GPS

What is GPS?

Selective Availability

GPS 衛星分佈狀況

NAVSTAR GPS/Block II specs

GPS 發展沿革

衛星定位的原理

GPS的用途

Reference

GPS 訊號

造成GPS 產生誤差原因

Differential GPS 差分式定位方法

量測資料分佈圖

RHCP & LHCP 天線

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What is GPS?
 
GPS (Global Positioning System) 全球定位系統
 
提供：經緯度P、速度V、時間T 資訊
 
美國國防部與海空軍共同進行之計畫，供美軍所使用。
目前免費提供給民間使用其定位訊號
所有權屬於美國交通部
高精度三維座標及時間測量系統
全天候
即時且連續的訊號輸出（每秒一次），可供量測定位使用。
Wed Mar 16 00:27:09 CST 2011

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Selective Availability
   
為防止非美軍使用者得到太精確的定位資料﹐以至妨礙到美國的國家安全﹐ 所以在供給民間使用的訊號上﹐另外加入所謂的S/A(SelectiveAvailability)效應 干擾訊號﹐降低民用GPS接收機定位精確度。
 
95%的接收狀況精確度在直徑100公尺內
 
5%的接收狀況在直徑300公尺內
   
這樣的精確度已滿足大部份民間定位作業的需求�
   
可以利用差分定位法(DifferentialGPS,DGPS)提高定位精度到2~10公尺內
Wed Mar 16 00:27:09 CST 2011 Untitled Document
GPS 衛星分佈狀況
   
1994 年完成第24顆衛星發射
   
24 人造衛星分佈在 六個軌道，每個軌道4顆衛星，55 度角繞地球運行
   
每秒一次對地面發送RF訊號
   
距離地球表面約 20,000公里
   
每12小時繞行地球一週
Wed Mar 16 00:27:10 CST 2011 Untitled Document
NAVSTAR GPS/Block II specs
Wed Mar 16 00:27:10 CST 2011 Untitled Document
GPS 發展沿革
1957.10.4 蘇聯發射第一顆人造衛星
二大大戰期間美國開發精密導航系統
1958.12月美海軍開始建構子午衛星系統
1964 年建構完成供軍方使用
1967.7.29 開放提供民間使用
17978 開始建構目前的定位衛星系統
1983. 美國政府承諾提供GPS免費的服務
Wed Mar 16 00:27:11 CST 2011 Untitled Document
衛星定位的原理
 
利用三角測量原理達到定位目的�
 
接收器接收至少三個衛星的訊號，計算接收器所在位置。
   
利用信號傳遞時間計算未知點與衛星之距離，再利用三角定位法定位
   
銫原子鐘（十萬年誤差一秒）
 
三角定位法
   
每個SV在運行時﹐每個時間點都有一個座標值﹐這個座標值是已知的
   
GPS接收機所在位置的座標是未知值
   
至少同時接收到3顆衛星的訊號﹐可獲得二度空間定位(經緯座標)
   
至少同時接收到4顆衛星的訊號﹐可獲得三度空間定位(經緯座標及高度)
   
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﹐都會降低定位的精準度。
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GPS的用途
 
用途十分廣泛﹐舉凡需要做地面定位的工作﹐均可利用GPS來達成
1.資源調查﹐土地探測 例如﹕森林區、山坡地違規開發查報工作。 使用GPS可順利導航至可疑之變異點﹐並直接查詢調閱地籍圖等相關資料以利研判。
2.導航定位:車輛,航空,航海 例如﹕汽車衛星導航系統﹐於美國日本已相當風行﹐ 臺灣仍在萌芽階段。在可預見的未來﹐所有的飛行器將使用GPS做導航的標準設備﹐ 在飛機起降的時候﹐無須依賴機場地面的導航設備。
3.大地測量﹐一般測量 傳統的三角測量事一件十分辛苦的事﹐特別是在地面三角測量點缺乏﹐ 地標不明顯的時候﹐測量工作格外困難。GPS定位則無須仰仗地面控制點﹐ 只要在沒有遮蔽的情況下﹐幾乎不受地形地物的限制﹐所以使用GPS作為測量的工具﹐ 大大改善了傳統測量的不便。 精確度需求越高的測量工作﹐需要越高精度的GPS﹐當然也就越昂貴。
4.製圖 電子地圖之製作及粗略地形圖之製作。地圖的數化有很多種﹕ 將已存在的紙面地圖用數位版數化､或使用掃描器掃描至電腦中﹐ 再進行螢幕數化或自動數化。我們可使用GPS在車輛行進的時候﹐ 每隔一段時間將道路點(WAYPOINT)記錄下來﹐如此便完成粗略的地圖數化工作。
5.任務派遣:貨運,救護,消防,警政 這類應用方向﹐是將GPS配合無線電傳輸﹐可將各車輛所在位置動態傳回派遣中心﹐ 以利調度工作。當然﹐如果運用在大眾運輸工具﹐ 可利於一般大眾於候車時了解班車抵達的狀況﹐如﹕目前車行進到哪裡了?車速如何? (塞車狀況)預計何時可抵達﹖等相關訊息。
6.登山定位,山難協尋 GPS可準確的定位、定向﹐在開闊的地方使用GPS定位﹐配合地形圖可以非常準確的 了解目前所在位置﹐而不會因人為判斷錯誤而迷路。我們也可將GPS配合無線電傳輸﹐ 將登山人員所在位置傳送至山難協尋中心﹐以利救難搜尋工作。
7.精確定時 由於GPS定位需要非常精確的時間﹐每顆GPS衛星上都有精密的原子鐘﹐ 所以GPS接收機可以接收到精確的時間資訊。
8.軍事 GPS發展目的﹐一開始就是考慮軍事的用途﹐所以舉凡戰機、戰艦、戰車、飛彈、 相關軍事人員及攻擊目標物的精確定位﹐均仰賴GPS完成。
Wed Mar 16 00:27:12 CST 2011 Untitled Document
Reference
Study on ionospheric delay in GPS standard positioning service Hada, T.; Tanaka, T.;SICE 2004 Annual Conference Volume 1, 4-6 Aug. 2004 Page(s):226 - 229 vol. 1
Pototype software-based GPS receiver for reflected signal analysis Manandhar, D.; Shibasaki, R.;Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2005. IGARSS '05. Proceedings. 2005 IEEE International Volume 7, 25-29 July 2005 Page(s):4689 - 4692
Wed Mar 16 00:27:12 CST 2011 Untitled Document
GPS 訊號
   
SPS ：採用C/A 碼作編碼，使用L1 Band (Link 1, 約1575.42MHz)
   
PPS：又稱為P Code，使用 L2 Band(Link 2, 約為1227.6MHz）
   
Y Code
GPS 訊號內容
Wed Mar 16 00:27:12 CST 2011 Untitled Document
造成GPS 產生誤差原因
大氣層的影響 太陽黑子
地球自轉 多路徑(multi-path)訊號傳送誤差
電離層延遲電磁波的傳輸速度約5-100ns
電離層的形成原因
 
X光及紫外線造成氣體分子離子化所形成
D layers 50-90km
E layers 90-130km
F1 layer 130-210km
F2 layer 210km
Wed Mar 16 00:27:13 CST 2011 Untitled Document
Differential GPS 差分式定位方法
 
利用兩個不同地點的GPS接收器收到的數值來作比較，以提昇精確度
 
利用多路徑訊號作量測
   
反射訊號對GPS來說是雜訊
   
GPS 訊號通是右旋回偏波
   
反射訊號取決於反射物質的材質或物理特性
   
LHCP & RHCP 天線分別收集GPS訊號
   
雙天線量測法架構
Wed Mar 16 00:27:13 CST 2011 Untitled Document
量測資料分佈圖
Wed Mar 16 00:27:14 CST 2011 Untitled Document
RHCP & LHCP 天線
Wed Mar 16 00:27:15 CST 2011