淺談環球定位系統(GPS)的概念與應用

淺談環球定位系統(GPS)的概念與應用

尚作仁船長著

GPS是什麼? 

全球定位系統（Global Positioning System，GPS）是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。它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。衛星系統是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連續精確的三維定位、三維運動和精密計時的需要。

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該系統包括太空中的24顆GPS衛星；地面上的1個主控站、3個數據輸入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。只要有4顆衛星，就能迅速確定接收器在地球上所處的位置及海拔高度；接收到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。

而且GPS接收器已經微型化到僅需要幾個積體電路，因此能夠大幅的降低其生產成本，使得這項科技的價格能夠讓每各人都能負擔得起。

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目前GPS的應用範圍已經擴展到汽車、船舶、飛機甚至成為類似手機般的個人的裝備。

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為何需要GPS?

試著想找出自己在哪裡？並且要往哪裡去？是人類自古以來就一直想要追求的答案？導航與定位在許多人類的活動中都佔有重要的地位，然而求取定位的方法卻總是非常的複雜與困難。多少年來，各種科技都嘗試想要簡化定位的方法，但是每一種方法都有其限制與缺點。 

其他定位系統的缺點

1. 陸標定位: (地文航海)

    僅適用於當地已知目標，易受環境因素影響及視距限制。

2. 推算定位: (Dead Reckoning)

    計算非常複雜(變數太多)，依賴相對原始的測量工具(speed log)影響精確度，且累積誤差會迅速增加。

3. 天文定位: (測天解算)

    觀測精確度影響定位準確度，計算複雜，僅能在晨昏曙光觀測定位，且受天候限制。

4. 歐米茄導航: (早期的遠距電子導航系統)

    倚賴相對較少的無線電方位信號，精確度受限於無線電干擾。(1997已經停止運作)

5. 羅遠導航: (近岸電子導航系統)

    有限的涵蓋範圍(僅限於近岸海域)，精確度受地理環境影響而不確定，電波容易遭受干擾或阻隔。

6. 美國海軍導航衛星系統: (NNSS第一代的衛星導航系統)

    根據測量低頻都譜勒頻移的原理，因此接收器容易受到微小飄移的影響，衛星分布較少，因此取得定位的間隔時間過長。

 

發展歷史

(所有偉大的發明皆是因為戰爭的需求)

 
從英國皇家海軍潛艇上發射三叉戟核子洲際飛彈實況

從古今中外歷史來看，人類許多重大的科技發明都跟軍事需求息息相關，而這些軍事上的科技發展最後也就漸漸的轉化成民間生活上的應用。例如中國古代四大發明之一的指南針，就是在傳說五千多年前軒轅黃帝與蚩尤的戰爭期間，蚩尤招來大霧，使得黃帝的軍隊分不清楚方位。因此黃帝與其部下「風後」發明了指南車，從此軍隊即使在大霧中仍能明確辨識方向，最終打敗了蚩尤，一統中原。而指南車的科技從此也逐漸廣泛的被民間所應用。

在60年代美蘇冷戰期間，美國與前蘇聯的兩大超級強國的軍事競爭過程中，美國國防部為了使中長程核子武器能精準命中目標、海軍艦隊能準確迅速地抵達戰場、陸軍軍隊在不熟悉的戰場上不會迷失方向等軍事考量，決定必須要發展一個能夠涵蓋全球範圍、超級精準的定位系統。並且提撥了一個天文數字的研發經費，總共是一百二十億美金，在30年前 (1978)這可是一筆天文數字，即使以現代物價指數來看也是天文數字，由於經費充裕，美國國防部最終也的確研發出了人類有史以來最夢幻的定位技術，就是我們目前所熟知的「環球定位系統」簡稱GPS。GPS定位系統可以提供全世界全天候陸、海、空的導航、定位與精確對時服務。爾後美國軍方亦逐漸開放部份功能給民間使用；直到今日，隨著開放的功能增加以及人工干擾限制的減少，民用衛星定位的精確度也大幅的提升，使得GPS的民間運用日益廣泛，也因此永遠的改寫了人類定位與導航的歷史，正式宣告GPS的時代已經來臨。

 

GPS如何運作?

步驟 1: 來自衛星的三角定位

GPS衛星定位系統採用三維空間的定位方式，根據一般三角定位原理，二顆不同的衛星資訊，可以解算出二維空間的位置，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，想做較精確的三維空間定位，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。

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步驟2: 從衛星測量距離

根據上述原理，我們知道GPS的定位概念是利用至少三顆以上的衛星，以衛星在太空中的位置作為參考點，反向計算出我們在地球表面上的位置。

但問題是如何能夠精確的測量，從衛星發射的無線電信號到達我們接收器的時間呢？

假如有一種方法可以讓衛星及接收器能夠在非常精確的同步狀態下，同時發送一個信號(這個信號我們稱為"Pseudo Random Code"，中文翻譯為「偽亂碼」，它可以區別每一個衛星的身分資料)，然後我們站在接收器旁邊同時接收兩邊所發送的信號，一個是從衛星發出來的，另一個是從接收器本身發出來的。

這兩個信號一定會不同步到達，從衛星發送的信號將會略為落後，因為它在空間旅行了一萬一千英里以上的路程才到達接收器。

如果我們想知道衛星信號與接收器信號的時間到底差多少，我們可以將原本與衛星同步發送信號的接收器延遲發送時間，直到接收器的信號與衛星信號同步為止。

然後我們測量接收器延遲了多久才與衛星信號同步，再將延遲的時間乘以無線電傳播速度就能得出接收器與衛星之間的距離。這就是GPS基本的定位原理。

 

步驟 3: 獲取精準的時間

如果測量無線電信號在空間中行進的時間是GPS定位的關鍵要素，那就需要非常精確的計時裝置，因為如果計時器誤差超過一毫秒(千分之一秒)，以無線電波傳送的速度來說就會產生將近200海里的誤差。

在衛星上的計時裝置幾乎可說是絕對精準的，因為每顆衛星上都搭載了原子鐘，根據實驗的數據，原子鐘的誤差大約每140萬年才差一秒，可說是目前世界上最準確的計時器。

但是在地面上的接收器又是使用什麼樣的計時裝置呢？

別忘了衛星和接收器必須要能夠精確的同步發射「偽亂碼」信號才能正確的比對出時間的延遲。如果接收器也必須用到像原子鐘這類的高精確計時裝置，那GPS這項定位科技勢將成為不切實際的跛腳鴨科技，因為光是一個原子鐘的造價就將超過10萬美金以上，相信沒有幾個平民百姓能負擔得起這樣昂貴的定位科技。

所幸GPS有一個非常高明的設計，這個設計也是GPS的關鍵技術，使得接收器不需要裝設像原子鐘那樣精確的計時器，也能達到同樣精準的計時要求。這個關鍵技術的祕密就在於利用第四顆額外的衛星來校正計時誤差。 

如果三顆衛星的測量結果能夠精確的定位出三維空間的位置，則第四顆衛星理論上也應該交在同一點上，如果不在同一點就表示計時系統有誤差產生，接收器將根據第四顆衛星的誤差值校正其內部的計時裝置，使接收器內建的廉價計時器也能藉由不斷的校正，隨時保持媲美原子鐘一樣精準的時間。

 

步驟 4: 獲取衛星在太空中的位置

我們如何得知漂浮在一萬一千英里以外的衛星正確位置呢？

中國有一句諺語：「滾石不生苔」，同樣的道理也可以應用在衛星軌道上，所謂：「高軌不生苔」，這話怎講呢？當衛星的軌道高度位於一萬一千英里的高空時，已經完全脫離了地球大氣層的範圍，在真空的外太空環境中，少了大氣層的介質干擾，衛星軌道的預測將變成很單純的數學模式。

因此在地面上，所有的GPS接收器都預存了一套衛星位置的天文曆在其內建的記憶體中，其中包括了所有的衛星在每一時刻位於天空中的位置資訊。

所有衛星運行軌道隨時都在美國國防部的監控之下，以確保衛星運行正常。他們使用非常精密的地面雷達站，檢查每一個衛星的確實高度、位置與運行速度。每當地面監測站完成對某一顆衛星的正確位置測量之後，他們會將位置資訊回傳到該顆衛星本身，這顆衛星在發送計時訊號的時候，會連同最新的衛星正確位置資訊一起發送出去。
 
因此GPS所發送的「偽亂碼」信號除了可證明其身分並作為計時之用之外，還同時包括衛星本身正確位置的修正資訊。

有了精確的計時裝置及精準的衛星位置，是不是就能得到正確的定位解算了呢？理論上如此，但是在現實的環境中，還有其他許多干擾的問題需要解決。

 

步驟 5: 誤差修正

到現在為止，我們從理論上介紹了假設衛星信號在真空狀態下傳送的定位計算原理。但是在現實的世界中，衛星信號在傳送的過程中將會經歷許多的干擾，使得最後的結果並不如純理論計算那麼完美。

為使定位系統能發揮最大的功效，GPS接收器必須將各種不同的誤差可能納入考量，其中包括下列各項主要的誤差來源：

對流層誤差

對流層位於地球大氣層的最底部，並且直接影響我們的天氣形態。對流層含有豐富的蒸發水氣及不同的溫度與大氣壓力。這些因素會產生相對較小的誤差值。

 

電離層誤差

電離層在大氣層中分佈的高度約在50到500公里之間。在這個範圍中充滿了大量的遊離電離子，會對GPS的無線電信號產生嚴重的干擾。電離層誤差是所有GPS誤差來源中最大的一項誤差。

 

反射誤差

GPS的無線電信號在通過了電離層干擾及對流層的水氣折射誤差之後，它的麻煩還沒有結束。在信號到達接收器之前還會受到各種地形地物的折射或反射影響。

地形地物的反射或折射誤差稱為「multipath error」，它對無線電信號所造成的影響很類似我們從前看傳統電視時，螢幕上出現的鬼影現象，那是因為電視波受地形折射所產稱的二次波甚至三次波影像。

 

衛星天文曆誤差

雖然每一顆衛星的位置都持續的被監控，但是不可能做到每分每秒都隨時修正誤差的地步，通常衛星天文曆的資料是每小時更新一次。

因此在每小時更新一次的間隔中，衛星軌道位置的微小飄移就會造成衛星天文曆誤差。

衛星仰角誤差

GPS接收器還需要考量每一顆衛星信號的接收角度，因為不同角度的衛星信號在通過大氣層時所旅行的長度也不同，仰角越低的衛星，信號通過大氣層的長度就越長，也意味著受對流層及電離層干擾的影響就越大。

人工干擾誤差

很難相信一個花了一百二十億美金研發出可以涵蓋全球，最精確定位導航系統的國家，竟然會以人工干擾的方式，故意降低其精確度。這個故意降低GPS精確度的政策稱為"Selective Availability"(選擇性服務)或者簡稱"SA"干擾，這個政策理念的背後是為了確保敵方武力或恐怖份子集團無法利用GPS的高準確定位來製造精準的武器。

但是由於GPS的民間運用越來越廣泛，而且對於精確度的要求也越來越高，同時還有來自其他國家衛星定位系統的競爭，例如前蘇聯所發展的GLONASS衛星定位系統、歐洲各國共同研發的伽利略衛星定位系統、以及中國的北斗衛星導航定位系統。

因此在2000年的五月一日，當時的美國總統柯林頓在白宮發表一分聲明稿，決定取消民用GPS信號內部人工干擾誤差，使得民用GPS的精確度大幅提升了10倍以上。

這個取消SA人工干擾誤差的決定，立刻獲得了全世界民用或商業應用GPS的熱烈回響，相關的應用產品從此大量出爐。現在非常流行的車用GPS或PDA手機的定位導航功能，都是從2000年以後才開始蓬勃發展的。

 

開放民用

原本僅供美國軍方使用且屬於高度國防機密的GPS衛星定位系統，是在什麼年代？什麼原因？促使美國政府開放給全世界各國公開使用的呢？

這要從一件因為定位誤差而造成震驚全球的空難慘劇說起：在1983年9月1日的清晨，一架從美國紐約飛往南韓首爾的韓航007號班機，因為機上慣性導航系統的定位誤差(當時GPS尚未開放民用)，使該架飛機從阿拉斯加安克拉治中途加油起飛後就偏離航道以北，在越過阿留申群島後就直接飛入當時蘇聯的堪察加半島領空，蘇聯空軍最後在庫頁島上空將其擊落。

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​這個因為定位誤差所造成的慘劇，在當時震驚了全世界，也促使了美國政府因此一事件，在隔年，也就是1984年宣佈開放原本僅限於美國軍方使用的GPS部份功能給民間使用，從此開啟了一個嶄新的衛星導航市場產業。

 

GPS定位的座標系統

何謂WGS?

WGS是World Geodetic System的縮寫，這是美國國防部所訂定的世界測地系統，採用的是地心座標系統。這個座標系統與格林威治為基準的座標系統在經度線上有所差異，WGS-84的本初子午線已經從格林威治本初子午線向東移動了102.5公尺。

早期製圖的地理參數都是各國政府各自為政的，而且都是區域性的，1960年代，美國為了其全球戰略需要，開始發展出全球範圍的測地基準參數，第一代的世界測地系統為WGS60(World Geodetic System 1960)，後來還有WGS66, WGS72, WGS84，WGS後面兩位數就代表該測地系統的發表年份。

GPS採用何種測地系統？

美國海軍第一代的都普勒衛星定位系統(NNSS)採用WGS72作為定位座標的標準地理參數，現在大家使用的GPS衛星定位系統則是採用WGS84作為定位座標的標準參數。

台灣地圖採用何種測地系統？

台灣早期地圖的大地基準是採用TWD67(Tai-Wan Datum 1967)，根據這個測地參數的定義：地球橢圓球體參數是採用1967年地球測地參數系統(Geodetic Reference System 1967，GRS67)，根據這個參數，地球的長半徑為 6,378,160公尺，短半徑為 6,356,774公尺，扁率為1/298.25，大地基準點以南投埔里的虎子山起算，地圖投影是以台灣本島中央子午線121度東經，為投影基準之橫麥卡托投影，台灣本島高度基準面以基隆港平均海平面起算，澎湖則以馬公港平均海平面起算。直到1997年以前，台灣內政部所核准發行的台灣地圖都是採用TWD67作為製圖基準。

近年來隨著空間定位技術的日益精進，許多高精度定位應用已經需要更精確之全球性坐標系統，台灣於1997年訂定了新的國家坐標系統，命名為1997台灣大地基準(TWD97)，其架構係採用國際地球參考架構(International Terrestrial Reference Frame 1994簡稱為ITRF94) ITRF是利用全球測站網之觀測資料推算出地心坐標系統，其方位採用國際時間局(Bureau International del` Heure簡稱為BIH)定義在1984年0時之地極方位。

GPS定位座標如何轉移到台灣地圖？

台灣1997年以後出版的地圖已經改採TWD97作為地圖測量基準面，這個基準面與WGS84的地圖基準面比較類似，因此GPS定位的經緯度可以直接描繪在TWD97的地圖上，誤差不算大，大約只有幾公分到幾十公分左右，以一般用途的精確度要求來說，誤差幾乎可以視為不存在。但是如果要轉移到TWD67的地圖上，則經度的位置必須向東移826公尺，緯度位置必須向南移210公尺，這樣修正之後其誤差範圍將會縮減到5公尺以內。

增益GPS (Augmentations)

Nationwide Differential GPS System (NDGPS)

NDGPS是涵蓋美國全國、以陸上使用為主的GPS增益系統，系統運作與維護單位包括聯邦鐵路署、海岸防衛隊及聯邦高速公路署等。用來提供路上及內陸水域與沿岸水域GPS使用者完善且高精確度的定位服務，NDGPS採用國際標準發送，全世界有超過50個國家都採用類似的系統。而且以這個系統為基礎，目前正在研發High Accuracy NDGPS (HA-NDGPS)系統，這個系統能夠將GPS定位的精確度提高到10到15公分的誤差範圍。

Wide Area Augmentation System (WAAS)

WAAS是由美國聯邦航空署運作，在美國本土(包含阿拉斯加)佈建25個地面站來提供誤差修正的無線信號。WAAS與DGPS相比有幾個優點，首先是精度更高，可以達僅有2公尺的誤差，而且可用的覆蓋率較廣，DGPS大致上只能在陸地上使用，而WAAS則可以延伸到海上，這表示海上航行的船隻也能使用。更重要的是，DGPS所發送出的無線信號，接收端必須使用額外的接收器才能接收，而WAAS則不用，任何普通的GPS接收器都可以接收，不需要額外加裝接收裝備。系統採用國際民航組織的標準(ICAO)，美國聯邦航空署且持續的與其他國家合作，讓WAAS的使用者在世界任何地區都能提供無間斷的服務。其他國家的類似服務包括：歐洲地區的(EGNOS)，印度地區的(GAGAN)以及日本地區的(MSAS)等系統。

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Continuously Operating Reference Station (CORS)

CORS是屬於美國的網路系統，由美國國家海洋及大氣署(NOAA)所經營，將GPS資料建檔並發佈，提供高精確度的定位及大氣模組應用，這個修正系統早期主要是提供定位資訊的事後修正，但是經過現代化的CORS已經可以提供使用者及時的定位修正。

Global Differential GPS (GDGPS)

GDGPS是一種高精確度的GPS增益系統，由美國噴射動力實驗室所發展出來，用來支援及時的定位、計時及美國航空署(NASA)科學任務所要求的太空軌道測定等功能。美國太空署計畫在將來使用Tracking and Data Relay Satellite System簡稱(TDRSS)系統，經由衛星來傳播及時的差分修正訊息，這個衛星稱為TDRSS 增益服務衛星。

International GNSS Service (IGS)

IGS是由80個國家、200個貢獻組織、超過350個GPS衛星監測站所組成的網路，它的任務是提供最高品質的定位資訊與產品標準，稱為Global Navigation Satellite Systems (GNSS) 用來支援地球科學研究、各種學術應用以及促進教育與社會利益的用途。

The other augmentation systems

除了上述幾個主要的增益系統之外，還有許多由政府或商業組織所運作的GPS增益系統，基本上這些系統所採用的手段不外乎使用差分、靜態或及時傳送的技術。我將針對航海領域使用最廣泛的差分修正技術作進一步的說明。

 

差分GPS (DGPS)

什麼是DGPS?

差分全球定位系統(Differential GPS)，簡稱DGPS。是利用已知參考座標點的地面站向外廣播衛星修正訊號，GPS接收了地面站的修正信號後可以用來修正來自衛星信號的誤差，以獲得更高的定位精度，一般而言DGPS可以將GPS精度縮至3公尺內。

DGPS的工作原理?

DGPS需要透過兩組接受器的協調合作，一個是靜態的接收器，一個是移動的接收器。

這個原理很簡單，將一個參考接收器放置在一個位置經過精密測量的地點並且就留在該處。這個參考接收器與移動接收器接收相同的衛星信號，但是與一般GPS接收器工作不同的地方是，它是以破解方程式的方法反推算回去。

它不是利用計時信號來計算出接收器的位置，而是以已知的位置反推算出衛星信號在空間中應該行進的時間，然後比對實際接收到的衛星信號延遲時間，兩者之間的時間差就是「誤差修正值」然後參考接收器就會將此修正值傳送到附近所有能收到修正信號的移動接收器，移動接收器會根據誤差修正值逐一修正它所接收到的衛星計時信號。

GPS的參考接收器本身並不會直接發送誤差修正資訊，它會連接到另一個無線電發射裝置，以無線電廣播的方式發送信號。

移動的接收器會收到一套完整的誤差修正列表，然後根據接收器所收到的衛星信號對應適當的修正值。

這就是DGPS的工作原理，理論上，這個方法幾乎可以消除所有GPS定位系統所產生的誤差，但是世界上沒有百分之百的完美。在實務上，DGPS仍然存在一些細微的誤差，這是因為從衛星傳送到地面的計時信號，到達參考接收器與到達移動接收器的距離還是有些差別的，移動接收器與參考接收器之間的距離可能相差50海浬，因此理論上來說，位於參考點的誤差修正值並不完全等於移動接收器所在地的誤差修正值，可是GPS衛星信號遠從一萬一千英浬的外太空傳送到地面所累積的誤差，與五十海浬的距離誤差相比較，可說是微不足道，除非你需要在一隻螞蟻身上裝設GPS定位器。

 

GPS的應用範圍

定位 - 決定我們的位置所在

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。

勘探測繪：野外勘探及城區規劃中都用到。

 

導航 - 引導我們從一點到達另一點

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

船舶導航：遠洋導航、港口/內河引水

飛機導航：航線導航、進場著陸控制

星際導航：衛星軌道定位

個人導航：個人旅遊及野外探險

 

追蹤 - 監控人或物的行蹤

車輛防盜系統，手機、 PDA等通信移動設備防盜

電子地圖定位系統，公共救援系統

兒童及特殊人群的防走失系統

精準農業：農機具導航、自動駕駛，土地高精度平整

 

製圖 - 繪製精確的地圖

所有地形地物皆能藉由精確的定位，測定座標位置，精確的描繪在地圖上。

 

計時 - 提供高度精準的時間

精確定時：廣泛應用在天文臺、通信系統基地台、電視台、及各種需要精確時間的專業領域等。

 

GPS定位的六大特點及軍事優勢

1. 全天候，不受任何天氣的影響

2. 全球覆蓋（高達98%）

3. 三維定點、定速、定時、高精度

4. 快速、省時、高效率

5. 應用廣泛、多功能

6. 可移動定位

此外，GPS不同於中國北斗衛星的雙星定位系統，在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。

 

結論

GPS定位系統最初是由美國國防部所研發，提供作戰武器系統精確瞄準的一種「軍事裝備」，如今GPS已經成為全世界都能使用的「公共設備」。

GPS在各種領域的應用成熟度已經大幅超越了它當初發展的目的與構想。今天，會用到GPS定位技術的各行各業包括科學家、農夫、軍人、飛行員、探測員、健行者、快遞司機、海員、調度員、伐木工人以及其他所有你可以想到的行業或活動，都會利用GPS使他們的工作更有生產力、更有效率、更安全以及更加容易些。