GPS衛星定位系統入門

1、前言

  本 手 冊 編 撰 的 目 的 ﹐是 希 望 透 過 簡 要 的 敘 述 ﹐能 幫 助 您 在 最 短 的 時 間 內 ﹐ 建 立 GPS 的 相 關 基 礎 知 識 。 GPS 基 本 上 是 一 種 導 引 的 工 具 ﹐ 就 像 是 指 北 針 、地 圖 一 樣 ﹐ 在 很 多 時 候 ﹐ " 人 " 也 是 極 佳 的 導 引 工 具 ﹐ 透 過 問 路 ﹐ 通 常 也 能 到 達 目 的 地 ﹐ 所 以 有 人 會 說 ﹕ " 路 是 長 在 嘴 巴 上 的 " 。

   無 論 是 做 調 查 測 量 ﹐ 或 者 是 登 山 旅 行 ﹐ 理 想 上 ﹐ 我 們 應 該 有 GPS 、 指 北 針 、 地 圖 這 三 樣 東 西 ﹐ 但 是 在 陌 生 的 環 境 中 ﹐ 而 且 只 能 選 擇 一 樣 的 話 ﹐ 恐 怕 GPS 是 最 佳 的 選 擇 了 。

2、什麼是GPS﹖

  GPS(Global Positioning System) 是 一 個 以 軍 事 導 航 衛 星 為 基 礎 的 系 統 ﹐ 為 美 軍 所 設 計 ﹐ 供 美 軍 所 使 用 。 目 前 免 費 提 供 給 民 間 使 用 其 定 位 訊 號 , 這 套 系 統 是 由 美 國 國 防 部 (Depart of Defense﹐DOD) 所 發 展 及 控 制 ﹐ 但 所 有 權 屬 於 美 國 交 通部 。

   在 概 念 上 ﹐GPS 代 表 著 整 個 系 統 ﹐ 包 括 衛 星 、 地 面 控 制 站 及 GPS 接 收 機 。 不 過 一 般 而 言 ﹐ GPS 即 意 指 一 個 GPS 接 收 機 ﹐ 這 是 因 為 我 們 在 使 用 上 多 半 只 會 接 觸 GPS 接 收 機 的 緣 故 。

  GPS 系 統 共 有 24 顆 定 位 衛 星 ﹐ 分 6 個 軌 道 面 & ﹐ 每 個 軌 道 面 分 佈 4 顆 衛 星 ﹐ 其 中 3 顆 衛 星 待 命 備 用 在 距 離 地 球 表面 約 20,000 公 里 的 太 空 軌 道 中 運 行 ﹐ 軌 道 面 傾 斜 角 為 55 度 ﹐ 提 供 全 球 全 天 候 ﹐ 每 秒 一 次 ﹐ 持 續 不 斷 的 定 位 訊號 ﹐ 目 前 一 共 有 25 顆 定 位 衛 星 可 供 使 用 。 這 些 衛 星 就 像 是 月 球 一 樣 不 停 地 繞 著 地 球 旋 轉 ﹐ 每 12 小 時 & 繞 行 地球 一 週 ﹐ 等 於 一 天 約 繞 過 你 的頭 頂 2 次。

3.衛星定位的原理

   簡 而 言 之 ﹐GPS 是 利 用 基 本 的 三 角 測 量 原 理 ﹐ 而 達 到 定 位 的 目 的 。 每 個 SV 在 運 行 時 ﹐ 每 個 時 間 點 都 有 一 個 座 標 值 ﹐ 這 個 座 標 值是 已 知 的 ﹐GPS 接 收 機 所 在 位 置 的 座 標 是 未 知 值 。 而 由 SV 所 發 送 的 衛 星 訊 號 要 獲 得 二 度 空 間 定 位 ( 經 緯 座 標 ) ﹐ 至 少 要 同 時 接 收 到 3 顆 衛 星 的 訊 號 ﹐ 但 若 要 獲 得 三 度 空 間 定 位 ( 經 緯 座 標 及 高 度 ) ﹐ 則 最 少 要 同 時 接 收 到 4顆 衛 星 的 訊 號 。

  GPS 接 收 機 與 它 所 接 收 到 訊 號 的 衛 星 所 構 成 的 角 度 , 會 影 響 到 定 位 的 精 準 度 ﹐ 角 度 過 小 ﹐ 或 者 接 收 到 的 衛 星 太 過 聚 集 ﹐ 都 會 降 低 定 位 的 精 準 度 。

4、GPS的用途:

  GPS 的 用 途 十 分 廣 泛 ﹐ 舉 凡 需 要 做 地 面 定 位 的 工 作 ﹐ 均 可 利 用 GPS 來 達 成 。

 1.資源調查﹐土地探測

   例 如 ﹕ 森 林 區 、 山 坡 地 違 規 開 發 查 報 工 作 。 使 用 GPS 可 順 利 導 航 至 可 疑 之 變 異 點 ﹐ 並 直 接 查 詢 調 閱 地 籍 圖 等 相 關 資 料 以 利 研 判 。

 2.導航定位:車輛,航空,航海

  例 如 ﹕ 汽 車 衛 星 導 航 系 統 ﹐ 於 美 國 日 本 已 相 當 風 行 ﹐ 臺 灣 仍 在 萌 芽 階 段 。 在 可 預 見 的 未 來 ﹐ 所 有 的 飛 行 器 將 使 用 GPS 做 導 航 的 標 準 設 備 ﹐ 在 飛 機 起 降 的 時 候 ﹐ 無 須 依 賴 機 場 地 面 的 導 航 設 備 。

 3.大地測量﹐一般測量

   傳 統 的 三 角 測 量 事 一 件 十 分 辛 苦 的 事 ﹐ 特 別 是 在 地 面 三 角 測 量 點 缺 乏 ﹐ 地 標 不 明 顯 的時 候 ﹐ 測 量 工 作 格 外 困 難 。 GPS 定 位 則 無 須 仰 仗 地 面 控 制 點 ﹐ 只 要 在 沒 有 遮 蔽 的 情 況 下 ﹐ 幾 乎 不 受 地 形 地 物 的 限 制 ﹐ 所 以 使 用 GPS 作 為 測 量 的 工 具 ﹐ 大 大 改 善 了 傳 統 測 量 的 不 便 。 精 確 度 需 求 越 高 的 測 量 工 作 ﹐ 需 要 越 高 精 度 的 GPS ﹐ 當 然 也 就 越 昂 貴 。

 4.製圖

   電 子 地 圖 之 製 作 及 粗 略 地 形 圖 之 製 作 。 地 圖 的 數 化 有 很 多 種 ﹕ 將 已 存 在 的 紙 面 地 圖 用 數 位 版 數 化 、 或 使 用 掃 描 器 掃 描 至 電 腦 中 ﹐ 再 進 行 螢 幕 數 化 或 自 動 數 化 。 我 們 可 使 用 GPS 在 車 輛 行 進 的 時 候 ﹐ 每 隔 一 段 時 間 將 道 路 點 (WAY POINT) 記 錄 下 來 ﹐ 如 此 便 完 成 粗 略 的 地 圖 數 化 工 作 。

 5.任務派遣:貨運,救護,消防,警政

   這 類 應 用 方 向 ﹐ 是 將 GPS 配 合 無 線 電 傳 輸 ﹐ 可 將 各 車 輛 所 在 位 置 動 態 傳 回 派 遣 中 心 ﹐以 利 調 度 工 作 。 當 然 ﹐ 如 果 運 用 在 大 眾 運 輸 工 具 ﹐ 可 利 於 一 般 大 眾 於 候 車 時 了 解 班 車 抵 達 的 狀 況 ﹐ 如 ﹕ 目 前 車 行 進 到 哪 裡 了 ﹖ 車 速 如 何 ﹖ ( 塞 車 狀 況 ) 預 計 何 時 可 抵 達 ﹖ 等 相 關 訊 息 。

 6.登山定位,山難協尋

  GPS 可 準 確 的 定 位 、 定 向 ﹐ 在 開 闊 的 地 方 使 用 GPS 定 位 ﹐ 配 合 地 形 圖 可 以 非 常 準 確 的 了 解 目 前 所 在 位 置 ﹐ 而 不 會 因 人 為 判 斷 錯 誤 而 迷 路 。 我 們 也 可 將 GPS 配 合 無 線 電 傳 輸 ﹐ 將 登 山 人 員 所 在 位 置 傳 送 至 山 難 協 尋 中 心 ﹐ 以 利 救難 搜 尋 工 作 。

 7.精確定時

   由 於 GPS 定 位 需 要 非 常 精 確 的 時 間 ﹐ 每 顆 GPS 衛 星 上 都 有 精 密 的 原 子 鐘 ﹐ 所 以 GPS 接 收 機 可 以 接 收 到 精 確 的 時 間 資 訊 。

 8.軍事

  GPS 發 展 目 的 ﹐ 一 開 始 就 是 考 慮 軍 事 的 用 途 ﹐ 所 以 舉 凡 戰 機 、 戰 艦 、 戰 車 、 飛 彈 、 相 關 軍 事 人 員 及 攻 擊 目 標 物 的 精 確 定 位 ﹐ 均 仰 賴 GPS 完 成 。

   為 防 止 非 美 軍 使 用 者 得 到 太 精 確 的 定 位 資 料 ﹐ 以 至 妨 礙 到 美 國 的 國 家 安 全 ﹐ 所 以 在 供 給 民 間 使 用 的 訊 號 上 ﹐ 另 外 加 入 所 謂 的 S/A (Selective Availability) 效 應 干 擾 訊 號 ﹐ 使 得 民 用 的 GPS 接 收 機 在 定 位 時 ﹐ 只 能 維 持 95% 的 接 收 狀 況 讓 精 確 度 在 直 徑 100 公 尺 內 ﹐ 另 外 5% 的 接 收 狀 況 可 能 在 直 徑 300 公 尺 內 。 事 實 上 , 這 樣 的 精 確 度 已 滿 足 大 部 份 民 間 定 位 作 業 的 需 求 。 但 如 果 某 些 定 位 作 業 需 要 更 高 的 精 確 度 , 也 可 以 利 用 差 分 定位 法 (Differential GPS,DGPS) 達 到 2~10 公 尺 內 的 定 位 精 度 。