2013年5月1日

GPS 技術簡介與發展

全球定位系統由太空衛星群、地面監控單元,與GPS 接收機單元所組成,可提供民生與軍事上之各式應用。

作者/馬 杰(元智大學通訊研究中心主任)

全球定位系統( Global Positioning System, GPS) 系統傳統上被應用於軍事、民用航空、航海、航空測量、農業、地理、油源探測、大氣、地球科學、營建、車輛定位與電子收費等領域,GPS所提供之服務可分為一般民生用途消費性服務(Standard Positioning Service, SPS)與軍事等特殊用途之專業性服務(Precise Positioning Service,PPS)。SPS 服務為24 小時全時、全天候、全球之免費服務,可即時提供極為精確的三度空間位址與時間資訊。

在1996年, 美國聯邦通訊委員會(U.S. Federal Communications Commission,FCC)所通過的E911法案中,規定行動電話必須具備精確度為125公尺之定位功能,其定位資訊可作為緊急救護之用。2000年5月,美國對民生用途之GPS使用者終止選擇可用性干擾碼(Selective Availability, SA)之使用,其GPS接收機之接收準確度由原先之100公尺提升至25公尺左右,大幅增加GPS在導航方面之應用性。目前國內外,已大量在汽車上安裝GPS接收機,並配合電子地圖以幫助駕駛者找到捷徑及目的地;同時,如徒步、登山及狩獵者亦可利用GPS提供方位而不致迷途,GPS市場也正逐漸擴展至娛樂、戶外旅遊、汽車與個人導航等領域。GPS是目前最為成熟的一種精確定位技術;因此,新開發的行動電話配備有GPS定位功能,已經是一種趨勢。當行動電話配置GPS,除了能夠提供E911所要求的急難救護定位資訊外,亦可被用來實現許多與定位相關的加值服務(Location-based Value Aid Service);例如,可根據使用者所在位置,提供附近的餐飲、住宿、娛樂、交通等資訊。

全球定位系統由三大部份組成: 太空衛星群(Space Segment) 單元、地面監控(Control Segment) 單元與GPS接收機(User Segment)單元,如圖一所示。
圖一:GPS系統概念圖。

GPS系統太空衛星群單元由24顆操作衛星及4顆備用衛星所組成。備用衛星的功能為衛星失效時之備用及加強衛星之幾何分佈,28顆衛星分佈於6個軌道面上,衛星軌道相對地球赤道面的傾角為55°,每個軌道面上至少分佈有4 顆衛星,軌道面與另一軌道面上的衛星則相差40°,衛星高度為2萬200公里,每11小時58分繞行地球一周。所以不論在任何時間、地點,同時至少都會有4顆以上的衛星出現在GPS 接收機的上空。GPS採用全球性大地座標系統(World Geodetic System1984,WGS-84),其接收機測量來自GPS衛星所發射之L波段電波延遲時間,再根據所收到之衛星星曆資料,算出GPS接收機與衛星的距離,從有效的衛星中選出接近最小GDOP(Geometry Dilution of Precision)值(1.5811)的四顆衛星進行定位,利用四顆衛星電波資料之四個方程式求得三維的接收機位址(經度、緯度、高度)與時間資訊。【更詳細的內容,請參閱第521期科學月刊】

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