Global Positioning System 的應用

GPS 行之有年,因商業的需求,包括導航,救災及手持裝置等使用，其已普及於日常生活。其工作原理為定址於外太空固定軌道的衛星(座標會因外太空引力會變更)

。GPS 完成於1994年平,共計24顆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。

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。

                          Fig 1: 利用衛星基本三角定位原理

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。

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)及Almanac。

                       Fig. 2 GPS 資料單一「框架」的結構

Pseudo random code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Pseudo random code即是一顆衛星的身份證(ID code)。其衛星編碼從1至48。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Pseudo random code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。

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。

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，而計算出每一衛星道接收機的距離。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)。接收機繼續不段地更新您的位置，所以它可計算出您的移動方向及速度。

                    Fig.3 GPS 接收的資料

另外影響GPS接收機準確度的因素是衛星的地理位置(satellite geometry)，satellite geometry是指以接收機為基準，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﹐都會降低定位的精準度。衛星與衛星的角度小時，相對於角度大時，會產生較大的定位誤差。若四顆衛星各分佈在東、西、南、北，則此時各衛星訊號交會面會更小，會使定位精度更高，既使有SA也可達100呎或更好的準確度。

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。但接收機接受到很多衛星時並不一定更精確，這還與衛星在天空的位置(azimuth and elevation)也會影響其精確度。

另外會影響其精確度的是叫”多重路徑”。簡單的說多重路徑就是無線電波被障礙物所反射。多重路徑的實例就是以往黑白及彩色電視機利用天線接收時，電視會發生多重影像，現在電視接電纜線再也不會發生這種情況。衛星訊號也會發生訊號受到反射而延遲到達接收機的時間，這會使接收機認為衛星北實際位置更遠，但這誤差不會超過15呎。其它誤差還有受大氣層的影響含離子層及對流層，內部時鐘誤差。

                       Fig.4影响GPS 接收資料精準度的來源