全球衛星定位系統(Global Positioning System,GPS)源於 NAVSTAR 衛星,由美國國防部於1973年開始發展,是美國陸、海、空三軍利用衛星研究三點定位技術的開始,共費時20年,花費超過120億美元所建立的精確衛星導航定位系統。自1978年首顆衛星成功發射定位,並於1993年10月起正式全天候三度空間定位,至目前已有24顆衛星在太空中執行導航,以提供陸海空使用者精確、持續、全天候、全球性航行、位置和時間的資訊。

 

GPS整個系統約分成下列三個部份:

 

1.太空衛星部份:由 24 顆繞極衛星所組成,分成六個軌道,運行於約 20200公里的高空,繞行地球一周約12小時。每個衛星均持續著發射載 有衛星軌道資料及時間的無線電波,提供地球上的各種接收機來應用。

 

2.地面管制部份:這是為了追蹤及控制上述衛星運轉,所設置的地面 管制站,主要工作為負責修正與維護每個衛星能保持正常運轉的各項參 數資料,以確保每個衛星都能提供正確的訊息給使用者接收機來接收。

 

3.使用者接收機:追蹤所有的 GPS衛星,並即時地計算出接收機所在 位置的座標、移動速度及時間。

 

一般民間所能擁有及應用的,就是第三部份。計算原理為:每個太空衛星在運行時,任一時刻都有一個座標值來代表其位置所在(已知值),接收機所在的位置座標為未知值,而太空衛星的訊息在傳送過程中,所需耗費的時間,可經由比對衛星時鐘與接收機內的時鐘計算之,將此時間差值乘以電波傳送速度(一般定為光速),就可計算出太空衛星與使用者接收機間的距離,如此就可依三角向量關係來列出一個相關的方程式。

 

接收機就是依上述原理來計算出所在位置的座標資料,每接收到一顆衛星就可列出一個相關的方程式,因此在至少收到三衛星後,即可計算出平面座標(經緯度)值,收到四顆則加上高程值,五顆以上更可提高準確度,這就是 GPS的基本定位原理。一般來說,使用者接收機每一秒鐘的座標資料都是最新的,也就是說接收機會自動不斷地接收衛星訊息,並即時地計算其所在位置的座標資料,如此使用者便不需擔心是否接收機顯示的資料太舊或是不準確了。

 

GPS系統中,其衛星點的位置皆是由星曆所提供,而星曆依其來源的不同又可分為精確星曆與廣播星曆。在導航定位中,所使用之星曆為廣播星曆。

 

這些星曆參數及其它的改正參數,是由GPS的地面監視站,將觀測衛星所得之數據及所蒐集到之大氣資料傳送到主控站,再由主控站進行軌道計算並推算時錶同步誤差及電離層改正等。之後,由主控站傳回衛星之內以更新導航訊息內的資料。

 

GPS衛星離地面距離的量測可透過二種方式計算,一為虛擬距離(pseudo range)量測,一為載波相位(carrier phase)量測。

 

虛擬距離量測

GPS衛星上裝置有非常精準的原子鐘,其振盪器產生的頻率藉由無線電波,以光速(186,000哩/秒,3×108公尺/秒)傳送到地面,地面接收器雖無類似GPS衛星上所具備的精準原子鐘,但多數的接收器皆能量測達十億分之一秒的準確度,於是接收器便同步的在同一時間產生同樣的碼,接收器接收到GPS衛星的訊號後往前推,加以比對即可比對出相同的碼為多久前產生,而此段時間延遲即為GPS衛星無線電波傳達到地面所需的時間,此時間差與光速的相乘積即為GPS衛星與地面接收器間的距離,亦稱虛擬距離。

 

載波相位量測

利用載波相位量測GPS衛星離地面的距離,其原理亦同虛擬距離之量測,亦即GPS衛星本身廣播之載波相位與接收器所產生之相位間的差值,此差值與載波波長之相乘積即得距離量。

 

GPS在導航應用上,大都採用電碼之虛擬距離(Pseudo-range)定位,然而在P電碼受限制使用,且C/A電碼精度不高的情況下,尤其在SA(Selective Availiability)開啟使用後,對需要高精度導航而言,便需要一套系統能對利用C/A電碼的定位精度有顯著的改善。DGPS即是針對改善GPS利用電碼精度而發展出來的系統。

 

DGPS是利用差分方式可消去兩個GPS測站間於訊號接收時所產生之大部份共同誤差而得較高精度定位的系統。以虛擬距離觀測而言,此一系統是利用一已知精確座標之GPS測站作為基站(Reference station),由參考站接收衛星資料並計算基站位置與衛星位置之間的距離,此一計算距離與參考站所測得之虛擬距離的差值 (稱為虛擬距離差),或是直接由利用測得虛擬距離計算參考站之座標和參考站實際座標間的分量差,當成修正值( correction),經藉由數據傳送的方式傳送至移動點(汽車或航行器)的接收器而進行修正,以提高未知測站之精度,這種位差改正的數據傳輸方法也可改由移動站上傳回至基站上進行,可以由兩種不同的數學模式來求解。一般採用虛擬距離修正法,整個系統可採用即時定位(Realtime)或後處理(Postprocessing)的方式進行。

 

由於美國對伊拉克的沙漠戰役中,大量使用GPS,並發揮很大效果。相對使得一般商業民間接收器能快速發展,且變得既輕小又便宜,甚至發展成為一種新興的公用事業(Utility)。其利用範圍已由飛機、船隻的導航(Navigation)擴展至測量、航空測量或利用差分導航定位(DGPS)進行土地測量,此外與地理資訊系統(GIS)或遙感探測(RS)及其屬性資料結合應用於環保、醫療、防災、交通運輸上等更是目前熱門研究項目。

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