全球卫星定位系统

全球卫星定位系统 全球衛星定位系統 （Global Positioning System, GPS） 1、全球衛星定位系統（Global Positioning System, GPS）的原理與應用 1、什麼是GPS？ 全球衛星定位系統，原本是美國國防部因應軍事定時、定位及導航系統等用途 而發展，當時美國海軍需要利用衛星幫助其攜帶核武器的潛艇進行導航，因而發展 了現今所用的系統。1983年9月1日韓航的007次班機在蘇聯領空被擊落後，由雷根 總統下達命令將全球定位系統開放給民間作為商業及測量使用。2000年五月美國總統柯林頓解除了對民用GPS的精準度干擾後，商業用GPS的精準度大增。目前GPS結合衛星和無線電技術，在衛星導航上提供了精確、持續、全天候、全球性的定位、 速度及時間資訊。 究竟GPS全球定位系統是怎麼運作的？其實，道理並不難懂。簡言之，導航衛 星的發射者會持續追蹤衛星的正確位置，在固定軌道運行的衛星會將運行資料及精 確時間投射至地面監控站，只要持有GPS接收設備，便可解析衛星的距離及方位； 當衛星訊號增至兩顆，即可概括算出所在位置的圓形範圍，增至三顆衛星時，訊號 會和地球表面有一個交會點，解析交會點，就能算出自己在地球上的精準位置了。 目前我們用來定位的人造衛星是由美國國防部發射的Block II型，由2l顆導航衛星和3顆備用導航衛星組成，以12小時繞行地球一周的速度均勻分布於六條繞極軌道。理論上，不管你站在薩哈拉沙漠或亞馬遜雤林，都能隨時接收4顆以上的衛星訊號，不怕在茫茫大地迷失了方向。 由於GPS能不間斷地提供精確定位、速度及時間，並且不受地點 、時間及天候的限制 ，因此GPS的應用已廣泛存在於各類市場。隨著衛星科技的進步 ，許多GPS技術及商機迅速發展 。過去 ，GPS通常只應用在一些高科技的領域，例如 ，軍事、航空或是航海。而今 ，GPS正逐步應用在我們的日常生活中。 2、GPS的運作機制 1957年，人類歷史上第一顆人造衛星史波尼兊（Spuntnik）由蘇聯發射升空，接著，更精密的電子導航於二次大戰由美國麻省理工學院無線電實驗室開發成功， 他們利用無線電波的波長及電波到達時間，以三角定位法算出自己所在位置，儼然 成為導航系統的雛形。再來，美國約翰霍普金斯大學提出的杜卜勒飄移現象給了GPS發展的臨門一腳。他揭示了可藉由人造衛星的無線電訊號定出個別衛星運行的軌道參數，只要獲知參數內容，就能計算出在地球上的相對位置。這些發現，引發了 1960~1970年代美俄雙方的衛星大戰，GPS衛星導航從此染上濃厚的軍事色彩。 1974年，美國整合當時技術，將GPS系統首次應用於商業用途，GPS的軍事色彩迅速剝落，1980年代後期，GPS早已成為美國國家導航資訊服務的一環，現在，更廣 泛被民間運用，成為汽車導航發展最重要的技術後援。GPS定位法不需額外周邊設備，不須任何連線費用，只要在車上裝設一具GPS接收器，便可獲知車輛目前的位 置資料，精準度更從數十米誤差減低至數米。 大部分的全球定位系統是一種由上到下的定位系統，也就是接受器收到衛星信 號後再決定自己的位置，目前共有美國、歐洲及蘇聯三套系統。從軍事用途的角度 來看，這是比較好的定位方法，因為使用者不易被偵查到。由於美國的全球定位系 統是最被廣為使用的一套系統，目前台灣主要的GPS接收器皆使用美國的系統。全球定位系統採用全球性地心座標系統，座標原點為地球質量中心。在整體運作上， 以美國為例，整個系統可分為三部分:導航衛星、地面控制中心與使用者接收端。導 航衛星不斷向地球表面傳送定位信號，一般使用者只要有衛星接收器，就可輕易獲 得定位資料，而地面控制中心則負責導航衛星的航行控制，與一般使用者並不直接 相關。 美國的定位系統，在太空部分由二十一顆導航衛星及三顆備用導航衛星所構成。 目前共有二十四顆導航衛星在距離地球二萬二百公里的六個軌道面上運行，每個軌 道面上有四個衛星，軌道面與赤道成五十五度傾角，每顆衛星每天依相同路徑繞行 地球兩圈，提供每秒一次的定位訊號如圖一所示。這種設計讓任何時間、地點，在 地面上至尐可同時觀測到四至七顆衛星，以利導航及精確定位測量之應用。 圖一 美國的全球定位系統 地面控制中心由五個監視站（分別位於關島、夏威夷、阿拉斯加、溫登堡空軍 基地及加州）、三個地面天線以及位於科羅拉多州的獵鷹空軍基地(Flacon AirForce Base)的主控制站(Master Control Station, MCS)所組成。監測站的功能乃在追蹤衛星軌道，由接收的導航訊息中，計算相對距離、大氣校正數據等，並將這些資料傳 回主控制站，在主控制站更新修正導航資料後，再由地面天線傳送到每一個衛星上， 控制站的維護與支援則由美國國防部負責。 使用者的衛星接收端，可接收衛星所傳來的訊號，並利用各種衛星傳來的數據， 求得衛星與地面接收器間之距離及地面其它接收器間之方向距離，再換算出接收器 所在地的準確位置，完成導航定位及各種測量作業，包括接收器目前的位置、方向、 速度、時間。衛星定位時是利用GPS接受器收到一個衛星的信號，再由同步時鐘算 出信號的遲緩時差乘上光速而得到與衛星的距離。當GPS接受器可以同時收到四個衛星的信號時，就可計算出在地球上的位置及速度。通常計算位置的方法有代數解 法、重覆差值解法及卡爾曼慮波器(Kalman Filtering)解法三種，其中又以重覆差值解法最常見。 由於衛星信號穿過電離層時會產生時間延遲，這現象會使遲緩時差乘上光速得 到的衛星距離不準。因遲緩時間和電波頻率有密切的關係，敀衛星以發射 1575.42MHz (L1)及1227.6MHz (L2)的雙頻信號來估計電離層的遲延時間，兩者皆 以分碼多工技術裡的準隨機雜音碼(Pseudorandom Noise (PRN) Code)方式發射。其中L1頻道含有高德(R. Gold)教授發展出來的1023位元粗集碼(Coarse/Acquisition Code, C/A Code)及精準碼(Precision Code, P Code)，L2頻道只含有精準碼，而精準碼加密後則稱為Y碼。精準碼專供軍事目的使用，而粗集碼則可供商業用途。 透過分碼多工技術裡的自相關(Autocorrelation)技術，GPS接收器可以把每個衛星的原始信號分離出來。不過基於軍事考量，美國的定位系統在提供民間使用時加 入S/A(Selective Availability)干擾訊號，使得民用精確度為100公尺。如需更高的精確度可用MIT發展出來的差分定位法(Differential GPS)達到2~10公尺內。雖然美國政府已於2000年5月2日起取消干擾民間使用者之S/A選擇性誤差，但此一干擾訊號 仍然有可能因為軍事原因而隨時被加入，不過，這套軍用系統在波斯灣及海地戰爭 時皆沒有使用。 根據美國控制中心所作的測試，在開闊無障礙的定點上，美國的定位系統平均 誤差在5到6公尺。然而，通常使用者在接收時，現場狀況並不會如此理想周圍的障 礙物、天氣狀況、與所用來計算地面位置的導航衛星的位置等，都會影響定位的精 確度，有時誤差可以達到數十公尺之多。GPS 的誤差主要來自衛星本身的誤差、訊 號傳送時所發生的誤差、接收器的誤差、與綜合誤差等。這些誤差有的無法避克， 有的可以由接收器的製造者利用特別的解碼方法減至最低，而有的則可以由使用者 在接收端加以控制。以接收者而言，要使干擾減至最低而精度達到最高，可以注意 以下幾點。首先，在清晨或黃昏時，由於大氣中的電離層活動特別強，因此會使傳導的干擾最大，應該避克。其次，同時接收到的導航衛星數目越多，則衛星本身的 誤差有可能被抵消而提高定位精度。此外，個別的廠商，甚至每台接收器，都會有 不同的接收敁果，就像同一個廠牌的收音機在接收廣播訊號時也會有不同的雜訊一 樣，使用者可以試試看哪一個接收器可以給予最佳的接收訊號。最後，由於地面位 置的決定來自許多導航衛星的訊號，因此衛星在天空的配置，會大大地影響定位的 準確度。衛星的配置可以用DOP（Dilution of Precision）來表示。DOP分為水平方向（HDOP）、垂直方向（VDOP）、與位置（PDOP）等。如果所接收的衛星在天空的配置極佳，則PDOP值有可能達到2以下，此時的精度可以達到平均使用者精度的兩倍，反之，如果只能接收到4顆衛星，而且這些衛星都集中在天空的一角，則PDOP值可能達到10以上。通常在地面定位時，PDOP值在4以下，大概可以得到相當滿意的定位精度，而PDOP值在7以上時，則不會被使用。當然，可接受的精度會因使用者的目的而改變，使用者必須依據個 人的需求而自行決定。 3、應用領域 美國GPS的發展先是作為一個國防新技術，後來成為一個商用的GPS工業，在冷戰結束的時期，GPS被廣為開發應用在各種不同的商業用途。應用的方向包括車 船飛機導航和跟蹤、小孩跟蹤、GPS手錶、尋寶、建築業/林業/測繪業/漁業應用等。GPS在商業上的成功反過來使軍用GPS設備更加便宜、更加廣泛可得現在，GPS已經成為先進軍事戰略的關鍵組成部分。GPS的應用領域包括： 1. 緊急搜救：GPS精準的定位配合無線電傳輸，可以讓受難人員傳輸所在座標 資料至監控中心，搜救者可利用這些資料，直接趕往意外發生地點進行搜救 作業。 2. 導航定位：不論飛機、船舶、汽車，皆能應用GPS做精確且便利的導航功能，飛機與船舶在利用GPS的導航已相當普及，汽車部分則由於GPS在地表的接收容易受到遮蔽物影響或其它干擾，因此需要更多的誤差校正。 3. 派遣監控：貨運、救護、消防、警政乃至保全業，可應用GPS做追蹤監控與任務派遣等工作。只要利用GPS將位置回報控制中心，便可以準確的掌握車 輛的派遣狀況，對於調度監控相當方便。 4. 軍事用途：軍事上應用GPS甚為廣泛，無論是戰鬥任務或一般訓練都需要精 確的定位及時間，重要的飛彈導引也需要仰賴GPS。 5. 測量用途：傳統的測量方式受限頗大．除了必須排除障礙物阻擋外，大面積 的測量所須耗費的人力也相當大，而使用GPS做為測量工具，除了遮蔽物的限制外，幾乎不受地形影響，精度也相當高。 6. 動物保育：GPS可用來追蹤動物的生活遷徙、活動範圍，讓研究人員進一步 瞭解生態情形。 其它如探勘、繪圖、科學研究、資源管理、精確定時、戶外活動等等都廣泛應用到GPS所帶來的強大功能。