GPS全球卫星定位系统 - 原理篇解析

GPS衛星定位系統-原理篇2時間概念(1)•大自然的緣起緣滅、生生不息都不需要時間來衡量•時間概念是人為產生日日月月春夏秋冬歲歲年年•中國有史以來皆以月亮週期作為日期單位，稱之為陰曆，陰曆在「年」的計算上有誤差，為了符合一年四季的變化，以「閏月」來作修正。•西方主要以太陽運行狀態作為時間觀念，稱之為陽曆3時間概念(2)•陽曆的計算概念，日出到另一個日出為一天；但即使在同一地區不同節日，日出到日落時間都不一樣。但每天都會有太陽運行到「最高點」的時間，因此定義此時間為每天正午12點。•要讓全地球有共同時間依據，訂定英國格林威治皇家天文台為地球時間標準(GreenwichMeanTime簡寫GMT)，此時間亦稱作通用時間(UniversalTimeCoordination簡寫UTC)4GPS時間(1)•GPS整體系統運作必須在一個統一的時間系統，也就是說不論衛星的運動狀態、地球的自轉和公轉、地面接收站及接收端的位置等，都必須使用同一個時間標準，時間標準系統有三個功能：作為GPS系統計時標準：簡少GPS系統內的時間同步誤差作為時間記號：時間記號是抵達時間的根據，方可計算GPS衛星與接收端的距離作為地面的時間標準：作為需要精密時間裝置的時間標準，例如電腦網路同步、無線通訊系統等等5GPS時間(2)•地球不是一個理想的圓球體，因此通用的時間標準與理想的時間標準之間會有一個誤差，UTC將此誤差調整在一秒之內；因此UTC通常選擇在每年的一月一日或七月一日作閏秒，來修正誤差。•世界上沒有兩個原子鐘的時間是完全一樣的，國際重量及測量局BIPM負責國際間原子鐘的時間測量及計算，它透過網路每五天檢查一次分佈在全世界50個時間實驗室的250個原子鐘，計算結果作國際原子時間(TAI)的標準。為了與UTC銜接，這個時間決定為UTI時間標準，1972年國際間決定以UTI取代UTC作為世界時間的標準。•科學界希望UTI與UTC的時間差維持在0.9秒之內，因此引入了閏秒的概念，始物理界與天文界的時間標準一致。6GPS時間(3)•每一個GPS衛星攜帶四個原子鐘，發射前與地面控制站的原子鐘校正，在軌道運行時仍然由地面控制站作時間的校正。•GPS系統時間本身並不作閏秒的調整，因此地面控制站須將GPS衛星原子鐘校正到與UTC標準時間的誤差在1微秒之內。•GPS的計時沒有月和年，他是以西元1980/01/06零時為第一個星期，一直累加上去，因為「導行信號」中的周數只有10個位元，因此1024週之後(2000/08/21)必須歸零重新算起。•一周的計算，由星期六到星期日的午夜「歸零」重新計算。7GPS時間(4)•應用端使用者設備的時間是本地時間，所以GPS接收後要轉換成本地的UTC時間。例如台灣時間是UTC時間加8小時，接收GPS的UTC時間在台灣使用就要加8小時。•衛星訊號中的「導航信號」的各種傳送格式都包含有經過轉換的日期及時間，是方便使用端的應用，使某個資料時就直接有時間資料，不需另外擷取。•因為GPS的時間比任何一般使用者的計時器更準確，目前已有研發完成的GPS手錶，他是利用接收GPS信號取出時間信號。8原子鐘•日常使用最短的時間單位是秒，計算時間通常以頻率作為計算時間的工具，例如牆壁上的壁鐘，以鐘擺來回擺動一次的一個週期作為一秒。•表示單位越小，則計算越精準，因此時鐘的計時週期越短(頻率越高)則精準度越高。•石英震盪頻率每秒約五百萬赫茲(Hz)，因此計實際的準確度一大進步。•銫原子鐘的震盪頻率是9192631770Hz，1995英國研發成功第一個銫原子鐘，準確度是三百年誤差一秒內。目前的準確度更進步到140萬年有一秒的誤差。9原子鐘工作原理•激發輻射頻率，如果最外層電子因為吸收激發光子的能量，可跳到較高層的軌道，同時輻射狹窄的頻率。這個頻率的波長可被量測作為計時的標準。金屬原子銫和銣是世界上製作原子鐘的兩種材料，因為它在常溫為液態且頻率穩定•將常溫時為液態的銫在加熱爐裡加熱使其氣化。汽化的銫原子由爐子裡的一個洞中高速逃脫，這樣就捕捉到了汽化的純銫原子。此汽化銫原子再通過一個電磁場，其場效應使銫原子依其所處能階分成兩群。低能階的銫原子通過U形管的尾端，並在該處接受3.26公分波長微波的輻射。一部分銫原子吸收此微波的能量，由低能階激化轉變到較高的能階。•激勵後的銫原子在返回原來位階時發出頻率穩定的微波，調整與此微波共振的振盪器頻率，使輸出達到最大值，這個頻率是銫原子的共振頻率，也是原子鐘的計時基本頻率10WhyGIS•GPS系統不論在定位或導航的應用，都要使用電子地圖(e-map)，而電子地圖證是地理資訊系統(GIS)的主要科目。11GIS定義•一般定義：一個設計完整的電腦硬體、軟體、與處理程序所組成的系統，此系統在協助取得、管理、支配、分析、和顯示空間參考資料，以便解決複雜的計畫和管理問題。•簡單定義：一組電腦硬體及軟體的工具，用來輸入、編輯、儲存、管制、和顯示地理參考資料。•我的定義：利用新的科技技術，可收集、儲存、取用(搜尋)、分析、疊圖、顯示……等等各項新式方法來處理「地理資料」，並支援決策能力。12GPS與GIS•沒有GPS之前GIS的發展很困難，任何一個小計畫都要耗費龐大的人力物力。•GPS接收器的資料只要經過簡單的格式轉換，即可直接輸入GIS的資料系統中。•GPS提供給GIS的資料分為兩大類：現有GPS資料(空照圖、透視圖等等)應用GPS定位能力，專門為某一特定GIS目地收集資料•GIS的地理資訊來源主要包括：空照圖衛星照像電子地圖13GPS衛星信號結構•與其他通信系統相同，包含載波、信號兩種•載波：L1，頻率1.57542GHzL2，頻率1.22760GHz•信號(調變到載波中)：測距碼導航資訊•L1、L2C、L5，三種載波都包含這兩種信號，供民間及軍事使用•L2頻道僅供軍事使用14GPS的載波•GPS的載波在無線電信號頻譜的微波段，方向性強但容易被物體阻擋或反射，對雲層或水氣的影響較小；傳送距離較長時，雲端或水氣還是會有偏差。•二代GPS衛星攜帶兩個銣及兩個銫原子鐘，原子鐘頻率為10.23MHzL1：1575.42=10.23x154L2：1227.60=10.23x120•光速3x108公尺，可算出L1波長19公分、L2波長24公分1575.42MHz=1575.42x106HzHz=次/秒3x108(公尺/秒)/1575.42x106(次/秒)=0.19043(公尺/次)=19.043(公分/次)15測距碼•計算衛星與接收端的距離，測距碼有兩種：粗略擷取碼(CoarseAcquisition,簡稱C/A碼)精確碼(PreciseCode,簡稱P碼)•C/A碼數學演算法隨機產生的二進位碼，故稱作「偽亂碼(PseudoRandomNoise,簡稱PRN)」每個衛星有自己獨一無二的PRN碼接收端需知道衛星的PRN碼•P碼僅供軍方使用，干擾對策考慮較多P碼放入L1,L2，但收到L1,L2的P碼會有相位差，可用此相位差做為電離層造成延遲的修正參考。16導航資訊•導航資訊是地面上的上傳站傳給衛星，衛星再傳給使用端的使用者。•使用者接收到這些資訊可以辨識衛星的編號，藉以產生PRN，來做傳送時間及距離的計算•導航資訊包含衛星星歷、時鐘參數、系統的狀態碼、電離層延遲資訊、及其他供導航用的資訊。•導航資訊格式，依據美國國家航運電子協會NMEA-0183標準格式編組，目前採用Ver2.00版本每個句子由「$」起始，代表不同種類，句子又以「，」分成許多小節。($GPALM、$GPGGA……)$GPGGA,050901,3931.4449,N,11643.5123,E,1,07,1.4,76.2,M,-7.0,M,*6517衛星星歷•每一個接收器記憶體在編寫軟體程式時，都已燒錄進衛星星歷，這些資料以電池電源保持在記憶體中；有衛星星歷的狀態下，接收端第一次定位時間通常不超過90秒。•接收器只要接收到一顆衛星的訊號，就可重新得到衛星星歷。此稱做冷開機定位，時間約250秒。18衛星導航系統使用者接收端資訊•衛星位置顯示•信號雜訊比的顯示•標準偏差量19GPS定位的準確性•系統設計的問題•衛星位置•信號傳遞過程•接收端的環境20GPS系統設計的影響•評估GPS性能的參數：定位的準確性服務的覆蓋性工作的連續性系統的可靠性系統的整合性系統的經濟性技術的競爭性21衛星位置及信號傳送過程的影響•衛星的物理特性及環境衛星軌道漂移、太陽輻射影響、衛星位置座標誤差等•信號傳送過程引起的偏差對流層、電離層、同溫層等引起的傳送誤差•接收端的環境及演算模式時鐘的誤差、多路徑傳送誤差、天線、接收器的設備誤差等等•差分式GPS定位(DGPS)，最有效的誤差修正方式兩個位置相近接收器同時衛星定位，假設知道一個接收器的絕對位置，則可根據該接收器絕對位置與接收位置之間的差值，消除同時影響另一個接收器的誤差因素。22衛星位置誤差•GPS衛星星曆資料用來推算GPS衛星位置•衛星軌道誤差是衛星「真實」位置(速度)，與向地面發送星曆中衛星位置的差值•應用國際GPS服務中心(InternationalGPSService,IGS)更準確的星曆•原子鐘的誤差雖然高精準的原子鐘通常不至有誤差，但真實的資料分析時，還是有誤差。監控站的更新資訊利用差分接收的定位理論予以消除23信號傳送誤差(電離層)•電離層距離地表大約50~1000公里之間此範圍氣體分子內的電子受太陽輻射的影響而成游離狀態GPS信號通過時產生擴散，使信號傳送速度改變衛星發射的導航訊息中包含有誤差修正公式使用誤差修正公式，中緯度可以消除50%的電離層問題衛星於接收器天頂誤差約50m、水平約150m日間電離層對接收信號延遲影響是夜間的5倍以上底、中緯度影響較大，靠近兩極影響較小電離層偏差在幾十公里範為完全相同，因此差分式接收式消除電離層干擾最有效的方式電離層延遲是信號頻率的函數，所以雙頻接收器幾乎可以完全消除此干擾，但目前民間導航只有L1的單頻接收。24信號傳送誤差(對流層)•對流層距離地表大約8公里如同光線通過玻璃一樣，產生反射、折射、直射此影響主因是接收器所在之位置，對流層的延遲受地域影響較大，電離層對信號影響是普遍性的衛星於接收器天頂誤差約2m、地平線上10度約20m無法用雙頻接收方式消除，但有修正模式可以減低誤差普費模式、黑模式、撒它門模式……等等GPS接收端導航設備內應用程式必須包含此部分修正90%可選用適當修正模式消除，10%因水蒸氣產生的誤差則不容易以修正模式消除避免追蹤低角度的衛星差分式接收式可消除此干擾25接收端影響•接收器時鐘誤差•GPS測量誤差多路徑傳送誤差鎖相失誤建築物遮蔽•GPS導航系統天線位置影響26GPS定位不準度分級•定位不準度(DilutionofPosition,簡寫DOP)•水平不準度(HDOP)•垂直不準度(VDOP)•時間部準度(TDOP)•位置不準度(PDOP)•1,2,3級表示非常好，4,5級表示好，6級表示普通，大於6級表示很差27DGPS差分式全球定位系統•差分式全球定位系統(DifferentialGPS,簡寫DGPS)•定位精準度可以提高到若干公分或公厘的誤差•美國海岸線建立許多DGPS參考站，海岸沿伸出去400公里，定位誤差可降低至5m•加拿大也延著海岸線建立數十個DGPS參考站•越靠近參考站，誤差越小28DGPS工作原理(1)•GPS衛星距離地表20200公里，地球直徑12756公里，因此地球表面兩點距離，與GPS衛星信號傳輸距離相比都很小，因此假設同一顆衛星信號是「同時」到達地面的兩個位置。這是DGPS原理成立的先決條件。第一個位置：對比參考點，固定的已知經緯度位置點第二個位置：游動接收器的地點，欲定位的點兩個位置都有一個普通的GPS接收器，以普通的方式定位假設兩個點有相同的(電離層、對流層、電子鐘等)誤差•「對比參考點」用普通GPS定位後，對比已知