衛星定位系統 『Global Positioning System，通常簡稱GPS』

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1 衛星定位系統 『Global Positioning System，通常簡稱GPS』
第3組報告 組別成員： A970D118吳淑怡 A970D128鄭瑞昇 A970D127唐漢禹 A970D140楊士杰

2 衛星定位系統起源： GPS系統的前身為美軍研製的一種子午儀衛星定位系統(Transit),1958年研製,1964年正式投入使用。該系統用5到6顆衛星組成的星網工作,每天最多繞過地球13次,並且無法給出高度資訊,在定位精度也不盡如人意。然而,子午儀系統使得研發部門對衛星定位取得了初步的經驗,並驗證了由衛星系統進行定位的可行性,為GPS系統的研製埋下了鋪墊。 由於衛星顯示出在導航方面的巨大優越性及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。為此,美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛星組成10000km高度的全球定位網計劃,並於67年、69年和74年各發射了一顆試驗衛星,在這些衛星上初步試驗了原子鐘計時系統,這是GPS系統精確定位的基礎。

3 GPS計畫: 最初的GPS計畫在聯合計劃局的領導誕生了,該方案將24顆衛星放置在互成120度的6個軌道上。每個軌道上有4顆衛星,地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛星。這樣,粗碼精度可達100m,精碼精度為10m。由於預算壓縮,GPS計劃不得不減少衛星發射數量,改為將18顆衛星分布在互成60度的6個軌道上。然而這一方案使得衛星可靠性得不到保障。1988年又進行了最後一次修改:21科工作星和3科輩分星工作在互成30度的6條軌道上。這也是現在GPS衛星使用的工作方式。 GPS系統的組成 GPS系統主要由空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分組成。 GPS衛星星座如圖下：

4 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7.2m2。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。

5 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。 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10-11/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10-12/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10-13/秒,誤差則降為2.9m。1981年，休斯公司研製的相對穩定頻率為10-14/秒的氫原子鐘使BLOCK IIR型衛星誤差僅為1m。

6 地面部分監控 地面監控部分主要由1個主控站（Master Control Station ,簡稱MCS）、4個地面天線站（Ground Antenna）和6個監測站（Monitor Station）組成。 定位誤差來源與分析 GPS定位在過程中出現的各種誤差根據來源可分為三類 1衛星有關的誤差 2信號傳播有關的誤差 3.接收機有關的誤差 些誤差對GPS定位的影響各不相同,且誤差的大小還與衛星的位置、待定點的位置、接收機設備、觀測時間、大氣環境以及地理環境等因素有關。針對不同的誤差有不同的處理方法。

7 差分技術: 為了讓民用精準度提升,所在研究出來改良發展另一種技術,稱為差分全球定位系統（Differential GPS），簡稱DGPS。 亦即利用附近的已知參考座標點（由其它測量方法所得）,來修正 GPS 的誤差。再把這個即時（real time）誤差值加入本身座標運算的考慮,便可獲得更精確的值。 GPS分為2D導航和3D導航,在衛星信號不夠時無法提供3D導航服務,而且海拔高度精度明顯不夠,有時達到10倍誤差。但是在經緯度方面經改進誤差很小。衛星定位儀在高樓林立的地區捕捉衛星信號要花較長時間。 GPS信號 GPS信號，是由全球定位系統（GPS）衛星上振盪器所產生的信號，而所有GPS信號都由一個基本頻率f0=10.23Mhz組成。 GPS衛星發射的信號主要分為載波（Carrier wave）、測距碼（Ranging Code）和導航電文（Navigation Messages ）三部分。

8 最初的GPS信號 載波 GPS衛星所用的兩個載波均位於微波的L波段,分別稱為L1載波和L2載波 兩個相關的載波信號：
L1(t) = A1cos(2πf1t + φ1) L2(t) = A2cos(2πf2t + φ2) φ1和φ2描述了相位噪聲。載波信號的頻率為基本頻率f0的整數倍。 f1 = 154f0 = MHz f2 = 120f0 = MHz 採用L波段的高頻率載波可以較為精確的測定都卜勒頻移和載波相位，提高測速和定位精度。使用兩個頻率還可以測定電離層延遲。

9 測距碼 測距碼有兩種,都屬於偽隨機噪聲碼（Pseudo Random Noise,簡稱 PRN）：C/A 碼（Coarse/Acquisition Code）和P碼（Precise Code）。 C/A 碼是用於進行粗略測距和捕獲P碼的粗碼，也稱捕獲。 C/A碼是一種公開的明碼,可供全球用戶免費使用。但C/A碼一般只調製在L1載波上,所以無法精確地消除電離層延遲。測距精度一般為±（2~3）米。 P碼是精確測定從GPS衛星到用戶接收機距離的測距碼,也稱精碼

10 導航電文 光有測距碼用戶還不能夠得到每顆衛星的詳細信息。因此GPS系統將導航電文調製在測距碼前,導航電文中包含了反應衛星在空間位置、衛星鐘的修正參數、電離層延遲改正數等GPS定位所必要的信息,因此導航電文也稱數據碼（Data Message,D碼）。 導航電文是具有一定格式的二進制碼,以「幀」為單位向用戶發送。 幀電文含有1500bit,傳輸速率為50bit/s。每個主幀包含5個子幀： 子幀1包含有衛星鐘改正數、GPS周數（Week Number）和衛星工作狀態信息 子幀2和子幀3主要向用戶提供有關計算衛星在軌位置的信息,包括廣播星曆參數和數據齡期（Age of Data Offset，簡稱AODO） 子幀4和子幀5提供了衛星導航、星座曆書等信息

11 GPS的功能以及應用範圍 正在運行的全球衛星定位系統有美國的GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統
中國的北斗衛星導航定位系統,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8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。 1.精確定時：廣泛應用在天文台、通信系統基站、電視台中 2.工程施工：道路、橋樑、隧道的施工中大量採用GPS設備進 行工程測量 3.勘探測繪：野外勘探及城區規劃中都有用到

12 4授時：用於給電信基站、電視發射站等提供精確同步時鐘源 5
4授時：用於給電信基站、電視發射站等提供精確同步時鐘源 5.導航：範圍就很廣應用也最普遍 例如： (1)武器導航：精確制導飛彈、巡弋飛彈車輛導航：車輛調度、 監控系統 (2)船舶導航：遠洋導航、港口/內河引水 (3).飛機導航：航線導航、進場著陸控制 (4)星際導航：衛星軌道定位 (5)個人導航：個人旅遊及野外探險 6. 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

13 GPS的六大特點： 第一:全天候，不受任何天氣的影響 第二:全球覆蓋（高達98%） 第三:三維定點定速定時高精度 第四:快速、省時、高效率 第五:應用廣泛、多功能 第六:可移動定位
GPS在使用前其基本設定非常重要,例如 :單位、座標系統、標位格式、方位設定……等，都必須設定正確,並符合所用的地形圖,另GPS的耗電量亦相當可觀,必須注重電池管理,更重要的是美國國防部沒有對使用者收取任何費用,相對若發生問題也不負責。

14 1.三度空間定位 　太空中衛星所傳送的資訊,經由陸海空各式載具（飛機、船、車輛或手持等）的接收器接收,進而解算出載具或使用者所處的空間位置。GPS衛星定位系統採三維空間的定位方式,根據一般三角定位定位原理,二顆不同的衛星資訊,可以解算出二度空間的位置,但為了糾正與修正定位誤差,通常會加入第三顆衛星的資訊。同理,想做較精確的三度空間定位,除需要基本三顆衛星資訊外,通常會加入第四顆衛星資訊以消彌及修正定位可能產生的誤差。 2.目的地規劃與導航 (1)找樂子（吃喝玩樂） (2)車輛導航 (3)公車資訊、計程車派遣、貨物運輸、車輛租賃 隨著國民所得成長,國民對於旅遊品質的要求也逐漸提升,其中,旅遊資訊的正確性、豐富性以及易讀性是旅遊品質優劣的關鍵因素之一；此外,經濟的快速成長與商業活動遽增,需到外地出差的機會亦倍數成長,到了人生地不熟的地方如何能快速正確抵達洽公地點,亦成為高度需求。

15 3.旅遊記錄 人們不用改變旅遊習慣,也不會增加操作上的負擔,照樣開開心心地出遊。關鍵性的差別在於結束遊程時,面對數量可觀的相片,再也不用絞盡腦汁地回想照片的拍攝地點,透過商業軟體的處理,你可以輕鬆的將基本相片資訊,如拍攝的日期、時間、坐標、拍攝時所在的海拔高度、乃至於拍攝的方位,全「貼」在照片上。從此,與親朋好友分享這些照片的同時,所有的旅遊基本資訊一目瞭然,增添許多樂趣。 4.老人、孩童以及寵物協尋 GSM的高普及率以及網路技術的快速發展,使得整合GPS、GIS與GSM 而成的協尋裝置於歐美國家已蔚為風潮,國內經由推廣亦逐漸普及。此類協尋裝置可置於家中老人、孩童或寵物身上,若發生協尋事件時,家人、飼主透過GSM聯繫協尋器，協尋器會自動由發射器送出GPS定位訊號、。在無GPS定位訊號時，亦可透過GSM定位方式,於手機或網路地圖上得知協尋對象位置。

16 5.學術研究(田野調查) 動物:猩猩、海豚、鯨魚、候鳥、貝殼… , 植物:特殊物種、紅樹林、老樹… , 自然環境: 地殼變動、冰河、雪崩… 6.車、船、飛機、步行……
參考資料為： 1.征航 黃勁松. GPS測量與數據處理 武漢大學出版社 2.胡友健 羅昀 曾雲. 全球定位系統（GPS）原理與應用 中國地質大學出版社