全球定位系統 GPS

全球定位系統 Global Positioning System，通常簡稱GPS 又稱全球衛星定位系統，是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。 可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。 系統由美國國防部研製和維護，可滿足位於全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。

全球定位系統 該系統由美國政府於1970年代開始進行研製並於1994年全面建成。使用者只需擁有GPS接收機即可使用該服務，無需另外付費。 GPS信號分為民用的標準定位服務（SPS，Standard Positioning Service）和軍規的精確定位服務（PPS，Precise Positioning Service）兩類。 由於SPS無須任何授權即可任意使用，原本美國因為擔心敵對國家或組織會利用SPS對美國發動攻擊，故在民用訊號中人為地加入選擇性誤差（即SA政策，Selective Availability）以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右；軍規的精度在十米以下。 2000年以後，柯林頓政府決定取消對民用訊號的干擾。因此，現在民用GPS也可以達到十米左右的定位精度。

全球定位系統優點 使用低頻訊號，縱使天候不佳仍能保持相當的訊號穿透性 全球覆蓋（高達98%） 三維定速定時高精度 快速、省時、高效率 應用廣泛、多功能 可移動定位 不同於雙星定位系統，使用過程中接收機不需要發出任何信號增加了隱蔽性，提高了其軍事應用效能。

GPS系統 系統包括太空中的24顆GPS衛星；地面上的1個主控站、3個數據注入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中3顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。 空間星座部分 GPS衛星星座由24顆衛星組成，其中21顆為工作衛星，3顆為備用衛星。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛星。衛星軌道面相對於地球赤道面的軌道傾角為55°，各軌道平面的升交點的赤經相差60° ，一個軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星升交角距超前30°。這種布局的目的是保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛星。

GPS系統 GPS衛星是由洛克菲爾國際公司空間部研製的，衛星重774kg，使用壽命為7年。衛星採用蜂窩結構，主體呈柱形，直徑為1.5m。衛星兩側裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板(BLOCK I)，全長5.33m接受日光面積為7.2。對日定向系統控制兩翼電池帆板旋轉，使板面始終對準太陽，為衛星不斷提供電力，並給三組15Ah鎳鎘電池充電，以保證衛星在地球陰影部分能正常工作。在星體底部裝有12個單元的多波束定向天線，能發射張角大約為30度的兩個L波段（19cm和24cm波）的信號。在星體的兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用於與地面監控網的通信。此外衛星還裝有姿態控制系統和軌道控制系統，以便使衛星保持在適當的高度和角度，準確對準衛星的可見地面。

GPS系統 GPS衛星的運作原理主要是透過計算訊號從GPS衛星以約每秒30萬公里的速度發出至GPS訊號接收器上的傳送時間來確定使用者與GPS衛星的距離。因此，每顆GPS衛星上都配有非常精確的原子鐘，誤差約為四億分之一秒。而要確定使用者所持的GPS接收器的位置則需要至少四顆衛星才能辦到 由GPS系統的工作原理可知，星載時鐘的精確度越高，其定位精度也越高。早期試驗型衛星採用由霍普金斯大學研製的石英振蕩器，相對頻率穩定度為/秒。誤差為14m。1974年以後，GPS衛星採用銣原子鐘，相對頻率穩定度達到/秒，誤差8m。1977年，BOKCK II型採用了馬斯頻率和時間系統公司研製的銫原子鐘後相對穩定頻率達到/秒，誤差則降為2.9m。1981年，休斯公司研製的相對穩定頻率為/秒的氫原子鐘使BLOCK IIR型衛星誤差僅為1m。

偽隨機碼及GPS時鐘修正 衛星向GPS接收器發出無線電訊號。但這個訊號到底是如何令到接收器測知它和衛星之間的距離的呢?　最簡單的做法莫如是量度訊號由離開衛星的一剎那至它到達接收器時所花費的時間，然後因為我們已知無線電波的前進速度（即大約是每秒鐘186,000哩），用簡單的算術就可算出接收器和衛星之間的距離了。

偽隨機碼及GPS時鐘修正 當然，這個GPS的工作原理終歸還原理。如果你有辦法精確地得知訊號離開衛星的時間及何時到達接收器的話，那問題就當然好辦。但這個問題就涉及到需要兩個非常精密準確並能作同步計時的時鐘，一個在衛星上，另一個在接收器內，才可達成這個任務。然後，由衛星在某一特定時間（比如說由午夜零時零分）開始不停傳送一串連綿不斷的數碼訊號（這個訊號就是我們在先前GPS解說篇中提到過的【偽隨機碼Pseudo Random Code】）至接收器中。而接收器也在同一特定時間（即午夜零時零分）一齊開始執行同一套偽隨機碼訊號（這套碼看似是隨機，實質是與接收器中的是同步執行中，並不是真的random，所以就以pseudo"偽"稱之。

偽隨機碼及GPS時鐘修正 而這套不停在傳送中的偽隨機碼的內容當中每隔一段就會有一個時標，當由衛星發射出來的偽隨機碼訊號到達了接收器時，它的執行樣式就一定會因為長途行進而比在接收器中所執行中的另一套同步偽隨機碼的執行樣式稍微延誤了一丁點時間來，這樣兩套碼的時標就不會同步了。而這個時間上的延遲就應該正好是訊號由衛星行進至接收器所需的時間來了。然後，接收器就把這個時間乘以電波的速度就可得出它和衛星間的距離。

偽隨機碼及GPS時鐘修正 當然，要達至上述這個要求的規格就非要原子鐘(Cesium Clock)不可了。原因是這個要量度的時間上延遲是少到以 nano-seconds (10-9 即十億分一秒)計的標準。於是，為了要令整個GPS系統中的所有時鐘都能同步精確，那末，就要分別在所有衛星上及接收器中的都要裝上原子時鐘來了。而原子時鐘一般的價錢大約是US$50,000至US$100,000之間，這可不是一般人願意付擔得來。

偽隨機碼及GPS時鐘修正 其實，全球定位系統的接收器之所以能夠如此廉價及普及，就正是它們擁有一套不用原子時鐘而仍然相當有效的解決辦法。一般的GPS接收器都只是安裝了一個標準的石英時鐘在內，然後就透過接收由四粒衛星而來的偽隨機碼訊號而計算出一個接收器所在位置來。但由於這四個由普通石英時鐘量度出的時間差誤的關係，那繪畫出來的四個虛擬球體將無可避免的不會重疊在單一點上而出現了一個可能範圍來。

偽隨機碼及GPS時鐘修正 曾經修讀過純數的學者應該很快便會明白，如果用同一個有誤差的量器去量度四個差不多大小的值時，理論上該四個所量得的數值與真實的數值都會擁有相同的偏差率。於是數學家們只要在設計接收器的算式時把這四個不重疊在一起的圓球體以它們的相同偏差率作調整系數便可以很輕易運算出那四個球體應該實際在那裡重疊在一點了。 當然，複雜的幾何圖形算式不是我們的討論範圍。而當算式推算出比較確實的重疊點時，算式也同時間修正了接收器上的石英時鐘，好令它下一次的量度所出現的誤差值就會比較少了。如是者，每一秒鐘一次的修正，就可以令到接收器內的普通石英鐘一直維持到與衛星上的石英鐘同步了。

偽隨機碼及GPS時鐘修正 然而，這個價廉物美的方法也不是沒有缺點的。由於大氣中存有多個可以直接減慢無線電波傳送速度的因數，包括水氣，電離層，電波進入大氣層時的角度等等。所以，一些比較高檔次的GPS接收器是可以同時接收由衛星發出的世界各地即時天氣資料從而令接收器作出適當修正的功能。這種功能可以得出的誤差達到少於十米以內。

GPS的功能 精確定時 工程施工 勘探測繪 定位 廣泛應用在天文台、通信系統基站、電視台中 野外勘探及城區規劃 定位 1.車輛防盜系統 2.手機，PDA，PPC等通信移動設備防盜，電子地圖，定位系統 3.兒童及特殊人群的防走失系統 4.精準農業：農機具導航、自動駕駛，土地高精度平整

GPS的功能 導航 授時 1.武器導航：精確制導飛彈、巡弋飛彈 2.車輛導航：車輛調度、監控系統 3.船舶導航：遠洋導航、港口/內河引水 4.飛機導航：航線導航、進場著陸控制 5.星際導航：衛星軌道定位 6.個人導航：個人旅遊及野外探險 授時 用於給電信基站、電視發射站等提供精確同步時鐘源

運行中的全球衛星定位系統 目前有美國的GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統 全球衛星導航系統國際委員會是聯合國的一個非正式機構。其目的是促進與民用衛星定位、導航、正時和增值服務有關的問題及各種全球衛星導航系統的兼容性和互通性問題的合作和發展。 中國的北斗衛星導航定位系統（COMPASS） ，是中國自行研製開發的區域性有源三維衛星定位與通信系統（CNSS），是繼美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的GLONASS之後第三個成熟的衛星導航系統。北斗衛星導航定位系統目前已經發射了10顆衛星，於2012年覆蓋亞太地區，2020年擴充為全球衛星導航系統。 歐盟1999年初正式推出「伽利略」（Galileo）計劃，部署新一代定位衛星。該方案由27顆運行衛星和3顆預備衛星組成，可以覆蓋全球，位置精度達幾米，亦可與美國的GPS系統兼容，總投資為35億歐元。目前已經發射三顆實驗衛星，未提供服務。