全球衛星定位系統

全球衛星定位系統 GPS(Global Positioning System)是一種橢圓形軌道衛星導 航系統。它最主要的功能尌是提供使用者定位、高精度的時間標準及測速等功 能。而 GPS 系統的發展歷史相當久遠，最初是用來協助搜尋敵人位置，但在西 元 1983 年時一架美國客機在蘇聯上空發生空難之後，當時的美國政府隨即開放 部分 GPS 功能供一般使用者使用，以避免類似的空難事件再次重演，而在西元 2000 年時而美國更進一步的宣布解除影響 GPS 定位精確度的干擾碼後，尌此帶 動了 GPS 產業的蓬勃發展(陳彥明，2006；劉文亮，2008)。而除了美國的 GPS 系統外，全世界尚有其他國家發展出類似 GPS 的定位系統，例如：蘇聯的 GLONASS，這套系統所使用的定位編碼技術十分複雜，因此難以開放給一般企 業或民眾使用，故 GLONASS 系統便日漸式微，但近年來由於蘇聯共產體系瓦 解與科技進步，蘇聯政府開始重視一般民間產業的發展，擬將 GLONASS 系統 開放給一般使用者使用，以促進產業界的蓬勃發展(吳明哲，2007)。

在台灣目前所使用的GPS系統皆為美國的系統。而美國的GPS系統基本上是 由空間衛星、地面監控和使用者接收端這三大部分所組成(劉仁筑、鄔志仁，

2008)。空間衛星部份是由二十一顆導航衛星及三顆備用導航衛星所構成。目前 這二十四顆導航衛星航行於地球周圍的六個軌道面上，其繞行地球一圈約花費12 個小時，而每個軌道面上有四個衛星，在一天當中每顆衛星會依相同路徑繞行地 球兩圈，並且每一秒發送一次定位訊號如圖2-1所示。衛星的分布點可以讓全球 的任何地方、在任何時間都能接收到四顆衛星以上所發送的衛星訊號，故GPS提 供了全天候、全球性與即時性的連續定位功能。而地面監控部分主要分為主控台

(Master Control Station；MCS)、地面天線(Ground Antenna)與監測站(Monitoring Station)三大類。主控台最主要的任務是分析各個監測站所收集到的GPS衛星資 料，並透過這些資料分析每顆衛星所航行的軌道是否正確並進行衛星上原子鐘的 時間校正。而地面天線最主要任務即是將分析完畢的航行軌道資料傳送至每顆衛 星以進行航行軌道資料的更新。至於監控站部分，其最主要的目的即是取得GPS 衛星觀測資料並將這些資料傳送至主控台以進行整合及分析。最後在使用者接收 端部分即是一般使用者所使用的具有GPS訊號接收功能的工具，它主要尌是負責 接收GPS的衛星訊號，並將衛星訊號進行分析以獲取所需的導航和定位資料如圖 2-2所示。隨著美國完全開放GPS供民間使用後，許多廠商紛紛投入GPS軟硬體的 開發；近年來GPS接收器強調以攜帶方便及容易使用為主要的訴求，甚至有業者 將GPS接受器與行動載具進行整合，而在911事件後，美國各個業者更積極的將 GPS接受器融入手機中，如此當使用者發生緊急危難時只需啟動手機當中的GPS 接受器，便可以迅速的告知救援者目前其所在的位置以縮短救援時間，增加受難 者存活機率。

圖2-1 GPS衛星軌道圖

圖2-2 用戶端接收使用GPS示意圖

GPS衛星所發出的訊號與GPS接受器之間並無法直接進行通訊，必頇透過 NMEA標準才能互相傳遞訊 息 。 NMEA (The National Marine Electronics Association )是美國海軍所訂定的航海電子儀器介面與資料的通訊協定。在GPS 的訊號格式方面又可分為GPGGA、GPRMC、GPGSA及GPGLL等，下圖2-3為 GPGGA訊號。在GPGGA的訊號當中，「$」符號代表一個訊號的開始，而在每 個訊號當中包含了的位置相關資訊，而每一個資訊都以逗號做分隔。

圖2-3 GPGGA訊號範例

接著我們將依據Viacheslav(1996)的說明並以上圖2-3GPGGA為範例解釋各個定 位資訊所代表的意義：「$GPGGA」是指目前GPS所接受的訊號是以GPGGA格 式 為 主 ； 而 「 095031.254 」 是 代 表 目 前 定 位 的 時 間 為 03 時 50 分 31.254 秒 ；

「2101.9891」代表目前所在位置的緯度為2101.9891；「N」表示目前位於北半球，

若於南半球則為S；「12133.8101」則表示目前所在位置的經度為1213.8101；「E」

代表位於東半球，若於西半球則為W；「1」代表GPS的定位品質，其共有0、1、

$GPGGA,095031.254,2501.9891,N,12133.8101,E,1,07,7.0,123.9,M,15.0,M,0.0,0000*74

2，三種代號。0表示未定位，1為普通定位，2則代表使用差分定位；「07」代表

林成翰(2004) GPS/GIS/RS應用於南部橫貫公路邊坡災害環境風險評 估模式之建置與應用

根據上述相關文獻所示目前GPS的發展大多侷限於商業用途、動植物保育或 大地測量，對於教育方面的應用特別是行動學習上仍在少數，因此本研究將利用 GPS所具備的準確定位特性，來發展出一套行動學習系統，將可為GPS發展出另 一環應用領域。