GPS(卫星定位系统)入门

1、GPS(卫星定位系统)入门1GPS(卫星定位系统)入门 1,前言 本手册编撰的目的,是希望透过简要的叙述,能帮助您在最短的时间内,建立GPS的相关基础知识.GPS基本上是一种导引的工具,就像是指北针,地图一样,在很多时候,人也是极佳的导引工具,透过问路,通常也能到达目的地,所以有人会说：路是长在嘴巴上的. 无论是做调查测量,或者是登山旅行,理想上,我们应该有GPS,指北针,地图这三样东西,但是在陌生的环境中,而且只能选择一样的话,恐怕GPS是最佳的选择了. 2,什0是GPS？ GPS (Global Positioning Syst m)是一个以军事导航卫星为基础的系统,为美军所设计,供美军所

2、使用.目前免费提供给民间使用其定位讯号,这套系统是由美国国防部(Department of Defense,DOD)所发展及控制,但所有权属於美国交通部. 在概念上,GPS代表著整个系统,包括卫星,地面控制站及GPS接收机.不过一般而言,GPS即意指一个GPS接收机,这是因为我们在使用上多半只会接触GPS接收机的缘故. GPS系统共有24颗定位卫星,分6个轨道面,每个轨道面分布4颗卫星,其中3颗卫星待命备用在距离地球表面约20,000公里的太空轨道中运行,轨道面倾斜角为55度,提供全球全天候,每秒一次,持续不断的定位讯号,目前一共有25颗定位卫星可供使用.这些卫星就像是月球一样不停地绕著地球旋

3、转,每12小时&绕行地球一周,等於一天约绕过你的头顶2次. 3.卫星定位的原理 简而言之,GPS是利用基本的三角测量原理,而达到定位的目的.每个SV在运行时,每个时间点都有一个座标值,这个座标值是已知的,GPS接收机所在位置的座标是未知值.而由SV所发送的卫星讯号要获得二度空间定位(经纬座标),至少要同时接收到3颗卫星的讯号,但若要获得三度空间定位(经纬座标及高度),则最少要同时接收到4颗卫星的讯号. GPS接收机与它所接收到讯号的卫星所构成的角度,会影响到定位的精准度,角度过小,或者接收到的卫星太过聚集,都会降低定位的精准度. 4,GPS的用途: 2GPS的用途十分广泛,举凡需要做地面定位的

4、工作,均可利用GPS来达成. 1.资源调查,土地探测 例如：森林区,山坡地违规开发查报工作.使用GPS可顺利导航至可疑之变异点,并直接查询调阅地籍图等相关资料以利研判. 2.导航定位:车辆,航空,航海 例如：汽车卫星导航系统,於美国日本已相当风行,台湾仍在萌芽阶段.在可预见的未来,所有的飞行器将使用GPS做导航的标准设备,在飞机起降的时候,无须依赖机场地面的导航设备. 3.大地测量,一般测量 传统的三角测量事一件十分辛苦的事,特别是在地面三角测量点缺乏,地标不明显的时候,测量工作格外困难.GPS定位则无须仰仗地面控制点,只要在没有遮蔽的情况下,几乎不受地形地物的限制,所以使用GPS作为测量的工

5、具,大大改善了传统测量的不便.精确度需求越高的测量工作,需要越高精度的GPS,当然也就越昂贵. 4.制图 电子地图之制作及粗略地形图之制作.地图的数化有很多种：将已存在的纸面地图用数位版数化 或使用扫描器扫描至电脑中,再进行萤幕数化或自动数化.我们可使用GPS在车辆行进的时候,每隔一段时间将道路点(WAYPOINT)记录下来,如此便完成粗略的地图数化工作. 5.任务派遣:货运,救护,消防,警政 这类应用方向,是将GPS配合无线电传输,可将各车辆所在位置动态传回派遣中心,以利调度工作.当然,如果运用在大众运输工具,可利於一般大众於候车时了解班车抵达的状况,如：目前车行进到哪里了？车速如何？(塞车

6、状况)预计何时可抵达？等相关讯息. 6.登山定位,山难协寻 GPS可准确的定位,定向,在开阔的地方使用GPS定位,配合地形图可以非常准确的了解目前所在位置,而不会因人为判断错误而迷路.我们也可将GPS配合无线电传输,将登山人员所在位置传送至山难协寻中心,以利救难搜寻工作. 7.精确定时 由於GPS定位需要非常精确的时间,每颗GPS卫星上都有精密的原子钟,所以GPS接收机可以接收到精确的时间资讯. 8.军事 GPS发展目的,一开始就是考虑军事的用途,所以举凡战机,战舰,战车,飞弹,相关军事人员及攻击目标物的精确定位,均仰赖GPS完成. 3为防止非美军使用者得到太精确的定位资料,以至妨碍到美国的国

7、家安全,所以在供给民间使用的讯号上,另外加入所谓的S/A (Selective Availability)效应干扰讯号,使得民用的GPS接收机在定位时,只能维持95%的接收状况让精确度在直径100公尺内,另外5%的接收状况可能在直径300公尺内.事实上,这样的精确度已满足大部份民间定位作业的需求.但如果某些定位作业需要更高的精确度,也可以利用差分定位法(Differential GPS,DGPS)达到210公尺内的定位精度. 卫星发展过程回顾 1957.10.04,苏联发射史波尼克一号人造卫星(Sputnik-I),这是人类史上第一颗发射成功的人造卫星 1958.01.31,美国发射第一颗人造

8、卫星探险家一号(Explorer I)进入太空 1958,美国海军与约翰霍金应用物理实验室(APL)签订卫星导航定位系统的研究发展计画(TRANSIT),总共发射6次,直到1964年才完成整套卫星定位系统 1959.09.17,人类史上第一颗导航卫星TRANSIT1A发射,但无法进入预定轨道 1960.04.13,第一颗发射布署成功的导航卫星TRANSIT1B(为美国海军所使用) 1960. . ,TRANSIT2A发射(同时发射二颗卫星) 1961.02. ,TRANSIT-3B发射(同时发射三颗卫星) 1961.05.05,美国第一架载人火箭升空 1961.06.29,TRANSIT4A发

9、射(同时发射四颗卫星),第一个使用核子动力系统的卫星 1962.10.22-28,古巴飞弹危机,美国侦测到苏联飞弹正运送至古巴,下令海军封锁,苏联只好将飞弹撤回. 1962.12.19,TRANSIT5A1发射,但无法进入预定轨道 1963.08.05,美苏签署禁止测试条约,禁止大气或太空中的核子武器测试 1963.10.17,美国发射第一颗微拉(VELA)卫星,用来监督大气或太空中的核子武器测试 1963.11.22,甘乃迪总统於达拉斯遇刺 1964.01.11,美国陆军发射导航定位卫星SECOR1 1965.03.09,SECOR3发射 1965.03.11,SECOR2发射 1965.0

10、4.03,SECOR4发射 1965.08.10,SECOR5发射 1966.02.03,苏联Luna IX无人太空船首度降落於月球表面 1966.03.01,苏联Venus III无人太空船首度降落於地球之外的行星-金星 1966.05.19,OSCAR9(TRANSIT的别名)发射 1996.06.09,SECOR6发射 1996.08.19,SECOR7发射 1996.10.05,SECOR8发射 1967.05.31,TIMATION-I发射 1967.08,美国政府当局宣布将TRANSIT系统开放给一般民间船只使用. 1967.11. ,苏联第一颗导航卫星TSYKLON(Cosmos

11、192)发射成功,进入低轨轨道 1969.07.20,阿波罗11号太空船成功登陆月球 41969.09.30,TIMATIONII发射 1970.05,美国交通部首度出版导航国家计画 1972.12,最後一次登月飞行-阿波罗17号太空船 1973.04,美国海军TIMATION系统与空军621B3-D导航系统合并为一个联合计画,发展防御性导航卫星系统(DNSS),此系统成为後来的NAVSTAR系统 1973.12.17,重新设计过的DNSS系统送交DSARC,此系统包含了所有当时无线电导航最棒的科技,最後将更名为NAVSTAR 1974.07,洛克威尔(Rockwell Internation

12、al)公司获选为第一个导航卫星制造承包商 1974.07.14,TIMATIONII发射,更名为导航科技一号(NTS-1),进入了7,500公里轨道,首度内含原子钟(二个铷振汤器) 1974.08.09,尼克森总统下台,福特宣示为总统 1976.11.02,吉米.卡特当选为美国总统 1977.06.16,布理兹聂夫提名为苏联总统 1978.01.24,一颗苏联的海洋侦查卫星(内含核子反应器)坠入地球,掉落於加拿大境内 1978.02.22,NAVSTAR1号(I-1,PRN4)发射,03.29正式宣告运作 1978.05.13,NAVSTAR2号(I-2,PRN7)发射,07.14正式宣告运作

13、 1978.10.06,NAVSTAR3号(I-3,PRN6)发射,11.09正式宣告运作 1978.10.16,教宗若望保禄二世登基就位 1978.12.11,NAVSTAR4号(I-4,PRN8)发射,01.08正式宣告运作 1980.02.09,NAVSTAR5号(I-5,PRN5)发射,02.27正式宣告运作 1980.04.26,NAVSTAR6号(I-6,PRN9)发射,05.16正式宣告运作 1980.11.04,雷根当选为美国总统 1981.03.30,雷根总统遭约翰辛克莱暗杀受伤,但後来逐渐康复 1981.04,太空梭哥伦比亚号首度飞行 1981.12.09,NAVSTAR7

14、号(I-7,PRN)发射,03.29正式宣告运作 1982.l0.12,苏联导航卫星GLONASS1号(Cosmos1414)发射 1982.l1.10,苏联总统布理兹聂夫死亡,安德洛波夫继任 1983.06.16,安德洛波夫当选为苏联最高苏维埃主席 1983.06.28,美国国防部(DoD)宣布最新版本NAVSTAR的安全政策,修订标准定位服务(SPS)的精确度,从此SPS具有100公尺95%最大水平误差.精确定位服务(PPS)仅限於军事使用. 1983.07.14,NAVSTAR8号(I-8,PRN11)发射,03.29正式宣告运作 1983.04.04,GLONASS2号 3号发射 19

15、83.09.01,韩航007次班机飞入苏联领空被击落 1983.12.29,GLONASS4号发射 1984.02.09,安德洛波夫死亡 1984.04.11,契尔年柯当选为苏联最高苏维埃主席 1984.05.19,GLONASS6号 7号发射 1984.06.13,NAVSTAR9号(I-9,PRN13)发射,07.19正式宣告运作 1984.09.04,GLONASS8号 9号发射 1984.09.08,NAVSTAR10号(I-10,PRN12)发射,07.19正式宣告运作 1984.11.04,雷根总统连任成功 1985.05,GLONASS开始第二阶段布署 1985.05.17,GL

16、ONASS10号 11号发射 51985.10.09,NAVSTAR11号(I-11,PRN3)发射,10.30正式宣告运作,这是BlockI中最後发射的一颗,平均寿命已达约7年 1985.12.24,GLONASS12号 13号发射 1986.01.28,太空梭挑战者号(STS-51L)发射後不久爆炸,此事件严重影响往後的发射计画 1986.09.16,GLONASS14 15 16号发射 1987.04.24,GLONASS17 18 19号发射 1987.09.16,GLONASS20 21 22号发射 1988.02.17,GLONASS23 24 25号发射 1988.05.21,G

17、LONASS26 27 28号发射 1988.09.16,GLONASS29 30 31号发射 1989.01.10,GLONASS32号 33号发射 1989.02,美国海岸巡防署在交通部的琐0tNAVSTAR讯号民用领导机关的责任 1989.02.14,NAVSTAR14号(II-1,PRN14)发射,04.14正式宣告运作 1989.05.31,GLONASS34号 35号发射 1989.06.10,NAVSTAR13号(II-2,PRN2)发射,06.10正式宣告运作 1989.06.21,Navstar Block IIR定位卫星的合约裁定由奇异公司(General Electric

18、,GE)获得 1989.08.17,NAVSTAR16号(II-3,PRN16)发射,08.17正式宣告运作 1989.10.21,NAVSTAR19号(II-4,PRN19)发射,10.21正式宣告运作 1989.12.11,NAVSTAR17号(II-5,PRN17)发射,01.11正式宣告运作 1990.01.24,NAVSTAR18号(II-6,PRN18)发射,02.24正式宣告运作 1990.03,美国国防部启动SA (Selective Availability)干扰 1990.03.25,NAVSTAR20号(II-7,PRN20)发射,04.19正式宣告运作 1990.05.

19、19,GLONASS36 37 38号发射 1990.08.02,NAVSTAR21号(II-8,PRN21)发射,08.31正式宣告运作 1990.10.10,NAVSTAR15号(II-9,PRN15)发射,10.20正式宣告运作 1990.11.26,NAVSTAR23号(IIA-10,PRN23)发射,12.10正式宣告运作 1990.12.08,GLONASS39 40 41号发射 1991.04.04,GLONASS42 43 44号发射 1991.07.03,NAVSTAR24号(IIA-11,PRN24)发射,08.30正式宣告运作 1992.01.29,GLONASS45 4

20、6 47号发射 1992.02.23,NAVSTAR25号(IIA-12,PRN25)发射,03.24正式宣告运作 1992.04.10,NAVSTAR28号(IIA-13,PRN28)发射,04.25正式宣告运作 1992.05.10,两名男子持斧头闯入Rockwell的工厂,企图破坏NAVSTARSV33导航卫星,很显然的是在抗议在三叉戟潜鉴上使用GPS 1992.07.07,NAVSTAR26号(IIA-14,PRN26)发射,07.23正式宣告运作 1992.07.30,GLONASS48 49 50号发射 1992.08.10,海洋观测卫星TOPEX/Poseidon发射,卫星上装有

21、GPS,提供地球中心至该卫星间的参考 1992.09.09,NAVSTAR27号(IIA-15,PRN27)发射,09.30正式宣告运作 1992.11.22,NAVSTAR32号(IIA-16,PRN1)发射,12.11正式宣告运作 1992.12.18,NAVSTAR29号(IIA-17,PRN29)发射,01.05正式宣告运作 1993.02.03,NAVSTAR22号(IIA-18,PRN22)发射,04.04正式宣告运作 1993.02.17,GLONASS51 52 53号发射 61993.03.30,NAVSTAR31号(IIA-19,PRN31)发射,04.13正式宣告运作 1

22、993.05.13,NAVSTAR37号(IIA-20,PRN7)发射,06.12正式宣告运作 1993.05.27美国国防部(DoD)及交通部(DoT)发布新闻稿,宣布授权一个联合研究小组研究调查NAVSTAR系统的管理课题 1993.06.26,NAVSTAR39号(IIA-21,PRN9)发射,07.20正式宣告运作 1993.07.09,美国民航局(FAA)赞同民航飞行员使用GPS 1993.08.30,NAVSTAR35号(IIA-22,PRN5)发射,09.28正式宣告运作 1993.09.24,GLONASS计画正式纳入俄罗斯军事太空武力局 1993.10.26,NAVSTAR3

23、4号(IIA-23,PRN4)发射,11.29正式宣告运作 美国国防部秘书长Les Aspin致函交通部秘书长Les Pena：NAVSTAR系统已达到初步有效性能(Initial Operational Capacity,IOC) 1993.12.21,美国国防部/交通部联合特别小组发布新闻稿,陈述NAVSTAR系统应共同经营管理,此论述是基於对此系统的民用需求不断升高 1994.01.31,反愚效应(Anti-Spoofing,AS)正式启动 1994.02.17,美国民航局(FAA)宣布：GPS确实有效可用,是美国航管控制系统的一环 1994.04.11,GLONASS54 55 56号

24、发射 1994.08.11,GLONASS57 58 59号发射 1994.10.26,NAVSTAR36号(IIA-24,PRN6)发射 1995.07.17,美国空军发布新闻稿,宣布NAVSTAR系统已达到完全有效性能(Full Operational Capacity,FOC) 1995.08.03,美国民航局(FAA)发布新闻稿,宣布四亿七千五百万美元的合约裁定由威尔考斯公司(Wilcox Electric)获得,发展装设广域增益系统(Wide Area Augmentation System,WAAS) GPS所用到的术语 反愚效应Anti-Spoofing(A-S) 在美国国防部实

25、施AS效应後P电码皆锁码成Y电码,以防止有假造的卫星资料传输.Y电码一般用户无法解码,但一些GPS接收机制造商仍能以特殊的解码电路技术(如Ashtech Z-tracking)取得较高精度之电码观测量,但无类似技术的GPS接收机,即无法量测,例如Leica Wild GPS-System200,在1994年1月31日AS启动前,它可执行P电码测距,及全波长L1与L2载波相位量测.AS启动後,L2上仅测得半波长数据,其量测杂讯亦变大. DGPS-差分定位 DifferentialGPS差分定位一种技术用以增加GPS定位的精确度误差的减少是经由一已知点的误差来决定的,方式乃是将一未知的地点所测的位

26、置扣除去误差的部份,便得以较精确的位置值. MOB的功能: 7所谓MOB功能是指人员落海警示功能,这个通常是用在海上的用途.当有船上成员落海的时候,船上的成员比如说船长,他可以使用这个功能将落海所在的位置立刻标示起来,此时GPS立刻键入导航模式,而所指向的导航点永远是人员落海的那个点,在强风巨浪之下,要寻找失踪落海的人员这功能显得十分重要. 航点(WAYTOINT): 航点是航海用的名词,它的意思是在一个指定的位置上做标记.就GPS接收机而言,可以在任何一个位置标记航点,将它储存在记忆体中,以作为将来参考的用途. 模拟模式(SIMULAPOR MODE): 模拟模式是GARMIN45所特有的模

27、式,它模拟卫星讯号是处於接收状态之下,这个功能最主要是来帮助使用者在室内或者是无法接收到卫星的环境之下能够练习使用GPS,当然在室内时可以使用正常模式(MORNALMODE),然而当使用正常模式的时候GARMIN45一直无法接收到卫星讯号时,那0将在15分钟後自动关闭电源,这是为了省电的考虑. 选效SA (Selective Availability)效应： 即刻意将卫星上的时钟拨乱,以及广播不准确的轨道参数使定位误差达100公尺以上,为克服定位精度不准确的问题,必须加入差分定位的技术,来改善定位的精度. 单频vs.双频 NAVSTAR定位卫星实际上以两种无线电频率传送定位讯号：L1与L2,L

28、1上调制出民用(C/A)与军用(P1)两种电码,L2上调仅制出军用码(P2).一般民用级的GPS接收机仅能接收L1频率及其未经锁码的电码以做为定位之用. 有两种方法可以计算出位置,最普遍的方法是同时接收四颗(至少是三颗)卫星讯号,由L1频率上的电码中读取时间及卫星位置资讯,再经由相当复杂的矩阵运算,计算出位置.此方法可达到15公尺的精确度. 要达到更好的精确度,则必须运用载波相位观测量(carrier phase measurement)载波相位观测量是一种运用无线电讯号特性来计算距离的技术.理论上我们是假设从卫星发射至接收机的无线电讯号是呈一直线,但是事实并非如此,讯号会因大气层的影响而产生

29、偏向,特别是电离层效应.电离层能够使我们能够收到远达数百哩外的无线电台的播送内容. GPS所使用的频率波段并不会受到太多的偏向,也不会因此造成1公尺或者更大的误差.而经由双频比较可消去电离层效应所产生的误差,这是因为电离层效应与电波频率有关,所以如果GPS接收机可同时接收Ll民用频率及L2军用频率,接收机即可判断出电离层效应所造成的误差,在计算位置之前加以排除. 虽然L2频率上的P2军用电码已被锁码(A-S效应),但是我们仍然可以收的到原始的无线电载波.民用的双频接收机的设计就是利用所有的资讯以尽可能的消除误差的来源.假使军用电码未被锁码(美国国防部有时会将A-S关掉),某些GPS接收机可利用

30、它得到更高的精确度. 在过去,使用双频的DGPS系统时,必须执行复杂的程序靠基地站(base station)来初始化移动站(rover),而新一代接收机已经有运动模0求定(ambiguity resolution on the fly,AROF)8的能力.AROF可使接收机在开机一分钟内同步,不需要复杂的初始化程序.上述的结论是,假如你要做快速高精度的DGPS测量定位工作,你必须使用双频AROF系统. 简而言之,当你使用DGPS系统时,使用双频机可以比使用单频机有较佳的精确度 较快的定位速度 较长的距离 Carrier Phase：(载波相位) 使用载波相位在静态测量或动态导航上都可达到公分

31、级的精确度.水准测量在传统测量技术中,是一沈闷且需花费大量时间级金钱的外业测量工作,GPS技术的发展解决了过去传统测量所无法克服之天候及通视等问题. 大地基准面为一地球重力的等位面,此等位面非常近似平均海水面,因此大地基准面被视为地球的数学模型外型,亦是大地大地测量中高程(正高)的起算面.参考椭球体是与大地基准面最相似的旋转椭球体,GPS是以参考椭球面为计算标准的,所以GPS所量测的高度是椭球高,起算面是参考椭球面.椭球高(h)与正高(H)之间的差值为大地起伏值(N) H=h-N 精度稀释(DGOP) 由GPS卫星所传送的讯号型态包含电码观测量(code)与载波相位观测量(carrier ph

32、ase),其载波为L波段的无线电微波,依频率分为L1 (1575.42MHz) L2 (1227.60MHz)两种.将电码观测量调制於载波上提供地面GPS接收机量测卫星距离,继而计算相对於卫星的空间位置.L1载波上所调制的电码观测量为C/A电码与P1电码,而L2载波上只调制P2电码.在美国国防部实施AS效应後P电码皆锁码成Y电码,一般用户以无法获得,但一些GPS接收机制造商仍能以特殊技术(如Ashtech Z-tracking)取得较高精度之电码观测量. 电码观测量虽具有方便求解的潜力,但其观测量精度较差.C/A电码的观测量精度约为3公尺,P电码的观测精度约为30公分,而载波相位的观测量精度约

33、为2公0. 所以以GPS从事高精度(公分级)的定位工作,电码观测量并无法符合精度要求,必须利用载波相位观测量,其量测精度可达1/100个周波,在卫星时钟与接收机时钟同步的前提下,依所量测的载波相位差来计算距离. GPS载波相位观测原理与电子测距仪的原理相似,不同的是电子测距仪的讯号经反射而回到仪器本身,所得之相位差量日基於同一个时钟基准.而GPS讯号仅单向由卫星传送至接收仪,载波相位差是由卫星时钟与接收机时钟两个基准所求出,因为两者的时钟都存有误差存在,使得观测量需以二次差分(double difference)方式以消除时钟误差. GPS接收机仅量得载波相位差,载波在行进路径钟所包含的完整载

34、波个数为未知数,若此个数已知,即可计算载波所传送的精密距离,在GPS技术中此未知数称为相位未定值(phase ambiguity)或整数周波未定值(integer cycle ambiguity),如何求解此相位未定值是GPS载波相位测量的核心课题. 登山休闲卫星定位仪采购指南 9一.现在是你使用GPS的最佳时机 一般的GPS接收机,其价位偏高,多半用於测量方面的使用,但对於登山健行而言,却又太过於笨重,原属於不是非常实际的,但若能於精确度上有一些退让时,其价位便会相对的大幅降低,体积也相对的缩小,甚至符合人体工学方面的设计,此时便是你利用这个先进工具的时刻通常一般休闲及登山用的GPS接收机以

35、美国而言价位於400700美元左右,其价位为何到如此 因为你若到美国去租用汽车,你会很容易的便在车子的前方面板上发现一个类似电视盒子,通常上面你会发现美国地图便在其上,这就是汽车导航系统,其搭配著GPS来进行导航. 台湾目前GPS使用虽没有美国来的普遍,但休闲及登山方面使用的GPS却也甚为普遍,价位并没有比美国来的贵,且中文化的操作令你觉得亲切,若你认为要等到它降价,那你可能要错失使用这个方便工具的最佳时机,即使像美国用的人如此多,但其价位并没有因此而下降,不要等你的钱贬值了再来找用途. GPS选购要件: 对於生在台湾的你,你可以清楚的知道玉山怎0上去,但你可以清楚的告诉他人,玉山真正的位置在那0,并可以在图上面指明,我们站的地方就在这0,但是你真正的指到你的位置吗 买一个GPS,不要把她当收音机,你要谨慎的选择,否则你不会喜欢她的,选购GPS有一些得注意的事项: 1. 是否可以使用内政部贩卖的地图上所使用的座标系统,(以虎子山基点投影,TM2二度分带显示),不然南湖变成中央尖了. 2. 中文化的显示及操作,不要小看为什0要中文,好学易用,连小孩子都可轻易的操作和使用. 3. 有航迹图显示及导航功能,航迹图可帮助你确认行经路径,导航可以带领你快速到达. 4. 要有电源状态显示,不要小看这个东西,走到