GPS 系統雜談

jason204

GPS的基本定位原理是利用GPS接收儀接收GPS衛星發射的L頻段無線電訊號(基本頻率：10.23Mhz、L1：1575.42MHz、L2；1227.60)，經由接收儀解碼後,解調為電碼及載波相位二種不同型式及不同精度等級的觀測量，因GPS基本上所量測的數據為GPS衛星到地面天線間之距離，所以透過"光速×時間=距離"及"波數×波長=距離"等簡單的距離公式,就可以求得每一顆衛星在任一時刻與地面天線間的距離，又因衛星廣撥出來的訊號中也同時傳送每一顆衛星廣播星歷資料，也就是可以獲得每一顆衛星在任一時刻的空間位置(WGS84坐標)，所以只要同步觀測3顆以上GPS衛星,就可以同時獲得3組空間距離，此時就可以利用空間後方交會法,求得該時刻地面天線的WGS84坐標，也就達到所衛定位的目的。所以GPS誤差產生的原因，簡單的說，就是與衛星本身及接收儀上的時鐘誤差、衛星的位置的準確程度、衛星的幾何分布狀況、衛星訊號通過大氣層產生的電離層及對流層延遲誤差，及是否接收到反射波之多路徑效應等(Multi-Path)等等，都有很大的關係,這也就是目前在單點定位為什麼只有數公尺到數十公尺的精度(SA off)，如果要提升精度,就必須要做相對定位，例如C/A電碼的DGPS差分可以到公尺等級精度，採用雙頻載波相位觀測量進行RTK(Real-Time Kinametic)可以達到公分等級的定位精度(一般測量工作才會有這樣的精度需求)。

  GPS衛星導航就是利用GPS連續定位的特性，將每1秒所定出的坐標，展套到相對應坐標系統的電子圖資上，來顯示載具所在的位置，所以在整體的精度表現上，當然與GPS的定位精度及圖資精度有關，不過以目前單點定位的精度及圖資的精度，要車子總是馬路的車道上跑，實在是有些困難，所以在顯圖的介面上，都會加上一些"地圖匹配(Map Matching)"功能技術，這也是為什麼我們在螢幕上看到車子總是可以乖乖的在馬路上，而不會亂跑亂跳的主要原因，不過如果定位誤差太大、有時也會"凸伽"。另外如果將在外面做導航的載具位置坐標(一般都為NMEA格式)、透過如GPRS、Wi-Fi或其他無線數據訊傳輸模組，將每部載具的定位坐標及相關屬性資料，即時傳送到控制中心進行顯示及分析，這樣就可以達到即時監控的目的，這在一些車隊調度、規劃或成本的節制上，可以有很好的成效。

另外在圖資部分，根據可靠消息來源，國內將於今年開始著手建置高精度的通用版電子地圖，目前已完成規劃準備，相關在預算通後就可以馬上進行，請大家拭目以待。

在陀螺儀輔助定位部分，在不考慮成本的情況下，用它來輔助GPS訊號被遮蔽無法定位的狀態下如在長隧道中，確時是可以利用極坐標的方法，將陀螺儀的姿態、方位角及距離等資料，再與時間參數進行關連後，再透過簡單的三角函數即可求得載具再任二個相鄰時刻的位置坐標差，不過畢竟它是屬於被動式元件，不僅使用前須先進行率定，且其定位誤差會隨時間增長而快速增加，此時就需要再藉由GPS定位成果來做修正。個人曾經在1992-1993年求學期間採用價位較低的電子式羅經(Compass)配合車速器做過類似的輔助定位測試，並採用卡爾曼率波及二次線性加權演算法，來關聯及修正上述二種不同定位成果，效果還不錯，但可惜畢業後就沒有再繼續下去。

以上淺見，謹提供各位網友前輩參考。

[ 本文最後由 jason204 於 2007-3-30 18:39 編輯 ]

jason204

臺灣引進GPS全球定位系統已超過20年，當初引進的目的，主要是想突破並改善學術研究及政府施政的一些測量技術瓶頸（如點對點之通視問題），所以在當時的構想，主要是應用在國家坐標系統之建立與維護、各級基本控制點的測設、地震測報、地殼變動監測及活斷層的研究等，後來因它的優點實在太多、太好用了，所以漸漸的也被應用來從事地圖繪制製、地籍、地形等應用測量領域，甚至後來與民生息息相關的產業如汽車導航、車隊監控等。說到GPS可不可以達到公分級的定位精度，我想在多年來國內的機關如中央研究院地球科學研究所、交通部中央氣象局、經濟部中央地質調查所、內政部地政司衛星測量中心、內政部土地測量局及臺灣大學、交通大學、成功大學等學術單位及政府機關，也陸續做了很多研究，學術論文及工作報告的年產量也非常大，另外像林務局、水利署等國土管理機關，近年來也大力投入相關的資源；試想，如果學術及政府部門花了那麼長時間、經費及人力，去投入高精度的測量及定位技術，如果沒有搞出一些公分級甚至公厘( mm)級東西，早就該關門了，不該再浪費納稅人的$$$。（，有興趣可以上這些單位相關網站去流灠查閱）

GPS要常態性達到公分級對某些特定對象應是相當容易的，不過這句話對一般民眾而言，可能比較無法體會【尤其是基於軟硬體價格上的考量與限制】，因為它須要許多條件的配合，例如需要採用測量級的精密定位GPS接收儀（價格由數十萬到上百萬），需要採用載波相位觀測量(單純的電碼觀測目前還達不到)，需要長時間的觀測及蒐集衛星訊號、也需要有經驗的操作人員去進行後處理方式的衛星資料轉換、基線分量計算及嚴密的網形平差計算等，這些衛星觀測資料的才能經由定位誤差修正與分析處理，獲得公分級的定位精度。另外在連續動態定位上，近年來配何國際測繪科技潮流，也有非常重要的突破，例如目前最熱門的是採用虛擬基準站的即時動態定位技術（VBS-RTK），已經被證實在臺灣地區可以同時收到5顆以上衛星且可以使用GPRS通訊連結的任合時間及任合地點，都可以在極短的時間內獲得公分級的定位精度。

前面提到3顆衛星可以定位部分，謝謝lifaung網友的指正，或許我只是表達到最基本的定位原理，因為3組方程式剛好可以求解3個WGS84坐標未知數（X,Y,Z），當然如果再接收第4、5、6、…顆衛星訊號，就可以再組成第4、5、6、…的方程式，也理所當然可達到檢核的目的，提高GPS定位的精度及可靠度。

陀螺儀確實是非常精密準確的東西，個人求學期間因考慮價格及複雜度太高，個人並無實務操作經驗，不過當初所理解的是其定位務誤差是時間的函數，所以定位誤差會隨時間增加而迅速增大，也就是說在一特定的時間內必須要進行修正，現今的硬體如何發展，是否有主動式修正功能，因個人並沒有接觸，還請各位熱心的網友提供相關資訊。

GPS的3D空間坐標（WGS84坐標系統）是由最原始的的卡式坐標系（X,Y,Z）經過坐標化算為球面坐標系（經度【φ】，緯度【λ】，橢球高或稱幾何高【h】），所以GPS的高度是算出來的，如果還要在進一步用在汽車導航上，還要再經過一個地圖投影的步驟，也就是轉換為2D+1D的圖面坐標系（縱向坐標【N】, 橫向坐標【E】）及 （測站高度【h亦為橢球高】），例如臺灣地區的圖資目前大多是採用橫麥卡托經差2度分帶投影，其定義為中央子午線為東經121度，坐標原點在中央子午線與赤道的交點，橫坐標西移250,000公尺，中央子午線的尺度比為0.9999。

【註：橢球高的數據值是以橢球面起算，與我們常講的海拔高度是由基隆平均海水面起算的數據值不一樣，其間的差量稱為大地起伏，例如在玉山地區之大地起伏值據推算約有二十幾公尺，該值一般要實施重力測量才能精確計算獲得】

以上淺見，提供各位網友前輩參考。

[ 本文最後由 jason204 於 2007-3-31 12:18 編輯 ]

jason204

介紹一個世界著名的GPS雜誌--GPS World 的網站給各位網友
雖然是英文的網站,不過從裏頭可以擷取許多國際上GPS活動新聞,應用各種領域的最新GPS科技
及相關系統測試成果

如果您像我一樣看不懂英文,裏面也有許多精彩的圖案與照片喔!!!!!

GPS World網站首頁網址為  http://www.gpsworld.com/gpsworld/

因是新手上路,Sorry~~~Try個圖片附件上傳!!(有成功嗎?)

jason204

如果可以把GPS晶片與人工智慧做結合，也就是說如果可以讓GPS的晶片自動去學習所接收衛星訊號的狀態，

特別是在訊號遮蔽嚴重的地方，各位看官，請發揮一點想像力，想想以後的GPS會有那些功能上或是定位精

度上的突破，還有它的應用面是不是可以增加呢？


（註：不好意思～我只會丟問題，因為我也不知道答案，只是隨興而起～～）

jason204

[quote]原文由 小酒蟲 於 2007-5-21 11:26 發表
何謂「自動去學習所接收衛星訊號的狀態」？


其實我也不知如何完整地描述我的想法，現在也沒有答案，或許小酒蟲哥哥講的是對的～～～


但基本上，我對於Sirf-3晶片為什麼放在車前座置物箱或扶手置物箱中，如此直接的GPS訊號被阻隔的

狀態下，為什麼還是可以定位，雖然它的精度較差，但也不是太離譜的情況下，截至目前我仍無法得

到滿意的答案，所以我就給他突來一想，想說是不是它的晶片有接受過"模擬訓練"還是有參雜了一些

"人工智慧"的元素在裏頭，如果是的話，是不是以後在地下室或隧道裏，也都可以用這種”模擬訓練”

的方式來處理呀！！！！