GPS,GPS是什么?GPS原理

GPS,GPS是什么?GPS原理

GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱，而其中文簡稱為“球位系”。GPS是20世紀70年代由美國陸?？杖娐摵涎兄频男乱淮臻g衛星導航定位系統 。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、 全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰略的重要組成。經過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。在機械領域GPS則有另外一種含義：產品幾何技術規范(Geometrical Product Specifications)-簡稱GPS。

GPS原理
　　GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出。而用戶到衛星的距離則通過紀錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當GPS衛星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發射導航電文。GPS系統使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復周期一毫秒，碼間距1微秒，相當于300m；P碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛星信號中解調制出來，以50b/s調制在載頻上發射的。導航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每三十秒重復一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數據塊，其中最重要的則為星歷數據。當用戶接受到導航電文時，提取出衛星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛星星歷數據推算出衛星發射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。
　　可見GPS導航系統衛星部分的作用就是不斷地發射導航電文。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個Δt即衛星與接收機之間的時間差作為未知數，然后用4個方程將這4個未知數解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛星的信號。
　　GPS接收機可接收到可用于授時的準確至納秒級的時間信息；用于預報未來幾個月內衛星所處概略位置的預報星歷；用于計算定位時所需衛星坐標的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個衛星不同，隨時變化）；以及GPS系統信息，如衛星狀況等。
　　GPS接收機對碼的量測就可得到衛星到接收機的距離，由于含有接收機衛星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。
　　GPS接收機對收到的衛星信號，進行解碼或采用其它技術，將調制在載波上的信息去掉后，就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻 移影響的衛星信號載波相位與接收機本機振蕩產生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數也是不知道的，即整周模糊度，只能在數據處理中作為參數解算。相位觀測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、并有一段連續觀測值時才能使用相位觀測值，而要達到優于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值。
　　按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據一臺接收機的觀測數據來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導航定位。相對定位（差分定位）是根據兩臺以上接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應采用相位觀測值進行相對定位。
　　在GPS觀測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時還要受到衛星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應選用雙頻接收機。

近年來，GPS 可說是發展相當迅速的一個產業，除了以往的車用導航專用設備外，PDA 也加入了 GPS 功能（雖然 PDA 功能也被併入手機內了），而手機內建 GPS 功能已經不是什麼新鮮事，連相機也要內建 GPS 定位功能。

本文將介紹 GPS 的原理以及生活上的應用。

定位原理－三邊測量

以最簡單的說法來說，GPS 定位就是利用三邊測量原理算出使用者在地球上的座標。我們複習一下三邊測量 (trilateration)：假設你現在在臺北市某不知名的地方，而有人告訴你：你現在離臺北車站 (P1) 3 公里，離市政府站 (P2) 4 公里，離公館站 (P3) 3 公里，只要知道這些地方的座標以及這些地方離你的距離，就能推算出你所在的位置 B。而在海上時，某些時候即使只知道兩點，也能推測出自己的位置（譬如說兩個可能的位置其中一個是在陸地上）。

以上是 2D 平面上的三邊測量，而 GPS 則是運用 3D 的三邊測量，這裡有簡易的動畫可以幫助了解。那麼，使用者的裝置又要怎麼利用這個原理得知現在所在的位置呢？

GPS 系統的構成

我們先來介紹 GPS 整個系統的模樣。首先，像 GPS 這樣的定位系統泛稱為 GNSS (Global Navigation Satellite Systems)－全球衛星導航系統。目前實際使用中的最廣為人知的就是美國的 GPS (Global Positioning System)，另外還有俄羅斯的 GLONASS，正在發展中的歐洲 Galileo 及中國的北斗衛星導航定位系統。以下主要介紹美國的 GPS，但架構大致上都是相同的。

完整的 GPS 系統總共有三個部分：太空中的衛星 (Space Segment)、地面管制站 (Control Segment)，以及使用者接受端 (User Segment)。

衛星

目前使用中的 GPS 衛星共有 31 顆（2009/1；列表可見 GPS Constellation Active Nanu Status），分布在六個軌道面，每個軌道面至少有四顆衛星，在任何位置與時間使用者都可至少接到 4 顆衛星訊號以進行定位。衛星距離地表 20,183 公里，每 11 小時 58 分鐘公轉一週。

地面管制站

負責追蹤監測及維持 GPS 衛星的運行，以及分析整理 GPS 訊號並實行需要的修正回傳至 GPS 衛星。

使用者接收端

使用者手上的 GPS 裝置，可計算所在位置。

GPS 定位方式

前面提到 GPS 定位原理是利用三邊測量，那麼我們又要拿什麼來當計算的參考點呢？就是天上的 GPS 衛星。衛星會不斷向地面廣播資訊，這些資訊包括：我是幾號衛星，我的位置，時間訊息等許多資訊。有了當使用者手上的 GPS 裝置接收到這些訊號，就得知了他所收到的衛星訊號來自哪一顆衛星，以及他在天上的位置，只要有足夠的資訊（夠多的衛星），就能計算出自己的位置。

不過還有一個問題－我跟衛星有多遠？由於衛星訊號是用廣播的，因此使用者的距離跟衛星的距離也是不固定的，因此為了三邊測量，我們還得有我們與衛星之間的距離才有辦法計算出來自己的位置。

每個衛星所發射的訊號裡面，也有包括時間訊號，衛星上有搭載精確的原子鐘，因此能傳送精準的時間，由於使用者與每個衛星之間的距離都不同，因此能夠推算出時間，以及根據時間差去計算出與每個衛星之間的距離（因為已知光速，乘上傳輸時間就能得到距離）。數學計算在此略過不提。

也因為有時間資訊的關係，GPS 接收器上面通常不需要自己設定時間，因為當你定位完成時，就擁有正確的時間了。

整理一下，整個流程就是：接收各個衛星的訊號，利用時間資訊計算出與衛星的距離，再利用三邊測量就能得知自己所在位置。一般來說，需要四顆以上的衛星，會得到較為精確的定位資訊。

GPS 定位的應用

車用導航

能夠定位之後，就能有許多相關應用了，最普遍的應用就是汽車導航。GPS 汽車導航系統目前成長最快的就是個人導航裝置－PND (Personal Navigation Device，也有人說 P 是 Portable)，也有越來越多車子出廠時就搭配車內的導航系統。目前全球 PND 市佔率最大的兩家廠商是美國的 Garmin 以及歐洲的 TomTom。日本是目前 GPS 汽車導航使用率最高的國家，以往多是車內裝設的為主，現在 PND 領域也逐漸成長，Sanyo、Sony 等廠商也有 PND 產品。上圖是 Garmin 最新的 PND。

所謂汽車導航就是：給定一個目的地，導航系統會根據各種條件及限制算出一條路徑，並且搭配語音或畫面指示駕駛在適當時機轉彎，譬如在上圖中，畫面就是在指示稍後要在路口左轉。

若要有導航指示，那麼單單定出你在地球上的經緯度是沒有用的，還要有地圖才行，也就是所謂的「圖資」。在 GPS 裝置中，有的可以搭配電子地圖，儲存著道路的各種資料（譬如道路的名稱、速限、等級、車道等）。除了道路以外，還有 POI (Point of Interest)，也就是供使用者查詢的點位資料，如餐廳、醫院等各種資訊，可以讓使用者直接查詢想去的地方。

由於現實生活中，道路及景點不斷地在改變，因此地圖的更新頻度也是使用車用導航的一個重要因素。

PND 還能進一步搭配交通資訊 (TMC, Traffic Message Channel) 讓使用者能得知現在的路況，導航系統也會據此改變路線規劃。日本的 VICS (Vehicle Information and Communication System) 則提供更為豐富的資訊，包括停車場、簡圖等資訊。

行人導航

而在手機紛紛內建 GPS 之後，行人導航也逐漸成了下一代 GPS 發展的方向之一。由於車子跟行人的特性相差甚多，因此所需要的圖資大不相同，連規劃的方式都有所改變（譬如說，公園就是行人可穿越的）。而大眾運輸的查詢也相當重要，從甲地到乙地，行人導航能夠告訴你如何走到某個車站，搭什麼車，怎麼轉乘，下車後如何走到目的地。Nokia 現在正在積極投入這塊領域。

戶外、運動

登山等戶外運動也有專門的 GPS，主要訴求在於防水，並且加上羅盤、高度計等功能。另外也有搭配跑步、腳踏車用的，甚至能連接心律記錄器，回家後還能檢討在各路段的表現。

記錄

每隔一段時間（譬如一秒鐘）記錄一次 GPS 定位的位置，連起來就成了軌跡 (GPS track log)。最陽春的 GPS logger 裡面完全沒有地圖，只能在回來以後連到電腦上，將軌跡讀出來以後，在地圖上呈現（譬如顯示在 Google Earth 中），也能將自己走過的路以及高度變化剖面圖分享給其他人。更進一步則可以將所拍攝的照片依據軌跡時間加上地點資訊，稱為 geotagging。

其他

• 軍事：美國之所以發展 GPS 系統，最開始的目的就是軍事用途，利用 GPS 達到精準定位及導航（例如導彈）。
• 航空、航海：可用來作導航，譬如避開暗礁，導引更為省燃油的路線等。
• 測量：有了 GPS 以後，以往的大地測量方式因此改變，透過 GPS 定位方式，所得到的測量數據更為精確。
• 車隊管理：監控車輛位置，派車管理等。
• 安全追蹤：追蹤兒童或老人的位置。
• 對 GPS 的誤解

GPS 導航會將資料送回衛星
不是的，GPS 裝置只有接收衛星訊號並算出自己所在位置的能力，不可能將訊號送回衛星。之所以會有此誤解，是來自於像是車隊管理（可監視車輛位置）、安全追蹤等應用會將位置回報，但其實回報並非透過衛星傳輸，而是搭配手機通訊將資訊傳到某個中心。

用 GPS 要另外付費
只要你有 GPS 裝置，那麼接收衛星訊號並計算出現在所在位置是不用再另外付什麼月租費之類的。但是如果你用的是網路型的 GPS 導航（也就是說，地圖不是存在機器裡，而是即時透過手機網路連線下載或是其變形），則要另外付費，但這個費用跟定位本身沒有關係。另外，電子地圖更新如果收費也與 GPS 定位本身無關。

導航是可以完全相信的

很多人常常會以為買了車用導航的 GPS 以後，就完全相信他的指示，這是不對的。第一，地圖資料可能是舊的，就算是新的，也無法保證沒有錯（譬如不能左轉的地方，卻沒有建立這筆資料而叫你左轉），因此實際上駕駛還是得依照實際情形應變才行。請看看這張圖，由於 GPS 的地圖資訊錯誤，常有車子進入後卡在那裡，因此當地只好立塊牌子 “Do Not Follow SAT NAV”。另一張圖。奉勸各位開車時還是要看著外面的路況與指示牌，不要一直看著導航機??！