbiornika otrzymuje sygnał satelitarny i zamienia go na prąd elektryczny, by sygnał mógł być wykorzystany przez odbiornik. Generalnie, centrum fazowego anten nie zgadza się z centrum fizycznym (geometrycznym) anteny. Ta różnice zależą od wysokości i azymutu satelity. Błąd spowodowana wariacją centrum fazowego anten zależy od typu anteny.

Szumy własne odbiornika

Jak każdy odbiornik radiowy, odbiornik również jest źródłem szumów (napięcia o przypadkowej amplitudzie i przypadkowej częstotliwości).

Opóźnienia jonosferyczne

W najwyższej warstwie atmosfery zwanej jonosferą (50 - 2000 km) pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, kosmicznego oraz słonecznego cząsteczki gazów obecnych w atmosferze ulegają jonizacji (powstanie jonu z obojętnego atomu lub cząsteczki). Jonosfera dzieli się na kilka warstw: Warstwa D (60-90 km), Warstwa E (90-120 km), Warstwa F(120-400 km).
Podczas gdy sygnał z satelitów przechodzi przez poszczególne warstwy jonosfery, ulega on zakrzywieniu oraz zmienia się jego prędkość. Zakrzywienie sygnału z satelity wpływa nieznacznie na dokładność pomiaru. Natomiast znaczący błąd powoduje zmiana prędkości sygnału.

Aby skorygować błąd wynikający z opóźnienia sygnału satelitarnego przechodzącego przez jonosferę wykorzystuje się porównanie różnicy faz sygnałów L1 oraz L2, co pozwala na dokładne wyznaczenie czasu propagacji. Użytkownicy cywilni przybliżoną poprawkę jonosferyczną otrzymują w depeszy nawigacyjnej lub dzięki systemowi DGPS.

Opóźnienia troposferyczne

Troposfera jest warstwą atmosfery rozciągającą się od powierzchni Ziemi do około 8 km na biegunach oraz do 15-18 km nad równikiem. Troposfera jest ośrodkiem, który nie wywołuje zjawiska dyspersji w przypadku fal radiowych o częstotliwościach poniżej 30 GHz. Troposfera powoduje jedynie opóźnienie sygnału (nie występuje zjawisko dyspersji). Na opóźnienia troposferyczne wpływają takie czynniki jak: temperatura, ciśnienie i wilgotność.

Dobrej jakości odbiornik jest w stanie zrekompensować opóźnienia troposferyczne.

Błędy geometryczne ustawienia satelitów DOP

Duże wpływ na wynik pomiarów ma geometryczne ułożenie satelitów w stosunku do odbiornika. Najbardziej optymalnym rozmieszczeniem satelitów będzie przypadek, gdy satelity rozłożone będą po różnych stronach nieboskłonu.

Błędy przy projektowaniu systemu

Nawet przy pełnej konstelacji 24 satelitów, istnieją pewne okresy czasu, gdy widoczne są tylko 4 satelity, a to w niektórych przypadkach jest niewystarczająca ilość. Tego typu problem z widocznością satelitów występuje na wysokich szerokościach geograficznych (wyższych niż 55°).

Problem z widocznością satelitów pojawia się również na niższych szerokościach geograficznych. Przykładem może być tutaj odbiór sygnału w strefie miejskiej, lub obszarze zalesionym, gdzie przeszkody (wysokie budynki, drzewa) osłabiają sygnał.
Ponieważ geometria satelity zmienia się wraz z upływem czasu, problem z widocznością satelity może być pokonany poprzez wybranie odpowiedniego czasu do obserwacji, który zapewni maksymalną liczbę widocznych satelitów i/lub minimalną wartość DOP (rozmycie dokładności).
By pomóc użytkownikom określenie najlepszego okresu do pomiaru producenci sprzętu GPS opracowali oprogramowanie, które jest w stanie przewidzieć widoczność oraz geometrię satelity dla podanej lokalizacji.