GPS 全球定位系統基本說明

chrishuang 發表於 2005-10-6 19:49:16

有鑒於目前有越來越多人使用 GPS，而小弟手邊剛好有這份關於 GPS 原理基本說明，因此 PO 上來供大家參考。

目前一般所使用的 GPS 主要要功能為汽車行動導航，而如果是從事戶外越野活動，市面一般所售之汽車衛星導航系統便不適用；而是必須具有電子羅盤功能之GPS 定位系統 ( GPS、電子地圖、氣壓式高度計與電子羅盤的四合一全功能衛星定位儀 )

另外一提，目前台灣地區(本島)目前一般使用的座標系統有二：TWD67 與 TWD97 兩種：

＊　TWD67：是依據 1967年之國際地球原子參數(Geodetic Reference System 1967，GRS67) 而定，以埔里虎子山為測量原點，這是目前地形圖所用的系統，由於地形圖上的說明區，並無很明確的註明系統名稱，只列出"平面控制：以南投縣埔里鎮虎子山三角點為原點"，因當時只有此系統在使用且無統一名稱，所以就常稱為: 虎子山系統( Hu-Tzu-Shan) 或 GRS67 (或TWD67)。

＊　TWD97：是依據 1980 年之國際地球原子參數(Geodetic Reference System 1980, GRS80) 而定，以埔里虎子山為測量原點，這是內政部為應用GPS重新檢測及建置全省三角點，而規範之座標系統，並且具體訂定名稱為：TWD97，而此系統與 WGS84系統之差異，只有"公分等級"的差異大小，在導航級GPS( 平均定位精度在1~15公尺者)中，是感覺不出來的，此系統與WGS84 系統相近，只在用於精密測量時才有影響。

***************************************************************
GPS：

全球衛星定位系統(Global Positioning System,GPS)是由美國政府所發展，整個系統約分成下列三個部份：

1.　太空衛星部份：由 24 顆繞極衛星所組成，分成六個軌道，運行於約 20200公里的高空，繞行地球一周約12小時。每個衛星均持續著發射載有衛星軌道資料及時間的無線電波，提供地球上的各種接收機來應用。
　
2.　地面管制部份：這是為了追蹤及控制上述衛星運轉，所設置的地面管制站，主要工作為負責修正與維護每個衛星能保持正常運轉的各項參數資料，以確保每個衛星都能提供正確的訊息給使用者接收機來接收。

3.　使用者接收機：追蹤所有的 GPS衛星，並即時地計算出接收機所在位置的座標、移動速度及時間，我們一般所使用的 GPS 即屬於此部份。

我們一般民間所能擁有及應用的，就是第三部份。計算原理為：每個太空衛星在運行時，任一時刻都有一個座標值來代表其位置所在(已知值)，接收機所在的位置座標為未知值，而太空衛星的訊息在傳送過程中，所需耗費的時間，可經由比對衛星時鐘與接收機內的時鐘計算之，將此時間差值乘以電波傳送速度(一般定為光速)，就可計算出太空衛星與使用者接收機間的距離，如此就可依三角向量關係來列出一個相關的方程式。

一般我們使用的接收機就是依上述原理來計算出所在位置的座標資料，每接收到一顆衛星就可列出一個相關的方程式，因此在至少收到三衛星後，即可計算出平面座標(經緯度)值，收到四顆則加上高程值，五顆以上更可提高準確度，這就是 GPS的基本定位原理。一般來說，使用者接收機每一秒鐘的座標資料都是最新的，也就是說接收機會自動不斷地接收衛星訊息，並即時地計算其所在位置的座標資料，如此使用者便不需擔心是否接收機顯示的資料太舊或是不準確了。

由於衛星是處在相當高的運行軌道上，其傳送的訊號是相當的微弱，因此它不像一般通訊無線電或大哥大等可在室內使用或收到訊號，在使用時需注意下列事項：

1.　需在室外及天空開闊度較佳之地方才能使用，否則若大部份之衛星信號被建築物、金屬遮蓋物、濃密樹林等所阻擋，接收機將無法獲得足夠的衛星訊息來計算出所在位置之座標。

2.　請勿在具 1.57 GHz 左右之強電波環境下使用，因此環境易將衛星訊號遮蓋掉，造成接收機無法獲得足夠的衛星訊息來計算出所在位置之座標，尤其是高壓電塔下方。

3.　單純 GPS 所計算出的高程值，並非是我們一般所說的海拔高度及氣壓計量測的飛行高度，原因在於所使用的海平面基準點不同，因此在使用時請務必注意此點。

GPS 的基本應用就是導航與定位，定位方面在上文已描述過，而導航方面就是利用所求出的定位資料來計算。接收機所計算出的任何時刻座標資料，在GPS 裏我們都稱為一個航點(WAYPOINT)，也就是說每個航點所表示的就是一個座標值，比較重要的航點，我們就可以把它儲存在接收機內，並編上一個名字，讓我們可以辨別。

由於在地球表面上的任何位置，都以不同的座標值來表示，因此只要知道兩個不同航點的座標資料，接收機就可馬上計算出兩個航點間的直線距離、相對方位及航行速度，這就是 GPS 接收機導航資料的來源。

例如：目前我們在基隆港，希望往北行駛，第一個目的地是釣魚台，第二個目的地是琉球為終站；從起點至終點，每站就都是一個航點，航點與航點間的行程稱為航段(LEG)，從起點依序經過各點至終點琉球等，整個行程我們稱之為一條航線或是一條路徑(ROUTE)，圖示如下：

　　　　(航點) 　　航段　　(航點) 　　航段　　 (航點)
　　　　基隆港　　→ 　　　釣魚台　　→ 　　　琉球

　　　　　　　　　　　　全程稱為：Route

我們只要事先將各點的座標資料(利用地圖或查詢相關資料)輸入GPS接收機內，我們就可建立許多航點資料，要使用時候將其叫出，利用 GPS接收機的導航功能做各航段間的導航。而當進行導航時，為使我們的行進方向不致於偏移太多，有些 GPS 提供了航線寬度─ CDI的設定功能，只要我們行進時偏離我們所設定的航線寬度限制，GPS 就會自動提示我們，這就是CDI的作用。由此可知，要利用 GPS 做導航功能，最基本的就是先建立航點的資料，然後儲存在接收機內，如此不管是要做航點與航點間的導航，或是要編輯一條航線，就可直接利用記憶體內的航點資料了，也可以說〞航點〞是GPS 接收機導航功能所需最基本的資料了。

[ 本帖最後由 MP476 於 2006-1-10 19:28 編輯 ]

老潘發表於 2005-10-6 20:39:25

chrishuang兄提供這篇GPS衛星定位在特戰區,似也知道現代作戰與衛星定位不可分的關係:P

GPS可為深入敵後的特戰隊員提供定位,美軍的特種部隊都具數位化能力,美軍的指揮戰管體系，就是俗稱C4ISR,其一便是利用衛星提供敵方情報資料,變成一個動態性資料庫,可以隨時提供作戰單兵使用!單兵可以變成數位戰爭主體。

美國可以讓世界禁若寒蟬,除了強大的快速投射部隊,再來應是數位化戰場管理領先全球。

chrishuang 發表於 2005-10-6 21:05:46

Originally posted by 老潘 at 2005-10-6 08:39 PM:
chrishuang兄提供這篇GPS衛星定位在特戰區,似也知道現代作戰與衛星定位不可分的關係:P

GPS可為深入敵後的特戰隊員提供定位,美軍的特種部隊都具數位化能力,美軍的指揮戰管體系，就是俗稱C4ISR,其一便是利用衛星 ...

如老潘司令所述，GPS 在特種作戰領域已是一個非常重要的利器
甚至老美所謂精準轟炸 , 也是利用 GPS 作為重要的導引系統
而這一切在 GPS 最重要的部份已就在小弟所 PO 的文章中所提到的 GPS 解碼器 , 這也就是我中科院在發展所謂天箭三巡弋飛彈除了動力之外 , 最難突破的技術瓶頸 .

另外跟老潘司令報告, 目前台灣是全世界最大的商用 GPS 解碼器生產國 ( 撇開汽車導航不說　) , 甚至美國部份特戰部隊個人所使用的 GPS 亦是由台灣所生產。

MP476 發表於 2005-10-6 22:05:04

Originally posted by chrishuang at 2005-10-6 21:05:

另外跟老潘司令報告, 目前台灣是全世界最大的商用 GPS 解碼器生產國 ( 撇開汽車導航不說　) , 甚至美國部份特戰部隊個人所使用的 GPS 亦是由台灣所生產。

chrishuang學長說的這家全球最大GPS製造廠名為：台灣國際航電(Garmin Corp.)

該公司簡介：
台灣國際航電(Garmin Corp.)成立於1990年，主要從事導航和通訊產品之研發、製造及銷售，產品線包含航空用、船用、車用、行動電話、OEM、手持休閒用途等。特別值得強調的是，我們堅持以合理價位提供最佳品質、安全性、及實用的產品，以豐富每個人的生活。

1989年，一群認真專注的工程師和一個偉大的產品構想，造就了今日全球衛星定位導航系統的領導品牌Garmin—兼具最佳的銷售成績與專業讚賞。由製造當初在波斯灣戰爭中被聯軍採用的第一台手持GPS，到現今成為GPS的第一品牌，Garmin的產品以更優良的功能和用途遠遠超越傳統GPS接收器，並為GPS立下一嶄新的里程碑。

Garmin現今擁有完整且多樣化的產品線，我們的行銷據點更是廣布全世界各地，到目前為止，我們已生產銷售數百萬台的GPS接收器。設計生產創新的產品固然促使Garmin迅速竄起，但締造Garmin長期以來成功的因素，則是我們對完善之售後服務的堅持。我們以高品質的產品、極大的產品附加價值、和絕佳的服務，贏得了許多新的顧客，而我們也正努力地使這些新客戶成為Garmin的忠實愛用者。

資料來源：台灣國際航電網站
http://www.garmin.com.tw/graphics/newHomePages/garminlogo_f2.gif

chrishuang 發表於 2005-10-6 22:22:21

Originally posted by MP476 at 2005-10-6 10:05 PM:

chrishuang學長說的這家全球最大GPS製造廠名為：台灣國際航電(Garmin Corp.)

該公司簡介：
台灣國際航電(Garmin Corp.)成立於1990年，主要從事導航和通訊產品之研發、製造及銷售，產品線包含航空用、船 ...

沒錯，是台灣國際航電(Garmin Corp.)
該公司的產品品質真的沒話說 :gud:
因工作上的需要（安裝架設指向性遠距離無線網路系統），數年前有買一部，
曾經有一次不小心讓手機與 GPS 從大約三公尺的高度掉下來
結果手機分屍玩蛋，Garmin GPS 完好如初

施純佑 發表於 2005-10-6 23:15:04

我在我5年前也購買該公司的GPS III PLUS 還蠻好用的，只是都是英文版的，之後該公司也陸續出了許多形式的中文版，但我要去改中文版他們卻說沒有這項服務，擺明是要我換新，並不是不懂英文，只是中英文路名譯音不容易對照，不過如果用在登山、獨木舟或潛水等戶外活動還不錯，還有防水功能及8小時的續航力，現在我都用藍芽GPS接收器，用在PDA手機上，也不錯用，又便宜。

摺凳發表於 2005-10-7 00:30:25

GPS定位其實在特殊狀況時可以由定位衛星使用國傳送錯誤訊號
譬如干擾與衛星訊號使用國敵對的國家.......
每個衛星負責的區域都不同,可以針對特定區域下去傳送錯誤訊號!降低準確度以避免危害己方安全....

MP476 發表於 2005-10-9 08:13:11

US Army Combat PDA with GPS

The U.S. Army is sending more than three hundred Commander’s Digital Assistant (CDA) hand held computers to Iraq with platoon leaders and company commanders later this year. This CDA is a new design, based on experience with CDAs sent to Iraq last year. The CDA is basically a militarized PDA (Personal Digital Assistant, like the Palm). PDA technology is changing so fast, especially by traditional military procurement standards, that the army expects to have a new version of the CDA every year or so. The 2005 model (shipping out later this year) will have satellite phone capability and be able to download maps, along with instructions overlayed on the maps. The army is taking advantage of cheaper, and more compact, memory available to provide this vital map download feature. It’s now possible to equip a PDA with a gigabyte, or more, of flash (like used in digital cameras) memory. Most users are unaware of the fact that their cell phones, PDAs and iPods have all become, basically, hand held computers. All of these use the StrongArm or XScale CPU, a processor chip designed years ago for small devices, and continually updated (and now owned by Intel, which supplies over 80 percent of the CPUs for laptops and desktop computers.) Some PDAs, like the iPaqs, have long been considered handheld computers, using a PDA version of the Windows operating system and PDA versions of WORD and Excel. Even the iPod MP3 player has an operating system, display manager, database manager, hard drive hardware and software and digital sound hardware and software.

In the last year, PDAs and cell phones have been merging, which is where the new CDA came from. The army needs a combat PDA that can communicate, preferably via satellite, and can display visual information (like maps). The new CDA will do both, and their use in Iraq will provide a lot of feedback from officers about what software, hardware and graphics improvements are needed. The army is already concerned with battery usage, and getting the graphics to work just right, and be easy to use. The basic idea is to keep platoon leaders (and platoon sergeants, who will probably end up with CDAs as well) constantly informed about what their commanders want, and what new information is available about the enemy. With the satellite communications link, new information about the enemy situation can be constantly sent. Of course, the new CDAs will have the “Blue Force Tracker” technology that will constantly show the location of all nearby friendly platoons, tanks and combat aircraft on the PDA screen. Instead of, as in the past, the company commander trying to explain to his lieutenants, over the radio, what the new plan is, he just sketches out a new plan on his CDA, and transmits it to his platoon leaders (and the battalion commander, so his boss knows what’s going on as well.) The young officers have taken to the new technology enthusiastically, as many have been taking their own personal PDAs into combat and training exercises for years. This is the Nintendo generation at war.

http://www.wargameyau.net/attachments/USarmy_pda_tW7N8QuHdDDQ.jpg

chrishuang 發表於 2005-10-9 10:38:13

GPS 各國發展近況

美國：
Global Positioning System ( 全球衛星定位系統 GPS ) ，源於 NAVSTAR 衛星，它可以提供陸海空使用者精確、持續、全天候、全球性航行、位置和時間的資訊。它的發展最早可從1973年，美國陸、海、空三軍利用衛星研究三點定位技術開始，1974年Rockwell公司獲得合約負責GPS衛星建送、1978首顆衛星成功發射定位，到現在已有24顆衛星在太空中執行導航（Radionavigation）、定位（Positioning）及時間傳送（Time Transfer）的功能。美國GPS衛星系統包含24顆衛星，分佈於6個軌道平面（Orbit Plane），每個軌道包含4個衛星，以接近12小時繞地球一週（11小時56分），軌道高度約20200km。在地球任何一個位置都至少可以接收到四顆以上的衛星作為定位參考，於1993年正式完成定位，其中有3顆為備用。這個系統雖然最初是以軍事上的用途為主，但時代的演進，整個國際的政治情勢的變化，GPS 的軍事以外經濟價值反而成為更重要的用途。

俄羅斯：
前蘇聯亦在1970年代的中期開始發展類似的衛星定位系統，命名為GLONASS( Global
Navigation Satellite System 縮寫)。1982 年 10月 12 日發射第一組的三顆衛星，於1995 系統
佈建完成，民間用戶在地理座標圖誤差方面為30公尺。

中國大陸：
目前經濟資助解體後的蘇俄維持 GLONASS 系統運作，且正在研究法令，限制將來要賣進中國大陸的衛星定位系統，必須是能同時接收 GPS 和GLONASS 的雙星接收系統；另一方面，2000年10月中國政府發射了第一個導航用的定位衛星~北斗導航實驗衛星，並在同年12月發射第二顆衛星，現階段北斗衛星雖仍處於試驗階段，不過隨著中國對於建立衛星工業的企圖心日益明顯，且避免因美國掌控GPS定位平台而遭束縛，將來這套系統可能成為大陸專屬的衛星導航系統。

歐洲：
伽利略全球衛星定位系統 (Galileo System)，1999年初歐盟會議就提出伽利略衛星導航系統的計劃，直到2002年3月17日歐盟領袖會議正式決定發展此系統，伽利略全球衛星導航系統包括30個人造衛星，與14個地面接收站。這30個衛星將在2004年到2008年之間陸續發射，服務範圍包括六方面：
(1)公開服務
(2)商業服務
(3)生命安全服務
(4)公共規範的服務
(5)由地區性單位提供之衛星導航服務
(6)搜尋與救援服務。

日本：
日本的衛星定位系統是對美國全球定位系統(GPS)的擴充，要實現這一個計畫，在技術上必須與美國進行合作，預計於2008年投入使用。新一代的定位系統將包括多顆衛星，其中一顆將常年覆蓋日本上空，成為高精度定位跟移動通訊的中心。

GPS的準確性：
從 2000年5月起，我們所收到訊號的精確性將比以往100公尺提升了約十倍，這是因為美國國
防部自那個時候起，停止了 SA（Selective Availability）干擾。

至於其它的誤差因素則來自所接收到的衛星數量、地球公轉及自轉的誤差、離子層、對流層干擾，位置及 Multipath 等環境因素。所謂 Multipath 會導致訊號的反彈，改變訊號方向與路徑，將會增加它抵達 GPS 接收機的時間，進而造成距離計算上的誤差，通常將會造成約 5 公尺的誤差。而且GPS 系統不受天候影響，因為是以短波發送，不會受任何天候的影響。但是GPS 信號有可能在傳送過程中介入誤差，例如太陽風、地球自轉、大氣層濃度變化、建築物的反射等，都會使 GPS 的短波信號產生偏差。

GPS 接收能力：
1. 水平準確度：對於較舊型以8頻道接收衛星的機型，水平準確度在接收良好的狀況下可達20至 35公尺，對於12頻道平行接收之較新機型則可達 7至 15公尺。

2. 高度準確度：至於高度準確度，對於較舊型以8頻道接收衛星的機型可達75公尺，對於12頻道平行接收之較新機型則可達35公尺的範圍。

另外 GPS 接收系統目前在商用部分普遍使用以下兩種技術平台：

差分GPS：
為了得到十公尺內的準確性，美國以外的國家採用差分GPS (DGPS)，需面對的更多技術問題如訊號環境(障礙、干涉、多重路徑)、精確性卅連續性卅整合性、載波相位解析度、鎖定監視功能卅錯誤偵測方法以及整合解頻卅導航等。運作方式，即將一台衛星的距離改正數，並由基準站將這一數據傳送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，並對其定位效果進行改正，因而提高定位精度。目前這些服務是需要付費的。高精度的測量所使用的 DGPS 或者更高速的 RTK，大多數都必需自備無線電傳送的設備，目前各個高階 GPS 的廠商都會指用 Pacific Crest 的 GMSK 無線電數據機。因為這類的設備非常貴，一組常超過新台幣二十萬元。

WAAS：
Wide Area Augmentation System (廣域擴充系統)，是一種衛星的傳播系統，約二十多個地面參考站台所組成，位置横跨整個美國。它們監看著衛星的資料，其中兩個主要的站台，位於兩岸，從各參考站台收集校正訊號並建立校正資訊，這些資訊根據衛星的軌道誤差，衛星上的電子鐘誤差，以及由於大氣及電離層所造成的訊號遲延。這些資料經計算校正之後再經由一個或兩個地球同步衛星傳播，或是軌道固定在赤道上空的衛星並且配合地面站台以提供 GPS 校正訊號，讓我們得到優於3公尺的精度及百分之 95 的時間差定位，而且您不必購買額外的設備或支付任何的費用。

-- 資料來源：逢甲大學 GIS 中心

fbiswatteam 發表於 2005-10-9 20:35:05

科技真是方便啊..哈哈

頁: [1] 2

中華民國後備憲兵論壇 | ROCMP Forum's Archiver