第二章 理論基礎與文獻回顧
第一節 全球定位系統
所發展的全球定位系統(NAVSTAR/GPS，Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System，簡稱 GPS)，希望以衛星導航為基礎的 技 術 可 構 成 主 要 的 無 線 電 導 航 系 統 。 GPS 前 身 是 美 國 海 軍 開 發 的 TIMATION (TIMe And navigaTION)系統和美國空軍的 621B 的兩個專案合 併而成，美國國防部將其改命名為 NAVSTAR/GPS(Easton, 1980)。
GPS 主要架構可分為三個部分:太空部分(Space segment)、控制部分 (Control segment)與使用者部分(User segment)。太空部分，GPS 衛星在離地 球表面上約為 20200 公里上空的圓形軌道上，圓形軌道的優點在於增大地
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是否依照軌道運行，皆須由地面設備進行監測與控制，地面監控系統還須 保持每顆衛星處於同一時間標準系統，因此，必須計算衛星時間有關的改 正數，進而由導航信息傳送給使用者，以確保處於 GPS 時系。使用者部分，
能夠接收 GPS 衛星訊號及資料處理之接收儀，都可稱之為使用者；由於 GPS 的用途廣泛，使用者可依目的不同，而使用不同功能、精度的接收儀。
在 1980 年，第一台商用的接收儀問世後，由於 GPS 的高精度、快速、經 濟、全天候等諸多優點，使 GPS 技術廣泛用於導航、大地測量、海上測量 級至圖等領域。GPS 開始的主要目的是能夠在陸海空三個領域內蒐集資 料、核爆監測及緊急通訊等用途。但經由 GPS 測詴衛星之應用證明，除上 述用途外 GPS 衛星導航定位信號在靜態定位可達到公分甚至公厘等級精 度，動態定位可到公尺甚至公寸等級精度以及毫微秒(10-9秒)級精度的時間 測量。
圖 2-1、GPS 衛星分佈圖
GPS 衛星定位測量可在任何時間，任何天候，在對空通視良好之地點 進行觀測，計算接收儀所在位置之坐標。GPS 系統具備功能多、精度高、
觀測時間短、抗干擾性能好、保密性強、操作簡便、可全天候作業並可提 供三維的坐標等特色，可應用於各種導航定位及各類測量和科學研究。
GPS 的訊號結構包含三種訊號分量:載波、測距碼和導航訊息（又稱數 據碼或 D 碼），每一個 GPS 衛星可發射兩種載波（Carrier Wave）來傳遞各
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擬隨機噪聲碼（Pseudo Random Noise，PRN)有兩種，一種為 C/A 碼 (Coarse/Acquisition Code)，另一種為 P 碼(Precise Code)。其中 L1 載波上調 制 C/A 碼和 P(Y)碼，L2 載波上只調制 P(Y)碼；C/A 碼為民用碼 SPS(標準 定位服務)，P(Y)碼為軍用碼 PPS(精密定位服務)，它們的頻率分別為 1.023MHz 及 10.23MHz；載波上除了載有 C/A 碼及 P 碼外還有衛星導航訊 息(Navigation Message) (Wells et al., 1986)。GPS 衛星定位是一種距離量測的定位方法，主要的觀測量有兩種：虛
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c：真空中之光速，等於 299792458（公尺/秒）
dt：接收儀時鐘誤差（秒）
GPS 定位方式可分成單點定位(Single Point Positioning)或稱絕對定位 (Absolute Positioning) 以 及 相 對 定 位 (Relative Positioning) 或 稱 差 分 定 位 (Differential Positioning)。單點定位的基礎，即為空間距離的後方交會，是 使用單一的測站接收衛星訊號解算地面坐標(圖 2-2)，其定位精度較差，常
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傳統單點定位由於許多誤差皆未予完善改正，例如:衛星和接收儀時鐘 差、軌道誤差等，因此精度在靜態定位只能到達公尺等級(Seeber, 2003)，
近年來有精密單點定位（Precise Point Positioning, PPP）技術，利用雙頻的 載波相位觀測量組成無電離層觀測量，並以精密的衛星星曆和衛星時鐘差 改正等資料，有效消除軌道誤差以及衛星的時鐘誤差，提升定位的精度。
然而，對於單頻接收儀而言，無法利用雙頻觀測量組成無電離層觀測 量，導致電離層延遲成為單頻單點定位最大的誤差源(彭德熙，2008)。有鑑 於此，本研究期望構建區域的電離層模型，此改正模型可即時的估計出電 離層延遲的改正量，讓單頻使用者使用後，能有效的減弱電離層延遲誤差 對定位或導航的影響。
圖 2-2、單點定位示意圖(曾清凉、儲慶美, 1999)
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圖 2-3、相對定位示意圖(曾清凉、儲慶美, 1999)
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