GPS的基本理論

GPS 的基本定位原理

GPS 的定位是利用衛星基本三角定位原理， GPS 接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來量 測距離，以距離來判定衛星在太空中的位置，這 是一種高軌道與精密定位的觀測方式。假設衛星 在11,000英哩高處，測量我們的距離，首先以 11,000英哩為半徑，以此衛星為圓心畫一圓，而 我們位置正處於球面上。 再假設第二顆衛星距離我們12,000英哩，而 我們正處於這二顆球所交集的圓周上。現在我們 再以第三顆衛星做精密定位，假設高度13,000 英 哩，我們即可進一步縮小範圍到二點位置上，但 其中一點為非我們所在的位置極有可能在太空中 的某一點，因此，我們捨棄這一點參考點，選擇 另一點為位置參考點。 如果要獲得更精確的定位，則必定要再測量 第四個顆衛星，從基本物理的觀念上來說，以訊 號傳輸的時間乘以速度即是我們與衛星的距離， 我們將此測得的距離稱為虛擬距離，在 GPS 的測 量上，我們測的是無線信號，速度幾乎達18萬6 千英哩/Sec的光速，而時間卻短的驚人，甚至只 要0.06秒，時間的測量需要二個不同的時錶，一 個時錶裝置於衛星上以記錄無線電信號傳送的時 間，另一個時錶則裝置在接收器上，用以記錄無 線電信號接收的時間，雖然衛星傳送信號至接收 器的時間極短，但時間上並不同步，假設衛星與 接收器同時發出聲音給我們，我們會聽到二種不 同的聲音，這是因為衛星從11,000英哩遠的地方 傳來，所以會有延遲的時間，因此，我們可以延 遲接收器的時間，從此延遲的時間╳速度，就是 接收器到衛星的距離，此即為 GPS 的基本定位原 理。

那麼GPS衛星究竟傳輸那些資料呢？衛星所 傳輸的訊號包含有偽亂碼(Pseudo random code)、星曆資料(Ephemeris:英語發音為ee-fem-er-is)及Almanac。

1、偽亂碼(詳細請參見"GPS測距碼的作用")可幫 助我們知道衛星訊號是由那一顆衛星所傳輸下 來，所以偽亂碼即是一顆衛星的身份證(ID code)。其衛星編碼從1至32。因此我們可從GPS 接收機上看到所接收到的衛星編號。但為何超過 24個偽亂碼呢？這是因為當有新的替代衛星發射 啟用時，可馬上給與這顆替代衛星一個新編號， 當真正被淘汰的衛星不能使用時，就取代淘汰的 衛星。

2、星曆資料含有衛星是否健康或不健康之資訊、 現在日期、時間，這些資料使您的接收機知道現 再時間日期其決定您目前的位置。

3、Almanac傳輸軌道資訊告知接收機各衛星所在 天空之位置。

簡單的說GPS時如何運作：每一顆衛星會告 訴您使用的接收機三件事，我是第幾號衛星，我 現位置在那裏，我什麼時候送這訊息給您。當您 的GPS接收機接收到這些資料後會將星曆資料及 Almanac存起來使用，這些資料也用做修正GPS接 收機上的時間。

GPS接收機比較每一衛星訊號接收到的時間 及本身接收機的時間的不同，而計算出每一衛星 道接收機的距離。接收機若在接收到更多衛星 時，它可利用三角公式計算出接收機所在位置。 三顆衛星可做所謂2D定位(經度及緯度)，四顆或 更多衛星可做所謂3D定位(經度、緯度及高度)。 接收機繼續不段地更新您的位置，所以它可計算 出您的移動方向及速度

另外影響GPS接收機準確度的因素是衛星 (satellite geometry)，(satellite geometry)是指以 接收機為基準，各衛星的相對位置。GPS接收機 與它所接收到訊號的衛星所構成的角度，會影響 到定位的精準度﹐角度過小﹐或者接收到的衛星太 過聚集﹐都會降低定位的精準度。衛星與衛星的角 度小時，相對於角度大時，會產生較大的定位誤 差。現在以二顆衛星為例說明，請看圖示(Please wait)假設衛星A及B於瞬間不移動，而且假設衛星 A沒有受到其它干擾既衛星A提供非常準確的定位 資訊，此時假設衛星B啟動SA或受其它干擾造成 定位訊號有誤差時，接收機會認為衛星B的位置 會是在衛星B1之位置，結果造成CD線段的誤差 量，兩衛星的夾角大時CD線段較小，因此定位會 較準確。如果這四顆衛星分佈在各不同方向，其 定位的準確度會大大提升。若四顆衛星各分佈在 東、西、南、北，則此時各衛星訊號交會面會更 小，會使定位精度更高，既使有SA也可達100呎 或更好的準確度。

當我們使用GPS接收機於車內、接近於高建 物或隆起之高地，這都會造成衛星訊號被阻擋， 所接收到的衛星數目減少，當接收機周邊越多阻 礙物時，接收機就越難定位。但接收機接受到很 多衛星時並不一定更精確，這還與衛星在天空的 位置(azimuth and elevation)也會影響其精確度。

另外會影響其精確度的是叫"多重路徑"。簡 單的說多重路徑就是無線電波被障礙物所反射。 多重路徑的實例就是以往黑白及彩色電視機利用 天線接收時，電視會發生多重影像，現在電視接 電纜線再也不會發生這種情況。衛星訊號也會發 生訊號受到反射而延遲到達接收機的時間，這會 使接收機認為衛星北實際位置更遠，但這誤差不 會超過15呎。

其它誤差還有受大氣層的影響含離子層及對流 層，內部時鐘誤差。

常有初學者問買怎樣的GPS接收機最好？這 沒有正確的答案，可從下面來討論：首先您要問 自己要做何應用？買接收機是要買適合您的應 用，如果您有特別需求若是要放在車上，一掌上 型的接收機就可使用。若您需要海上或航空使用 時就需要含有導航的資訊，此時您需要一更經確 的接收機或含有所在地地圖之接收機。若是海上 使用您還可能需要可看深度之接收機。

當您決定所使用之範圍，通常您就可選擇一 適當之接收機，而通常都會有好幾種機種及價 格。是否選擇高單價機種或額外的付屬套件，端 視是否符合您的需求。如果發現有好幾種機種可 要求試用是否符合自己所需，有的在操作上一機 種較另一機種較容易。

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