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二、論文架構
本論文架構包含五個章節，各章節內容如下:
第一章緒論，說明進行本研究之動機與目的，其次說明研究方法與界 定研究的範圍，最後是研究流程與論文章節架構。
第二章理論基礎與文獻回顧，第一、二節是回顧全球定位系統和電離 層概論等理論基礎，第三節是探討全電子含量(TEC)的計算與相關公式以及 L1/L2 差分延遲的估計方法，第四節闡述類神經網路的原理及特性，以及倒 傳遞類神經網路之理論與工作原理，最後蒐集並整理目前國內外關於構建 區域電離層模型之相關研究文章、論文，進而說明本研究之可行性。
第三章介紹用類神經網路構建區域電離層模型的方法，首先說明資料 處理的流程，接著敘述如何使用類神經網路來構建區域電離層模型，最後 介紹驗證構建出的區域電離層模型功效的方法。
第四章實驗成果與分析，將實驗分成三個部分，第一部分是測詴階段，
主要對類神經網路類型(隱藏層、訓練函數等)做簡單的測詴，接著對於使用 IPP(Ionopheric Pierce Point)點與網格點資料參與類神經網路訓練的成果，以 統計分析圖表呈現，最後分析構建出的區域性電離層模型之成效。
第五章結論與建議，總結研究的成果，對於不同的輸入參數與資料型 態對於構建之區域電離層模型成果之影響，並提出建議與注意事項，以供 後續研究者對於利用類神經網路構建區域性電離層可以繼續努力之方向。
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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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第二節 電離層物理概論
一、電離層結構
構成電離層的主要成分是游離氣體所組成之電漿態，為物質的第四 態。地球表面上空約 50 至 1000 多公里皆為電離層區域，Appleton 根據其 電子密度隨高度不同，提出電離層分層結構，主要分為 D、E、F 層。D 層 距地面約 50 公里至 95 公里，其最大電子密度約 2.5*109個/每立方公尺，
在晚上因為正負電荷迅速復合而消失，濃度降低到可以忽略，為電離層的 最低層。E 層約在距地表 95 公里至 140 公里的高度，離子化程度比 F 層輕 微但比 D 層嚴重，電子密度白天約 2*1011個/每立方公尺，為最早被發現的 電離層。F 層在 E 層上方，白天又可分離為 F1 與 F2 兩個層峰。F1 層約在 距地表 140 公里至 220 公里的高度，F2 層高於 220 公里。
電離層的最大電子密度出現在 F2 層峰，白天可以達到 2*1012個/每立 方公尺，到了夜間 F1 層與 F2 層又合併成為 F 層(Yeh and Liu, 1972)。圖 2-4 的左側顯示電離層各層所對應的高度；圖中為典型的電離層電子密度依高 度分布情形，可發現白天電離層密度較夜晚大；右側顯示電離層與對流層 跟 GPS 衛星的高度位置。(詹劭勳, 2004；楊銘仁，2004)
圖 2-4、電離層密度大小與相關位置分佈圖(詹劭勳, 2004)
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二、電離層的電子密度變化特性
電離層電子密度大小變化不僅隨著高度變化而改變，它還與地球自轉 有關，更直接受太陽活動的影響，因空間與時間的不同而變化(Klobuchar, 2001；Wild, 1994)：
(一)隨地理區域的變化
電離層密度變化隨地理位置不同而異。低緯度區在白天可能會有赤道 異常(Equatorial Anomaly)現象，又稱 Appltton 異常，Martyn 於 1947 年基於 電子漂移理論，認為赤道電離層等離子在電力漂移的作用下向上漂移到遠 大於 F2 層的高度，沿磁力線擴散造成雙峰現象，此即所謂的噴泉效應 (Fountain effect)(熊年祿、唐存琛、李行健，1999)，其中台灣即位於電離層 變化活躍的赤道異常範圍以內(圖 2-5)。中緯度是電離層變化較帄緩的區 域，較少劇烈的變化。極區的電離層變化是在短時間之內會有不穩定的情 形，主因是太陽高能粒子碰撞大氣造成中性氣體離子化現象，使電子密度 突增引起電場衰減，稱為極蓋吸收(Polar Cap Region)；此外極光的出現也 會使電離層結構更為複雜。
圖 2-5、隨地理區域變化之電離層分佈圖(詹劭勳，2004)
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(二)隨時間性的變化
地球自轉的過程中，向陽面受太陽光照射，故電子密度增加；反之背 光面的太陽輻射低，電子密度也較低。一般而言，電子密度的高峰期出現 在下午兩點左右，中午的電離層高峰密度的高度較低，夜晚則較高(圖 2-6)。
電離層也會受到季節變化的影響，夏季電子密度高，冬季則較低。
圖 2-6、電離層高峰密度的預測高度圖(Komjathy,1997) (三)隨太陽活動的變化
電離層產生的主要原因是受到太陽能量影響，形成游離帶電粒子，因 此太陽的活動會影響其所提供的能量，使電離層產生變化。通常使用太陽 黑子數(Sunspot Number)來表示太陽活動對電離層的影響，黑子數多代表太 陽活動越劇烈，反之則較緩和。帄均而言，太陽黑子的周期約為 11 年，圖 2-7 為 NASA (National Aeronautics and Space Administration)對太陽黑子在第 24 個週期預估的變化圖。當太陽黑子活動太過旺盛會有爆炸的現象，此時 會出現太陽閃焰(Solar Flare)現象，此時太陽風將高能量的帶電粒子吹往地 球，進而影響地球的磁場，造成磁暴現象(Geomagnetic Storm)。由於地磁受 太陽風壓縮影響，使磁場產生變化，磁場又影響到電場變化，使電離層電 子密度會急速上升，此現象為電離層暴現象(Ionospheric Storm)，這種情況
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會使 GPS 訊號受到影響，使觀測品質降低。(Davies, 1990；McNamara, 1991；
Tascione, 1988；彭德熙，2008)
圖 2-7、第 24 週期太陽黑子預估圖(NASA 網站) http://solarscience.msfc.nasa.gov/
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第三節 全電子含量(TEC)計算公式
本研究以全電子含量（TEC）來衡量電離層延遲誤差所帶來的影響，
其中全電子含量(TEC)的定義、電離層延遲公式及電離層薄殼模型將在本節 中介紹，接著說明以 GPS 的虛擬距離與載波相位觀測量估計 TEC 值的有關 公式。
一、全電子含量 (一)定義
如圖 2-8，假設在 GPS 衛星和地面接收儀之間，有一截面積為 1m2的 圓柱體套著電磁波訊號路徑，此圓柱體內所含之電子總數量稱為 TEC (Total Electron Content，全電子含量)，令 el 代表一個電子，則 TEC 的測量單位 TECU (Total Electron Content Unit, TECU)之定義如下：
1TECU 1 10 16 el m/ 2 (2-5)
圖 2-8、全電子含量(TEC)的定義（李振燾, 1995）
(二)電離層延遲公式
電離層延遲效應的大小與 GPS 衛星傳送電磁波路徑沿線之全電子含量 有關，因此全電子含量與因電離層延遲效應所產生距離（或時間）的改正
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下式表示（Seeber, 1993)：ion 2
c：光速，等於 299792458（公尺/秒）
C：常數，等於 40.3m〃Hz〃(el/m2)-1 (Coco et al., 1991)
相同頻率時，虛擬距離觀測量與載波相位觀測量，受到的電離層延遲 量相同但符號相反，‘＋’對應虛擬距離，‘－’代表載波相位觀測量。再由(2-7 式)可得到一個 ns (nanosecond)的電離層延遲約等於 2.85TECU，1TECU 的
相同頻率時，虛擬距離觀測量與載波相位觀測量，受到的電離層延遲 量相同但符號相反，‘＋’對應虛擬距離，‘－’代表載波相位觀測量。再由(2-7 式)可得到一個 ns (nanosecond)的電離層延遲約等於 2.85TECU，1TECU 的