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物流寄情33：全球衛星定位系統

 楊惟雯

全球衛星定位系統（Global Positioning System，通常簡稱GPS），是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。

一、什麼是全球衛星定位系統?

全球衛星定位系統（GPS）是由美國國防部於1970年代開始進行研製並於1994年全面建成。此系統包括太空中的24顆GPS衛星（21顆工作星和3顆備份星工作在互成30度的6條軌道上）；地面上的1個主控站、3個數據注入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。使用者只需擁有GPS接收機即可使用該服務，無需另外付費。

用戶端只需其中3顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。

此系統為無線電定位法的一種，利用對民間開放的C/A碼標準測法，能得到數十米的精度。原本美國因為擔心敵對國家或組織會利用SPS對美國發動攻擊，故在民用訊號中人為地加入選擇性誤差（即SA政策，Selective Availability）以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右；軍規的精度在十米以下。

2000年以後，柯林頓政府決定取消對民用訊號的干擾。因此，現在民用GPS也可以達到十米左右的定位精度。

此外，GPS系統尚擁有如下多種優點：

使用低頻訊號，縱使天候不佳仍能保持相當的訊號穿透性；全球覆蓋（高達98%）；三維定速定時高精度；快速、省時、高效率；應用廣泛、多功能；可移動定位；不同於雙星定位系統，使用過程中接收機不需要發出任何信號增加了隱蔽性，提高了其軍事應用效能。

二、全球衛星定位系統的架構 

衛星定位系統整體運作上可分成三部份：太空部分、地面部分以及訊號部分。

1、太空部分

目前 GPS 衛星已發展至 Block II 型式的定位衛星，由Rockwell International 製造，在軌道上重量約 1,900 磅， 太陽能接收板長度約17 呎，預期壽命為7.5年，於 1994年完成第24顆衛星的發射，整個GPS 系統正式宣告建構完成。因此目前太空中有24顆GPS 衛星可供定位運用，它們平均分佈於6個軌道面，每個軌道面上各有 4顆，距離地面高度約10,900海浬 (大約20,000公里)， 呈55°角傾斜繞行地球運轉，繞行地球一周需 12 恆星時，每日可繞行地球 2周，這也就是說，不論任何時間，任何地點，包含北極, 南極，至少有 4 顆以上的衛星出現在我們的上空。

2、地面部分

地面設施部分主要包含GPS監控站與使用者接收設備兩部份。

（1）監控站

包括一個主要控制站（Master Control Station）、五個監測站（Monitor Station）－分佈於夏威夷、亞森欣島、迪亞哥加西亞、瓜加林島、科羅拉多州、三個地面控制站（Ground Control Station）等。監測站主要負責追蹤所有衛星的運行位置、時間、氣象資料及電離層資料等，將每15秒觀測到所有資料，計算出每15分鐘一組的平滑化數據（Smoothed Data），傳送到主控制站後，由主控制站加以統合，計算出衛星星曆、時錶修正量、電離層改正係數，再轉換成導航訊息，以維護衛星系統的精度與正常運作，此部份由美國國防部負責，使用者無從瞭解也毋需瞭解此部份的技術。

（2）使用者接收設備

主要是一個衛星訊號接收器，依照不同的目的而有不同的定位能力，基本的功能是接收L1載波，分離出C/A電碼，進行最簡單的虛擬距離定位，也是一般車輛定位所使用的機型。

其中必須注意的是：GPS衛星產生兩種不同的載波來承載所有電碼與訊息，其中C/A碼僅調置在L1載波上，P碼則分別調置在L1與L2載波上，並區別為P1與P2電碼，但美國軍方目前僅開放C/A碼僅民間使用。而一般間使用之接收機可經由差分修正(DGPS差分定位)達15呎或更加之準確度。但使用DGPS訊號需付費，一般使用者應考量成本及使用目地是否需要到如此精準。如做汽車導航您所需要知道的是您的相對位置配合您所使用之電子地圖，無需使用到那麼高精度之定位。

3、訊號部分

GPS衛星產生兩組隨機電碼，一組稱為C/A碼，一組稱為P碼。C/A碼主要開放給民間使用，因此在精度上刻意降低，P碼則是美國國防部保留為其軍事用途的電碼，精度比C/A碼高很多，因此設有密碼，一般民間使用者無法解讀。一般而言，GPS衛星傳送兩種頻率的載波， L1 (Link 1) 載波的頻率為1575.42 MHZ，L2 (Link 2)載波的頻率為1227.60MHZ。

三、全球衛星定位系統的基本定位原理   

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，而計算出每一衛星到接收機的距離。

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)。接收機繼續不斷地更新您的位置，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﹐都會產生較大的定位誤差。

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。

四、GPS 在消費性電子產品上的應用

GPS具有以下的功能：

1.精確定時：廣泛應用在天文臺、通信系統基站、電視台中

2.工程施工：道路、橋樑、隧道的施工中大量採用GPS設備進行工程測量

3.勘探測繪：野外勘探及城區規劃中都有用到

4.導航：武器導航、車輛導航、船舶導航、飛機導航、星際導航、個人導航（個人旅遊及野外探險）

5.定位：

●車輛防盜系統

●手機，PDA，PPC等通信移動設備防盜，電子地圖，定位系統

●兒童及特殊人群的防走失系統

●精準農業：農機具導航、自動駕駛，土地高精度平整

●授時：用於給電信基站、電視發射站等提供精確同步時鐘源

所以，GPS導航儀已在地圖查詢、路線規劃、自動導航等方面，得到廣泛的應用，尤其在一般行動裝置產品上，包括PDA、Handheld PC ( Palm PC), Smart Phone，行動車用導航…等。

現在，GPS更得到進一步應用。

例如，GPS可將線路的規劃和實際的巡線工作結合起來，通過GPS即時監控獲得車輛的位置資訊，來考察車輛的巡線任務完成情況。最終可結合車輛分析和周密的統計報表，行成可計畫、可執行、可評價的巡線車輛監控調度方案，可以實現車輛跟蹤和交通管理等許多功能。

未來，各種GPS/GIS/GSM/GPRS車輛監控系統軟體、GSM和GPRS移動智慧車載方案等，可廣泛應用於公安、醫療、消防、交通、物流等…領域。　　

但GPS要在消費性電子市場獲得更廣泛應用，仍需要克服四個障礙﹕

第一個也是最關鍵的問題就是接收靈敏度的問題。一般的消費者在使用GPS時，多數會處在市區內，甚至在建築物內，這樣的環境絕對是GPS的天敵，因為在這樣的環境下，衛星傳送下來的訊號不僅會被衰減，多重反射(multi-path)，甚至完全收不到任何訊號(indoor)。

第二個瓶頸是消耗功率大小，在手持式的電子產品，省電一直是一個最重要的課題。　　

第三個障礙是GPS接收器的尺寸大小，一般的GPS接收器設計，大體包含有射頻IC，GPS ASIC 處理器，CPU和記憶體。再加上週邊其他電路後，其尺寸大約是一般名片大小。然而這樣的模組尚不能符合手持式電子產品的需求。　　

最後一個就是價格問題，凡是要同消費大眾普及化的產品，在價格上一定要有競爭力。

總之，隨著汽車、手機等高檔消費品的普及，不少行動裝置電子產品都已積極地整合GPS的導航功能，如最普遍的如電子地圖公司、汽車導航系統、行動電話、PDA、Smart Phone…等，使得GPS的導航功能漸成為人人必備的生活必需品。

GPS導航儀，如下圖所示﹕