第二章 GPS 之發展及其應用
第二節 全球定位系統原理
全球定位系統採取三維空間定位方式 13，地面接收端在任何天候下接收 到三顆衛星所發射出的無線電波訊號後，得以推算出接收端之所在位置。而 為了修正誤差，通常會加入第四顆衛星之資訊。且「差分 GPS14」（Differential Global Positioning System，簡稱 DGPS）可以附加校正訊號以計算大氣干 擾的問題，使 GPS 接受器的精準性達到 1-3 公尺，而經過技術的改善，目前 的精準度已經可以達到 30-50 公分。衛星定位系統成功發展後，民間之應用 需求隨之增加，用途不僅限於國防軍事，亦應用於航海、油源的探測、地球 科學方面15。另外一種日常生活所常見的應用方式係安裝於車輛之 GPS 導航
12 https://zh.wikipedia.org/wiki/GPS%E4%BF%A1%E5%8F%B7，最後瀏覽日期，2015 年 1 月 26 日。
13 詹明華、李文章，全球衛星定位系統在犯罪偵防上之應用，刑事科學，59 期，2005 年 9 月，頁 2。
14 差分全球定位系統（Differential Global Positioning System，簡稱 DGPS 或差分 GPS），是一 種應用於全球定位系統中用以提高民用定位精度的一種技術，實際上是把一台 GPS 接收機放在 位置已精確測定的點上，組成基準台。基準台接收機通過接收 GPS 衛星信號，測得並計算出到 衛星的偽距，將偽距和已知的精確距離相比較，求得該點在 GPS 系統中的偽距測量誤差，再將 這些誤差作為修正值以標準數據格式通過播發台向周圍空間播發。附近的 DGPS 用戶接收到來 自基準台的誤差修正信息，以此來修正自身的 GPS 測量值，從而大大提高其定位精度。
差分技術的基礎是： 在同一地區內，GPS 緩慢變化的系統誤差，包括選擇可用性(SA)誤差，對 基準台及其鄰近用戶的影響是相同或相近的。應用差分技術可有效地削弱 SA、電離層延遲、大 氣層延遲、星曆誤差、衛星鐘誤差，達到米級定位精度。參考 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%
B7%AE%E5%88%86%E5%85%A8%E7%90%83%E5%AE%9A%E4%BD%8D%E7%B3%BB%E7%BB
%9F，最後瀏覽日期，2015 年 1 月 26 日。
15 曾清涼，同註 4，頁 13。
系統，以此導航系統搭配電子地圖，即能提供駕駛到達目的地最佳之路線16。 利用 GPS 定位之方式大概可分為絕對定位與相對定位。絕對定位係指使 用一部接收機以接收人造衛星訊號，且須接收四顆以上的人造衛星訊號，藉 由人造衛星的軌道元素計算出人造衛星位於太空中的座標，另外，結合人造 衛星接收的虛擬距離觀測量17，即可透過計算得知接收機的所在位置。絕對 定位的精確度約數十公尺，此係因為受到系統誤差，例如：軌道誤差、電離 層遲延等原因之影響。而相對定位至少須使用兩部以上的接收機，必須將其 中一部接收機放置在已經知道其座標的觀測站，此觀測站稱為參考站，另一 部放置在未知座標觀的觀測站則為移動站。在相對定位中，因為參考站和移 動站大多數的誤差來源具有空間上的關聯性，故可使用差分之方法，消除大 部份的系統誤差，藉此提高定位的精確度18。RTK19即係以此概念，消除、降 低系統性誤差、達到高精度即時動態定位。衛星傳送訊息大致上可分為下列 幾個步驟20：
一、 數位壓縮處理：將欲傳送的資料做數位壓縮的處理，把聲音、影像編碼 壓縮為 0 與 1 的數位訊號。
二、 載波發射：將訊號加入載波，再以地面發射站的 21 公尺天線發射至太 空。
三、 衛星運轉：衛星轉頻器接收到地面的上鏈訊號後加以放大，後降頻為下 鏈訊號並發射至涵括的區域，此乃有如鏡面反射光線之原理。
四、 地面接收：接收的時候需要的天線大小因下鏈訊號的強弱及訊號內容的
16 黃清德，同註 10，頁 83。
17 虛擬距離是利用衛星接收器本身所產生的 GPS 複製電碼與所接收到衛星電碼之間的時間偏移
（time shift）或時間延遲（time delay），再將偏移量乘以光速，即得出虛擬距離。每個 GPS 衛 星上均具有頻率穩定的電子鐘，時間偏移係因衛星與接收器內的電子鐘誤差以及大氣折射的影 響所產生的偏差量，因此，測量的距離稱之為「虛擬距離」。參考http://140.121.160.124/gps/c ompute.htm，最後瀏覽日期：2015 年 1 月 26 日。
18 張詒翔、楊名，電子化全球衛星即時動態定位系統應用於車載移動製圖平台定位表現之研究，
國土測繪與空間資訊，2 卷 1 期，2014 年 1 月，頁 67。
19 即時動態定位（Real - time kinematic，RTK）的原理是利用高精度的載波相位觀測量，透過通訊 設備把參考站的觀測資料以及座標即時傳送至移動站，且採取差分的方式，減少移動站與參考 站之間的共同性誤差。張詒翔、楊名，同前註，頁67。
20 蔡尚峰，同註 11，頁 15。
多寡而有不同。
五、 解碼：接收下鏈訊號之後須將其還原成數位壓縮處理前的訊號。然而，
為了避免訊號被他人所接收，訊號發射端得在壓縮前用特定方式編碼，
嗣後，接收端解壓縮時，則須以原本特定的方式解碼後始能獲得訊息。
第二項 時間系統
GPS 時間系統是以 1980 年 1 月 6 日 UTC21（Universal Time Coordinated）
算起，UTC 係銥原子時間系統，是為了配合平均太陽日與地極運動的 UT
（Universal Time）時系所重新定義的時間系統。GPS 時間系統與 UTC 時間 系統相差整數的秒數，其在 1994 年 6 月的定義如下：
GPS Time=UTC Time +10sec22
每一顆衛星都有個別的時錶，且與 GPS 時間系統的誤差值透過地面監視站、
主控站、地面控制站把時間修正的參數回傳至衛星，如此便得將衛星時錶做 同步的運行。另外，GPS 接收器亦有時錶，然非屬於 GPS 時間系統，因此在 這之中又存有一個偏差值，需要經過解算始能求得23。
第三項 座標格式
GPS 以「地球中心慣性座標」（Earth-Center Inerial Coordinate System，
ECI）呈現 GPS 衛星的軌道與位置變化的資料。而以「地心固定座標24」
21 UTC 指的是世界協調時間（又稱世界標準時間、世界統一時間），是經過平均太陽時(以格林威治 時間GMT 為準)、地軸運動修正後的新時標以及以「秒」為單位的國際原子時所綜合精算而成 的時間，計算過程相當嚴謹精密，因此若以「世界標準時間」的角度來說，UTC 比 GMT 來得更 加精準。其誤差值必須保持在0.9 秒以內，若大於 0.9 秒則由位於巴黎的國際地球自轉事務中央 局發佈閏秒，使UTC 與地球自轉週期一致。參考 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%8F%E8%
B0%83%E4%B8%96%E7%95%8C%E6%97%B6，最後瀏覽日期，2015 年 1 月 26 日。
22 1997 年 3 月的定義增加為 11sec。
23 吳昭興，應用 GPS/GIS 於汽車導航系統設計之研究，國立臺灣大學造船及海洋工程學研究所碩 士論文， 2000 年，頁 9。
24 地心固定座標簡稱地心座標系，係以地心為原點的地固座標系（亦稱地球座標系），是一種笛 卡兒座標系。原點（0,0,0）為地球質量中心，Z 軸與地軸平行指向北極點，X 軸指向本初子午
（Earth-Center Earth-Fixed Coordinate System，ECEF）顯示 GPS 在地球 表面的位置，包含經緯度、高度等資料。惟，這兩種座標系統所預設的前提 是地球為一圓形的球體，且以穩定的速度及固定的軸心運轉。但地球的外型 實際上並非正圓形，而是呈現橢圓狀，針對預設與實際狀況的差異必須修正 之。美國國防部於 1984 年欲將地球中心重力不規則的狀態呈現出來而建立 新的地球標準物理模型，伴隨產生的座標系統即為目前全球定位系統採用的 Word Geodetic Sysem，1984（WGS-84）座標系統 25。此系統的中心點為地 球質量中心，另外，考量到地球的不規則性，定義了地球的兩個半徑，分別 係通過南極與北極的短半徑以及以赤道為圓周的長半徑。若以座標軸的概念 來看，地球質量中心即為座標的原點，X 軸通過格林威治子午線並與國際時 間局26（Bureau International de l'Heure，BIH）定義的零子午線圈平面 平行，而 Z 軸係與國際時間局定義的慣用地形北極方向平行，Y 軸則與 X 軸、
Z 軸垂直。X 軸、Y 軸、Z 軸三軸座標分別為經度、緯度、高度。台灣地圖慣 用的 TWD97（TAIWAN DATUM 1997）座標系統相較於 WGS-84，二者之間的定 位值存在有數公分到數十公分的誤差，而 TWD97 座標系統乃政府於 1997 年 使用 GPS 時定義的大地座標系統27。
第四項 GPS 誤差因素之分析
線與赤道的交點，Y 軸垂直於 XOZ 平面（也就是東經 90 度與赤道的交點）。無論是地球上任一 點或是在外太空的衛星，對會以其本身的（x,y,z）座標來標示位置。參考 https://zh.wikipedia.or g/wiki/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E5%9C%B0%E5%9B%BA%E5%9D%90%E6%A0%87%E7%B3%BB，
最後瀏覽日期，2015 年 1 月 26 日。
25 唐志傑，應用 GPS 定位資訊於無線電密文交換作業之研究，國防大學管理學院資訊管理學系碩 士論文，2015 年 6 月，頁 35。
26 國際時間局為國際性的時間服務機構。1912 年 10 月在巴黎由法國經度局組織的國際會議上提 議成立，1922 年開始活動，總部設於巴黎。其主要的任務是：收集和處理世界上各天文台的測 時測緯結果，提供精確的世界時和經緯度測量結果；主持天文台的國際經度聯測，提出其經度 採用值；提供國際原子時和協調世界時的各種資料；建立並維持一個全球自洽和穩定的參考坐 標系；開展關於世界時和極移測量和處理以及地球自轉理論的研究等。它通過定期出版各種 報告向全世界發播資料。1988 年起改組，它的業務活動分別由國際地球自轉服務和國際計量局 承擔 。參考 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%BD%E9%99%85%E6%97%B6%E9%97%B4%E5%
B1%80，最後瀏覽日期，2015 年 1 月 28 日。
27 吳國華，運用視覺偵測可視衛星遮蔽在 GPS 定位精度之改善，國立台灣科技大學電子工程系碩 士論文， 2015 年 5 月，頁 11。
GPS 系統實際運作的過程中，有多種因素可能導致定位精確度的誤差，
各種誤差因素28嘗試分述如下：
一、 衛星時鐘誤差：每一顆衛星皆配置高精度的原子鐘，原子鐘的時間與 GPS 的時間並未同步，且因頻率產生器的穩定度的不同，原子鐘會產生 偏移的現象，地面主控站可以藉由連續的監控進一步確定數值的大小，
之後再以訊號的方式提供予使用者。時鐘振盪器的穩定性對於衛星的壽 命有所影響，原則上，衛星的壽命大概僅有七年左右，而時鐘將會隨著
之後再以訊號的方式提供予使用者。時鐘振盪器的穩定性對於衛星的壽 命有所影響，原則上，衛星的壽命大概僅有七年左右，而時鐘將會隨著