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 關於 GPS 的介紹, 在國內的網站應該也有不少,
內容也大同小異, 這裡的資訊是潤泰提供給網友參考的,
序言
概論以及這個網頁的主要目的
當我發現 Global Positioning System (GPS 全球衛星定位系統)
這個早已存現我們的週遭而且幾乎是完全免費的資源時, 我有點驚訝的是, 我們並沒有善加利用這個資源.
這好像是地上有人放了無數億美金而沒有人去撿一樣的另人不可思議啊...
由後泠戰所導致的一切軍事上的科技發展,
全球衛星定位系統也許可以算是對我們每天的生活造成正面的衝擊.
我們可以想像一下, 21世紀的世界, 被一組擴大的衛星網路系統所覆蓋,
而且各種飛行器與車輛間經由這些網路彼~連結著進行著行動間的數據通訊,
想像一下...經由太空持續的追蹤氣候,
交通及其它的資訊用以改善這些條件...自動化的交通工具將不需要人力的介入可以每天
24 小時精確的獨立的在全運行,
GPS 最先是由 DoD (U.S. Department of Defense)
美國國防部所開發的一套衛星防禦武器系統的一部份產物,
這個系統是由 21 顆導航衛星 ( Navigational SVs) 和 3 顆戰備衛星
(Operational Spares) 計 24 個所構成. 它們在 11,000 海里的太空中的六個不同的軌道上運行. 這些衛星是持續的運行的, 每個衛星每天繞行地球兩次. 速度約每秒 1.8 英哩. GPS 源起源於 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.
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. 現在這個系統已經非常普遍的使用在各種軍事以外的廣大的目的上了.
基本上, 我們只需瞭解下面的資訊, 就可以粗略的瞭解整個全貌了.
- 第一個
GPS 衛星是於 1978 年二月投射的
- 每一個衛星重約 2,000 磅, 含太陽能電池約為 17 英尺.
- 傳送的功率只有 50 watts, 或更低!
- 每一個衛星傳送兩種訊號, L1 及 L2. 一般共用的 GPS 使用 'L1' 頻率於1575.42 MHz.
- 每一個衛星的壽命預期約為 10 年. 並且有計劃的不斷替補新品. 目前 GPS 的計畫中備有的衛星可以使用到公元 2006 年.
這些衛星的軌道在南緯的北方 60 度角及南方 60 角之間. 這也意味著您可以在地球上任何的角落上, 任何的時間接收到 GPS 的訊號.
GPS 在日常生活中, 最好用的就是無論任何時候, 任何的天候下, 它都是最理想的導航工具
那麼, 到底一個 GPS 衛星傳送了那些資訊給我們呢 ? GPS 的訊號中包含了一個叫 'pseudo-random
code', 假亂數碼 ephemeris (發音: ee-fem-er-is) 以及星曆資料 ( 人造衛星在軌道上很穏定很精確的運行, 因此如同天文學中的衛星一樣, 有一定的規律) . Pseudo-random code 識別那個衛星正傳送的資料, 有 I.D. 識別碼. 我們是以 PRN
(pseudo-random number) 來參照各個衛星的, 從 1 到 32, 並且這個號碼會顯示在我們的 GPS 接收機上, 告訴我們所收到訊號的有那些衛星. 為什麼有多於 24 個的 PRN 編號呢 ? 其實, 這只是單純用來維護衛星網路的運作. 一個替換或備用的衛星可以在它所要接替的衛星真正失效之前就啟動啟用的,
編號只是單純的用於分辦 (再提一次, 編號是從 1 到 32) 新加入的衛.
星曆表中的資料是由每一個衛星持續傳送下來的, 其中包含了重要的資訊, 如衛星的狀態(正常或不正常hy ), 目前的資料, 時間等. 沒有這些資料訊息, 您的 GPS 接收機將不知道目前的時間與日期. 而且這些資料是用來定位時的核心資料.
星曆資料告訴 GPS 接收機每一個 GPS 衛星在一整天中應有的位置. 每一個衛星傳送的星曆呈現了軌道的資訊.
由左圖, 我們看到了GPS 的工作情形. 每一個衛星傳送的訊息中告訴我們它們的編號與位置. 及時間.
現在, 要取得您的位置, GPS 接收機比較由每個衛星傳送下來的時間. 這個時間的差距告訴了我們的 GPS 接收機每個衛星距離我們多遠.
若我們了解其它衛星的資訊, 我們可以用三角測量的方法計算求得我們的位置. 這也是 GPS 真正的作用. 當至少三個衛星或更多的衛星求得時, 您的GPS
接收機就可以求得一組經緯度座標 — 而什麼叫做 2D 定位鎖定. 當 4 個以上的衛星訊號求得時, GPS 接收機可以得到 3D 定位, 這包括了經緯度以及高度. 經由位置資料不斷的更新, GPS 就可以計算出我們的速度與方向等旅程電腦所需的資料了.
有一個因素影響到 GPS 的精確性, 就是所謂的衛星幾何演算. In simple terms, 衛星幾何參照某些衛星的位置來推算其它衛星的位置 (由 GPS 接收機內建的透視演算法). 若一具 GPS 接收機鎖定了某四個衛星 且所有這四個衛星在 GPS 接收機上空的南與西方. 衛星分佈相當的差. 事實上, GPS
接收機也許不能提供定位. 為什麼呢 ? 因為所有用來量測距離的訊號都來自於同一個方向. 這意味著在這種條件下三角測量有其困難, 量測距離的區域有著高度的重疊 (例如: 由筆尖暈出來的墨水造成了很大的面積, 要寫細字是不可能的 ) 在這種情況下, 即使 GPS 接收機提供了座標, 但是精確度將不會太好
(或許會有 300 - 500 英尺的誤差)
就這四個相同的衛星, 若我們將它們往所有的方向延展. 我們的定位精度將會有戲劇性的增加. 假設這四個衛星同時的延展相隔約 90 度角 (東南西北四個方向). 現在衛星的幾何位置將會非常有利於從各個方向來量測距離. 其共同於量測距離的的共同的面積會變小. 如此我們將可以求得更準確的位置.
就這個方案下, 即使在 SA 之下, 我們的精度還是可以維持在 100 英尺之內, 甚至於更佳.
 衛星幾何演算也成為使用 GPS 接收機於交通工具中的必要利器, 環境上極接近高層的建築物, 或著山谷地型及街道區域. GPS 衛星有些收訊經常會中斷, 同相互位置來演算衛星將決定量測位置的精確性 (而且剩餘的衛星數量將決定定位是否可以取得).在天空被建築物與地形因素的遮蔽下,
定位將會變的非常的困難. 高階的 GPS 接收機不只顯示出那些衛星是有效的被使用的, 而且還會顯示它們在天空的位置, 所以您可以由此來判斷目前 GPS 接收的狀況..
另一個影響到 GPS 精確性的因素為 Multipath. 這是由於無線電訊號被物體反射而導致的誤差. Multipath 就如同電視訊號所產生的鬼影. GPS 的 Multipath 導致訊號的反彈, 改變訊號方向與路徑. 這將會增加它抵達 GPS 接收機的時間, 進而造成距離計算上的誤差. 使 GPS 誤判衛星的距離而變的更遠些.
通常它會造成約 15 英尺的誤差
還有其它導致誤差的來源嗎 ? 熟知無線電的朋友一定知道 "Propagation" 電離層所造成的遲延. 所以它造成的時間差類型的誤差. GPS 接收機的設計中有對這類因素提供補償, 而且非常的有效率. 但不能完全的排除這一類型的誤差. 無線電的速度在真空下相當於光線.
速度會受到大氣中的電離層及對流層影響而減緩速度.
P10 19990622
III 介紹 GPS 系統的描述與設計技術
今天, 在上空所運轉的 GPS 系統和 1973
年所提議的其實是完全相同的.
衛星的功能已經被擴展到軍事以外的用途.
它運行的軌道被稍微的做了修改,
但是設備的設計仍可執行最初四衛星的功能.
A. 系統運作的原理
GPS 導航的基礎原理是使用由衛星單向發射 (One-way ranging)廣播方式,
廣播中也包含了衛星的估計位置.
範圍的量測是由用戶端同時觀測四個衛星並將所得到的衛星訊號與用戶根據自己石英鐘而產生的模擬訊號相互對照,
並量測訊號同步性及關聯匹配.
經由四個衛星與適當的幾何運算, 可以決定四個未知點;
也就是所謂的經度, 緯度, 高度, 及一個校正的用戶時鐘.
如果, 時間或高度是已知的話. 那麼就可以使用更少的衛星來定位.
P1119990622 By Polo Huang
每一個衛星未來的位置事先已被遍佈世界監控站台所量測並估算得知.
這些範圍量測訊號使用與一般用戶相同的接收機.
地面主控制站台經由複雜的重新導向演算,
校正衛星未來的時鐘與位置.
校正工作每日一次甚至於更頻繁的進行著.
P1119990623 By Polo Huang
給合重新導向時鐘校正的資訊已經量測至平均 2-3公尺
的誤差並上鏈至衛星. 這種精確度已經是合理而可以接受的了,
即使是三天之後的累積誤差也不過是 24.3 公尺左右).
B. GPS 的量測訊號
GPS 的量測訊號在兩個頻率上播放: 主要的訊號在 1575.42MHz (L1)
而另一個在 1227.6MHz (L2). 這些訊號是同步產生的. 因此;
如果用戶的設備可以同時的接收這兩個訊號的話,
就可以直接調整因電離層所產生的遲延利用以適當的校正訊號. 但是,
一般 GPS 用戶的設備性能等級應該只能接收主要的 L1 訊號而已.
理論上, 在 L1 與 L2 的訊號可以各自擁有兩種調制 (Modulations
訊號載入無電波的調變方式), 而目前, 在 L1 上面已經有兩個調制了,
但是 L2 則仍舊只有一個加密的調制. 這兩種調制特點如下;
1) C/A 碼 (Clear Acquisition) 意為沒有加密的明碼.: 這是一種 在 1.023MHz
速率為一個 bit 播送的PRN 短碼.
這是提供給一般市民使用的基礎定位訊號,
而且它是經常性播送的不加密明碼訊號. 它也用來取得 P-Code 極長碼.
這種訊號稱之為標準定位服務或是 SPS (Standard Positioning Service).
而這種訊號是無時無刻的在播送的. 在現階段以及未來的計劃, C/A
碼將只在 L1 上提供 (有些一般用戶已經請求將 C/A 的調制也在 L2
上播送以允許實現電離層校準)
2) P 或 精確碼 ( Precise Code 或 Protected Code 意為受到保護的加密碼)
一種極長的碼, () 它的播送頻繁率比 C/A 碼多十倍, 使用 10.23MHz.
因為它使用了很大的頻寬, 它的精確性很高. 並降低接收訊號的雜訊.
但不能避免偏至所成造成的誤差.
這個性號提供了高精碓的定位因此被簡稱為 Precise Positioning Service 即
PPS.
操控系統 Operational Control System OCS.
有五個監控站台各位於: Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein, Hawaii
GPS 接收機的性能
衛星數量
GPS 接收機無論其體積大小,
有許多元件關係到它的性能表現. 例如以可同時接收衛星 數量而言,
有些 GPS 接收機是四衛星級的, 有些六衛星級的, 而目前 GPS
則大多數是 12 衛星級的. 其中尚有同步及非同步接收之分.
大體上衛星數量的多寡和鎖定資料的速度有關
天線
當 GPS 安裝在交通工具一類天空被遮蔽的地點時,
必而使用外接天線來接收來自衛星的訊號. 通常 GPS
衛星的頻率因為高達 1.6GHz, 它的天線通常不會太大.
有些天線具有訊號放大的的線路, 可以接續較長的電纜線到 GPS
接收機, 這一類的天線通長體積會比較大些.
精確性
很多朋友來電詢問我們有關於 GPS 的誤差的問題. 由於
GPS 接收機的定位訊息來自天空的衛星.
因此它的精確性主要的因素是來自 GPS 衛星的擁有者-
美國國防部的設定.
在正常的情況, 一般的 GPS
所接收的訊號碼和軍用的是不同的.
在這裡我們不提高深的學理和太過於專門的術語. 在正常的情況之下, 從公元 2000 五月起, 我們所收到的訊號具有約 15 公尺的精確性. 這是因為美國國防部自那個時候起, 停止了 SA 干擾. 其它的誤差因素則來自所接收到的衛星數量, 位置及 Multipath 等環境因素.
高精度的 GPS 通常價格都在數十萬元至數佰萬以上, 使用於測量及某些自動駕駛無人載具上. 在台灣主要的品牌常見的有 Trimble, 美國加洲的 3S Navigation, 瑞士的 Leica, 加拿大的 Ashtech, Topcon, Java, Sokkia, Novatel 等. 精度有公尺級與公分級不同的等級. 這類的 GPS 有些是使用 L1, 與 L2 雙訊號,
靜態測量時必需定點置放在同一個地點一段時間取樣之後, 利用加權平均演算來求得座標, 有些則配合另一台置放在已知座標的基礎站台, 將收集後的資料利用程式比對, 校正的後處理方式. 動態測量則還需要配合所謂的 DGPS 或 RTK 的修正技術, 經由無線電數據傳送校正訊號. 來取得更好的精確性. 換句話說,
若使用的方法不正確的話, 一台數十萬元的 GPS
接收機所得到的精度可能和一台幾仟元的 GPS 一樣的.
DGPS 所使用的訊號是一種序列訊號, 格式稱為 RTCM SC-104. 受測站台與基準站台之間的距離會影響其精度. 一般而言, 在五公尺以內的精度都可以得到的. 這也視 RTCM 中的訊號成份有關. 商業性 RTCM 提供者販售專用接收機, 並提供多種精度服務, 也有不同的收費等級, 一般是以一年起算.
有些是經 FM 的電台以副載波傳送, 叫 RDS 傳送, 有些則是由人造衛星傳送的. 這些服務都是要付費的, 不過, 我想, 有一天這種行業可能會漸漸的式微.
然而台灣目前南部有在放送公用的 RTCM, 這是由政府機關所發送的, 特別是軍方單位. 全世界有很多的國家都有提供這種服務, 最主要是應用於船舶上, 只要購買如 Garmin 的 GBR-21 即可免費使用, 不過目前可以收訊的範圍有限, 而且這個訊號是使用世界通用的標準頻率 (283.5 - 325.0 kHz), 為 AM
的調制, 頻率低, 天線也較長些. 我想, 基本上短波的傳送在室外還不錯, 將來或許天線的長度或形式可以改善的.
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, 一組常超過二十萬元, 而且架設很麻煩, 因此; 現在我們另外提供了以 GSM 行動數據為架構的設備, 成本約為 1/4
而已, 不用架設, 只要 GSM 可以通訊的地方都可以用, 距離沒有特別的限制. 這種 GSM 數據我們也應用在遠端 GPS 監控上
有關於 DGPS 方面的資料,
往後我們會有專用的連結來討論.
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