研究理論及文獻回顧

2.1 衛星定位之多路徑效應及 NLOS 誤差

全球導航衛星系統是近二十年來定位及導航 的主要技術核心，藉由人造衛星傳遞訊號，為使 用者提供高準確性、連續性、全球覆蓋的三維的 位 置 和 速 度 訊息 (Kaplan and Hegarty, 2005) ； 但 GNSS 仍會有許多造成誤差的因素，如衛星及接收

機的時錶誤差、衛星軌道誤差、大氣層誤差等，

此些典型的系統誤差多數可透過物理或數學模型，

如基於差分解算(Differential GNSS, DGNSS)技術來 消除或減緩，然而對於多路效徑應或 NLOS 卻無法 產生效果(Hsu et al., 2016)。

多路徑效應及 NLOS 常出現於遮蔽物密集的都市 地區，城市的高樓設計建築物會大面積阻擋衛星 訊號，此種誤差大小及方向受障礙物和訊號間幾 何關係影響，其導致的路徑延遲誤差(Path delay)可 達數十公尺，其理論上導致的潛在誤差是無上限 的(Unlimited) (Groves, 2013)。圖 2 為多路徑效應及 NLOS 接收示意圖，其中綠色線為直接由衛星傳遞 至接收機的訊號(Line-of-Sight, LOS)，紅色線為經 由如建物等障礙物反射的訊號 。多路徑效應及 NLOS 現象最大的差異在於是否接收 LOS 定向訊 號，雖然兩現象的成因及效果皆不盡相同，但多 路徑效應及 NLOS 在市區時常一起發生，使得車用 導航誤差量級難以估計，因此如何分類及減緩此 種 狀 況 是 都 市 地 區 衛 星 定 位 必 須 處 理 的 議 題 (Groves, 2013)。

圖 2 多路徑效應(左)及 NLOS(右)接收示意圖

多路徑效應為在衛星訊號傳播過程中，若部 路徑效應(Groves, 2013)。

目前已有許多多路徑效應減緩方案：硬體方 面如雙極化天線(Dual-polarization Antennas)僅接收 非反射訊號(Groves, 2013)，或陣列天線可同時接 收以進行反射訊號削弱(Ray, 1999)等，但在觀測量 定位精度的損失(Jiang and Groves, 2012)；另外，使 用差分定位機制以提升定位成效，由於參考站與 transportation system, ITS)導航系統的性能。常見的 地圖匹配方法包含用已知路面向量資訊比對定位 解的幾何分析法、參照地理資訊系統資料分析方 法中的相位分析(Topology)計算向量間的關聯性 (Greenfeld, 2002)、使用機率理論估計定位解和已 知圖資中關聯性的概率法，另外還有其他如卡爾 曼濾波器(Kalman Filter)、模糊邏輯法(Fuzzy logic) 等各式使用已知圖資輔助定位的地圖匹配方案

2.3 高精地圖(HD Maps)

圖 3 高精地圖示意圖 (Harsha, 2017)

台灣之高精地圖相關規範可參照高精地圖製 圖作業指引(TAICS TR-0010)，高精地圖屬於靜態 數據基本底圖資訊，目的是輔助精準導航與精確 and Orientation System, POS)，為產製高精地圖系統 平台之硬體規格需求。由於高精地圖尚於發展階 段，並無現成市區圖資可供測試，本研究使用高 階導航等級(Navigation-grade)整合式定位定向系統，

其系統規格及成果精度均符合台灣高精地圖製圖 作業指引所規範，並將高精度三維定位解以地理 資訊系統(Geographic Information System, GIS)中空 間分析的環域(Buffer)技術加寬成道路範圍之次公 慣性導航系統(Inertial Navigation System, INS)之高 階車載整合式定位定向系統，可蒐集大量公分級

圖 4 整合式定位定向解產製模擬高精度路面圖資 (Kaplan and Hegarty, 2005)。

P = ρ + c(dt − dT) + d + d + ... (1) 採用廣播星曆中提供之 Klobuchar 電離層改正模型 (Klobuchar, 1987)及 Saastamoinen 對流層改正模型 (Saastamoinen, 1972)進行大氣層誤差改正，藉以減 輕此系統誤差造成的影響以便後續定位及高精地 圖輔助計算。

本研究使用加權最小二乘法(Weighted Least Square, WLS)作為衛星動態定位計算，將觀測方程 式轉換成加權平差計算如式(2)。 解算後將粗差最大的觀測量刪除(Kuusniemi, 2005)。

接著使用地圖匹配的幾何分析法，在相同的平面

l − l

h − h + =

− − − 1

⋮ ⋮ ⋮ ⋮

0 0 1 0 ( )×

~ 0

0 ... (3)

其中，l − l為原始平差式(2)中的 L 矩陣，h − h 為 將 圖 資 提 供 之 高 程 資 訊 納 入 解 算 ， 表使用已知圖資的精度為高程約 制之權重。

圖 5 高精地圖輔助衛星定位流程