第二章 GPS 之發展及其應用
第一節 全球定位系統
第一項 全球定位系統之緣起
全球定位系統（Global Position System 縮寫為 GPS），亦稱為全球衛 星定位系統，起源於 1973 年美國國防部結合空軍「NAVSTAR」與海軍
「TIMATION」計畫而研發以供美軍使用，能夠在陸海空內提供核爆檢測及緊 急通訊等用途之單向導航系統 4。GPS 實施計畫可分為三個階段5：
第一個階段：在 1973 年到 1979 年間，一共發射四顆試驗衛星，並從硬體與 軟體著手，研發製造地面的接收機與地面追蹤網。
第二個階段：1979 年至 1984 年則發射了七顆試驗衛星，同時證實 GPS 的定 位精確度不僅達到預期的標準，甚至比預期的標準更高，因此奠定日後全面 研究、發展的基礎。
第三個階段：自 1989 年第一顆 GPS 工作衛星成功發射之後，即宣告全球定 位系統已經從試驗階段正式進入實用階段。
1978 年至 1985 年之間發射之衛星乃第一代衛星，不具備「選擇適用 6」
4 曾清涼，衛星定位最新發展，中華民國地籍測量學會會刊，19 卷 2 期，2000 年 6 月，頁 12。
5 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A8%E7%90%83%E5%AE%9A%E4%BD%8D%E7%B3%BB%E7%B B%9F，最後瀏覽日期 2015 年 1 月 25 日。
6 GPS 信號分為民用的標準定位服務（SPS，Standard Positioning Service）和軍規的精確定位服務 （PPS，Precise Positioning Service）兩類。由於 SPS 無須任何授權即可任意使用，原本美國因為擔 心敵對國家或組織會利用 SPS 對美國發動攻擊，故在民用訊號中以人為的方式加入選擇性誤差
（即 SA 政策，Selective Availability）以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在 100 公尺左右；
軍規的精度在十公尺以下。經過 SA 干擾降低精確度後的 GPS，對於河道、汽車的導航即顯現其 不足之處，遑論於救難、搜索工作的進行，更是無法提供準確的定位。在冷戰結束之後，於不影 響國家安全的前提下，美國在 2000 年取消民用 GPS 的 SA 干擾限制，故民用和軍用的 GPS 誤差 皆為十公尺，但仍可依情況以及需要而選擇性地干擾某些區域的 GPS 使用。參見 https://zh.m.wiki pedia.org/zhtw/%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 25 日。
（Selective Availability，SA）及「反欺騙7」（Anti-Spoofing，AS）的 能力。而 1985 年後發射的第二代衛星則已具備此等能力。在 1991 年的波斯 灣戰爭當中，GPS 即展現其在人員定位以及武器攻擊上的精確度，由於這場 戰爭的勝利，衛星太空電子偵測的應用具有關鍵性的影響力，因此，美國國 防部將此次戰爭稱作「第一次太空戰爭」8。1995 年，美國航空管理局（The Federal Aviation Administration）始正式將 GPS 從軍事用途解禁並擴展 於陸地以及航海的應用，此乃導因於 1983 年蘇俄誤擊因導航系統發生問題 以致偏離航道飛入蘇俄領空之大韓航空 007 號班機，美國總統 雷根 期能防 免客機遭受誤擊的情況再次發生，即開放 GPS 供民航所使用9。
系統主要運作結構分別為衛星、地面控制站以及應用端系統。GPS 衛星 由 24 顆衛星組成，每顆 GPS 衛星上裝置有 4 個極為精準的原子鐘，分別為 兩個銣原子鐘以及兩個銫原子鐘，衛星高度距離地表大約 20200 公里，每個 軌道間呈現 55 度角，大約每 11 小時 58 分繞行地球一周。地面控制站之組 成結構分別為地面天線站（Ground Antenna）、監控站（Monitor Station）、
主控站（Master control Station），而其功能在於追蹤、檢查定位衛星。
主控站係位於馬里蘭州蓋瑟斯堡的空軍基地，而六個監控站分別位在科羅拉 多州的福爾康空軍基地（Falcon Air Force Base）、加州 Onizuka 空軍參謀 部備用監控站、馬紹爾共和國瓜加林礁島（Keajalein Attoll）、太平洋夏 威夷島、南太平洋亞松森島（Ascension Island）、印度洋迪亞哥賈西亞島
（Diego Garcia）。 地面天線作為一個介面以供訊號之發射及接收；監控站 係用於檢查衛星高度、位置、標號；主控站則負責下載衛星資料並檢測之，
若有誤差即加以修正。應用端系統包括接收天線、訊號接受器、訊號傳送及 處理設備 10。
7 美國國防部為防止敵方對 GPS 信號進行電子欺騙和電子干擾而應用於全球定位系統上的一種技 術手段。
8 林明武、林輝龍，導航衛星於電子戰作為之研究，國防雜誌，25 卷 5 期，2010 年 10 月，頁 7 9。
9 莊武能，使用衛星定位追蹤器偵防犯罪之法律爭議探討，中國文化大學法律研究所碩士論文，2 009 年 6 月，頁 8-10。莊武能，使用衛星定位追蹤器跟監之法律問題探討，警學叢刊，39 卷 3 期，
2008 年 11 月，頁 120。
10 黃清德，科技定位追蹤監視與基本人權保障，元照出版有限公司，2011 年 11 月，頁 84。
第二項 人造衛星
人類對於發射衛星的構想最早出現於 牛頓 認為依據萬有引力的定律，
所有被拋射出去的物體都將以拋物線的軌跡落到地球上。再者，若拋射的速 度到達一定程度，該物體會以失重狀態落向地球並繞著地球公轉，此時即成 為地球的衛星。無線電波正式在十九世紀末期被使用於通訊方面，經過長時 間的經驗累積，載波頻率持續的擴展，而不同的波段則分別運用於不同性質 的訊息傳播上。於此之中，關鍵性的發展為微波發射，因為微波的應用，使 得電波通訊不只在訊息容量，亦在傳送的品質的部分有所成長。然而，地球 表面並非完全平坦，當遇到凹凸不平的表面時，微波面臨到傳送的困難。為 了找尋更高的定點作為中繼站，此時，衛星即為一個很好的選擇，而要克服 地球的萬有引力則需要火箭將衛星送至同步軌道。為了使衛星正常運作於軌 道上，考量到的因素非常多，例如溫度高低、方向偏離。衛星在太空當中的 溫差可達到攝氏數百度，衛星內部的精密組件可能受到影響。但衛星方向的 控制亦是一個難題。由於地球並不是正圓的球體，地球與衛星之間的距離會 產生變化，另外，宇宙中星球間的引力會讓衛星在軌道上的位置和角度有所 改變，若無適時的修正，可能使得衛星掉落到太空之中。近期遙控技術與軌 跡追蹤逐步改良，可以隨時將衛星位置修正的指令送至衛星以修正衛星所產 生的飄移11。
第三項 GPS 衛星訊號
GPS 衛星振盪器的信號基本頻率為 10.23MHzf0，發射出的兩種 L-Band 電磁波分別為 L1 和 L2 之載波，藉由這兩種載波可以調變為兩種虛擬隨機的 雜訊碼（PRN Cord），一種是 C/A 碼（Coarse/Acquisition Code），是用於 進行粗略測距和捕獲 P 碼的粗碼，也稱捕獲碼，頻率為 1.023MHz。C/A 碼是 一種公開的明碼，可供全球用戶免費使用。但 C/A 碼一般只調製在 L1 載波 上，所以無法精確地消除電離層延遲。另一種則是 P 碼（Precise Code），
11 蔡尚峰，新傳播科技—“衛星系統”簡介，中學工藝教育，30 卷 2 期，1997 年 2 月，頁 13-14。
是精確測定從 GPS 衛星到用戶接收機距離的測距碼，也稱精碼。與 C/A 碼不 同的是 P 碼調製於 L1 與 L2 載波上。經過調變後的 GPS 載波上主要具備 C/A 碼、P 碼、廣播星曆三種訊息，在 GPS 接收器接收到這三種訊息之後即可計 算出目前所在位置12。