耶~貝勒要來實現諾言了,從查找資料到整理消化,著實花了不少時間呢(中間還發生資料遺失讓貝勒欲哭無淚)!故事的一開始是為了要寫響尾蛇GPS-008,所以貝勒自己頭上就冒出了許多問號,為了解決這些問號,貝勒開始追根究柢,SO 廢話不多說了 LET'S START!

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首先我們來了解一下,GPS(Global Position System 全球定位系統)到底是怎麼開始的。

 


 

一、GPS的起源

軍備戰.jpg

最早促成衛星導航技術的就是美國和蘇聯,沒錯就是約40年前的美蘇軍備競賽,有趣的是這樣的技術一開始的目的不是著眼於為民服務(講這樣其實也不太對,保家衛國也是為民服務。。。但大家懂意思就好哈哈)。GPS發展計畫是由美國國防部主導,將衛星和無線技術應用於導航定位系統上,為使用者提供精確的定位、時間和速度,以做為敵前偵測和軍事通訊等等用途,而第一顆GPS衛星是在西元1978年2月被發射出去的喔!

 

發射衛星.jpg

 


 

二、GPS的組成

OK瞭解了GPS的出生,接著來看看他的構成是長什麼樣子。GPS共分成三部分-空中衛星端、地面控制中心、使用者接收端

 

空中衛星端:

衛星分佈.jpg

目前共有24顆GPS衛星在天空中繞行,它們平均分布於6條軌道上,每條軌道傾角約為55度,而每顆衛星高度約為20,183公里。衛星繞行地球的週期為11小時58分鐘,所以每顆衛星每天可以在同樣的路徑上繞行地球兩圈(真快),而依照這樣的設計進行,GPS系統可以確保使用者在地表上的任何時間、地點,都可以看見至少4顆以上的衛星。

 

地面控制中心:

由五個監測站、兩個主控制站(一個備用)、四個地面天線(注入站)組成。

監測站分布圖.jpg

監測站分布圖

監測站:

分別位於南太平洋馬紹爾群島的卡瓦加蘭島,大西洋上英國屬地阿森松島,英屬印度洋領地的迪戈伽西亞島和位於美國本土科羅拉多州的科羅拉多斯普林斯以及夏威夷群島,其功能在追蹤視野內的所有GPS衛星,收集衛星測距信息、計算相對距離、大氣校正數據等等,然後在將這些數據傳回主控制站。

主控站:

位於美國科羅拉多州春田市(Colorado Spring),主要功能為收集由監測站傳來的的數據,計算衛星精密軌道、衛星星曆、衛星時表修正量及電離層校正係數,並產生每顆衛星的導航信息,然後將這些較正資訊通過地面天線傳送回衛星。

地面天線:

ANO…就是負責把主控制站傳來的訊息傳回各衛星囉~

 

使用者接收端:

就是你的GPS接收器囉,主要分為接收機、處理器、天線。概念是衛星測距,負責接收從視野內衛星發送的訊息,並計算與各衛星之間的虛擬距離,用以推算接收器目前所在的位置、速度、時間,但是一定要同時接收四顆以上的衛星訊號,為什麼呢?讓我們繼續看下去!

 


 

三、GPS的定位原理

大家會不會有疑慮,為什麼需要同時接收四顆衛星訊息才能較準確的計算三維位置(精度、緯度、時間軸)呢?這是因為GPS定位系統是利用『衛星基本三角原理』,GPS接收裝置是以測量無線電的傳輸時間來計算距離,由測量出視野內每顆衛星到達接收器的距離,就可以計算接收器所在的位置,但是當接收的衛星訊號只有一顆或兩顆時,會發生什麼事呢?讓我們一起來看看~

 

三角定位原理-1.jpg

 

接收一顆衛星訊號:

當接收器收到一個衛星傳來的訊號時,接收器就可以算出這顆衛星與我們的距離以及他的方向,此時訊號在接觸到地表時會是一個大圓弧的形狀,沒辦法精確定位。

接收二顆衛星訊號:

當接收器接收到兩顆衛星的訊號時,兩個球狀訊息會在地表交會形成兩個交點,但是為我們不會影分身之術,不可以同時出現在兩個地方,定位仍然不夠精確,所以需要加入第三顆衛星訊號。

接收三顆衛星訊號:

第三顆衛星訊號會在三個球狀訊號中形成兩個交點,其中一個交點在地球表面,另一個交點想當然耳就是離開地球表面(JUMP!)的在衛星的另一側,但是我們不會莫名其妙跑到外太空,所以GPS接收器會自行定義我們是在地表的這一側,最後完成定位!

接收四顆衛星訊號:

但是為什麼仍然建議要接收四顆以上的衛星訊號呢?這是因為當兩顆被接收訊號的衛星如果距離過近時,它們的訊號在角度較小的地方會產生重疊的區域,距離越近重疊的區域就越大,影響精度的誤差也越大,所以能接收到的衛星訊號是多一點比較好喔。

 


 

四、GPS精度級別和訊號傳送

GPS的精度級別分為兩種:

SPS(Standard Position System標準定位系統)和PPS(Precis Position System精密定位系統)

 

SPS:最常見的定位系統,其水平方向精確定為30公尺,使用C/A電碼。

PPS:過去只提供給軍事或政府單位使用,使用P電碼,精度達水平15公尺,垂直27.7公尺。

 

傳送頻率:

GPS衛星是以L1(1575.42MHz)及L2(1227.60MHz)兩種LBand載波調制電碼來傳送導航訊息。而電碼又分兩種→P電碼(Precis Code,10.23MHz)和C/A電碼(Coarse/Acquisition Code,1.023MHz),而為P電碼頻率較高,不易受干擾而且精度較好,所以當時是受到美國軍方管制的,像我們這種一般小老闆姓就只能用C/A電碼。

 


 

五、SA(Selective Availability選擇性效益)及DGPS(Differential GPS差分定位)

SA:

SA.jpg

這是美國國防部發展的一套程式,用途在控制虛擬距離測量的精度,以降低GPS定位的準確度,為什麼要這樣咧?沒錯,就是軍事用途。而SA使用的技術有二:一是在衛星原子鐘上加上高頻振動,二是降低衛星廣播星曆的精度,故意讓使用者求得錯誤的虛擬距離,在SA開啟時,它能讓使用C/A電碼的SPS系統精度降低至水平100公尺,垂直156公尺!好險,美國在西元2000年5月2日已經SA關閉,多年來也沒有要重啟的意思^^

 

DGPS:

DGPS示意圖.jpg

在正常的GPS外附加上改正信號,這是為了對付SA技術,投入了大量的研究及資源而生的技術,用意就是在想盡辦法修正SA所帶來的誤差。其原理說起來其實還滿好理解(實際操作上應該完全不好理解XD)就是利用已知的地面監測站座標,取得監測站與該衛星間的訊息求得改正值,再將這改正值與我們的接收器所接收到的訊息合併計算,以得到精度較高的座標位置,它可以使受到SA影響的SPS系統精確度修正到15~50公尺,而在SA關閉之後,更可以將精度提高到2~10公尺!

 


 

六、造成GPS誤差的因素

大氣層上的延遲誤差:

當GPS訊號從外太空穿過大氣層時,會碰到電離層中的帶電性粒子及對流層中的水汽,此時訊號便會產生行為偏差變成壞小孩 行徑角度偏差而有遲滯的現象。

 

多路徑訊號傳送誤差(Multipath Error):

GPS的訊號並不是從衛星直接到達到地面接收器(監測站),通常會經過各種地面物質反射,所以會有訊號多重定位的疊合誤差,導致GPS接收品質降低影響定位精度。

 

遮蔽效應(Mask Effect):

這是因為接收器所在環境或地形上的限制所產生,例如訊號死角、金屬擋板等等的訊號隔絕物質。。。導致部分或全部衛星訊號無法接收。

 

衛星時表誤差(Ephemeris Error):

沒有100%不會壞的機器,也沒有誤差0%的技術,即使精密精準如衛星原子鐘,還是會有出現誤差的時候,而衛星也不是每一秒接在被監控的狀態,所以當原子鐘在這樣的監控空檔發生誤差時,就會影響地面接收器的計算。

 

幾何精度稀釋(Geometric Dilution of Precision,簡稱GDOP)

聽起來很複雜對不對~其實就是前文提到的,為什麼要接收4顆以上衛星訊號的原因,兩顆衛星越接近,重疊區越越大誤差也越大,衛星相隔一定距離,相交的部分也越明確,精度越高。

 

接收器內部誤差:

簡言之。。。就是接收器太爛,請換品質好的。

 

選效誤差:

就是前面有條到的SA(Selective Availability選擇性效益)

 

週波脫落(Cycle Slips):

當衛星訊號傳送過程中,不慎受到外界干擾而造成訊號不連貫,以致於影響的虛擬測距的計算,這樣的狀況就叫做週波脫落。。。聽起來也太複雜,但理解起來也太不複雜,這名字到底誰取的。。。是故意想讓人退避三舍嗎= =

 


 

貝勒小結語:

好啦~拉哩啦咂了一大堆,不知道大家對於到底什麼是GPS全球定位系統,他又是怎麼運作的,以及它的實際應用面有沒有更了解了~又,如果貝勒的資訊有任何錯誤,還請各方高手們不吝指正喔!謝謝大家^^

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