物理學會 衛星定位與導航

GPS發展及系統組成 全球定位系統其全稱為定時及測距的導航衛星(NAVSTAR GPS, NAVigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System，簡稱GPS)為美國國防部所研製和發展。 期以衛星導航為基礎的技術來構成主要的無線電導航系統，且滿足下一個世紀的應用。

GPS發展及系統組成 GPS衛星的發展歷程 1973年:提出方案並進行研發 1978年:成功地發射第一顆衛星 1993年:第24顆GPS衛星順利發射，GPS達到初步的操作能力。(Initial Operational Capability,IOC) 1995年4月27日:美國空軍太空司令部宣布GPS已達到完整操作能力。(Full Operational Capability,FOC)

發展及系統組成 GPS系統組成 GPS系統包括三個子系統: 1.空間部分－各軌道衛星 2.地面部分－運行控制系統 3.用戶部分－用戶接收器 天線 接收站 監控站 主控站 軌道衛星 用戶接收器 運行控制系統

GPS的優點: 1.定位精度高 2.定位速度快 3.全天候、全球地面連續覆蓋 4.抗干擾性強、保密性佳 5.經濟效益高

GPS衛星發射之訊號 GPS衛星所發射的訊號型態有： 電碼觀測量(code） 載波相位觀測量（carrier phase)

GPS衛星發射之訊號(2) 載波相位觀測量之載波為 L波段的無線電微波依頻率可分： L1 : 1575.42MHz 將電碼觀測量與星曆訊息(衛星位置)調制(Modulation)於載波上提供地面接收儀量測衛星距離，以距離交會的概念，計算相對於衛星的相對位置。

GPS衛星發射之訊號(3) 每顆GPS衛星上皆設置原子鐘，其產生的基本頻率為10.23MHz。 C/A碼及P碼為2個以基本頻率的不同倍數所組成的隨機電碼（PRN，Pseudo Random Noise） C/A碼頻率為1.023MHz P碼頻率為10.23MHz L1載波上調制C/A電碼及P1電碼，L2載波上調制P2電碼。

GPS衛星定位 GPS衛星定位是量測未知點(接收器)到已知位置的衛星間的瞬時距離。 主要測量方法有 ： 虛擬距離觀測 載波相位觀測。(Phase difference)

GPS衛星定位(2) GPS定位原理

虛擬距離觀測 虛擬距離(Pseudo Range)： 由衛星發射的測距碼訊號到達GPS接收儀的傳播時間(t)乘以光速(c’ )所得到的距離。因與實際距離尚有一偏離量(Bias)存在，故稱「虛擬距離」(r)。 r＝c’ × t r：虛擬距離 c’ ：大氣中的光速 t：傳播時間

虛擬距離觀測(2) 虛擬距離傳播時間示意圖﹝Brinker,R.C. and Minnick, R.,1995﹞

虛擬距離觀測(3) 若考慮衛星時錶誤差、接收儀誤差及電離層、對流層效應，則： R：衛星到接收儀的真實距離 r＝c’ ×t＝R+c×(dt－dT)+dion+dtrop+ep R：衛星到接收儀的真實距離 c：真空中的光速 dt：衛星時錶誤差 dT：接收儀時錶誤差 dion：電離層延遲誤差 dtrop：對流層延遲誤差 ep：虛擬距離觀測量的雜訊

虛擬距離觀測(4) 虛擬距離與系統誤差量示意圖﹝許耀文，1990﹞ 衛星時錶誤差( ) 真距離(R) 虛擬距離(r) 接收器時錶差( ) 大氣層傳播誤差( ) 接收器時錶差( ) 衛星時錶誤差( ) 虛擬距離(r) 真距離(R) 虛擬距離與系統誤差量示意圖﹝許耀文，1990﹞

天線位=位置 放大 至800km 縮少至5m 循環5選擇, 按向下 尋找 (取消) 開關---長按 背光---快按 選項---上下左右 Waypoints Favorites cities 開關---長按 背光---快按 選項---上下左右 按下---選取 循環5選擇 Satellite Map Navigation Trip Computer Main Menu 800km---5m

循環5選擇 Map Trip Computer Mark Waypoint 長按選擇鍵 Area Calc. Pan Map Stop Navigation Hide Nav Status Hide Data Field Set Map Measure Distance** Restore Defaults Trip Computer Reset ** Small Numbers Restore Defaults Mark Waypoint 長按選擇鍵 在編號位置鍵入名稱 Area Calc.

衛星定位 長按開機鍵 選Satellite 收到三顆衛星訊號可以定位 留意誤差度, 最好時 7m

使用Map 在螢幕上顯示GPS位置 路經的地方有黑線留下

Mark Waypoint 長按選擇鍵 在編號位置鍵入名稱 選 OK

量度距離 在Map選Measure distance 在起點按 用 移至另一點 即可知坐標及距離

衛星導航定位之方法 導航定位方程式及示意圖

引導交通工具或其他運動物體由一個位置移動到另一個位置的過程。 導航： 引導交通工具或其他運動物體由一個位置移動到另一個位置的過程。 DGPS導航：此方法乃因應SA效應而生， 可分為位置差分法和虛擬距離差分法。其原理如下圖所示： DGPS原理圖 在地面已知位置設一由差分發射器及差分接收器組成之地面站，接收器接收衛星訊號，監測GPS差分系統之誤差，並依規定的時間間隔，把修正訊息發送給使用者，以修正使用者之測量或位置解。

DGPS之應用(1) DGPS用於海洋物理探勘 DGPS用於平台鑽井定位

DGPS之應用(2) 飛機精密進場中的應用 飛機進場和自動著陸技術過去一直採用微波著陸系統(MLS) ，在水平和垂直方向上進行引導。 DGPS定位能在水平方向滿足飛機著陸的要求。而加上INS(慣性導航系統)/RA(雷達高度表)可滿足垂直精度之要求。故提出了一套DGPS/INS/RA綜合著陸系統。

§3-3 DGPS之應用(3) B747飛機典型縱向進場路徑圖

DGPS之應用(4) 車輛定位及指揮調度之應用 汽車定位配合電子地圖，提供駕駛各種資訊。 列車監控 野外作業 軍隊移動定位

DGPS之應用(5) 車輛利用DGPS定位之優點： 可靠性高。 降低成本。 電子地圖可顯示車輛位置，為調度和指揮提供訊息。

DGPS之應用(6) 實際利用衛星接收儀接收衛星資料後，汽車導航定位狀況圖。

導彈可以按預先輸入的路徑飛行, 飛行時藉衛星訊號不斷校正航道.

練習 可分組借用GPS, 若有損毀須負責賠償. 量度足球場的長度及度並計算其面積. (試估計誤差.) 2A. 繪畫足球場及金禧紀念台的地圖. 2B. 試述汽車衛星導航的困難及解方法(可借用掌上電腦).