1-1 研究背景
導航是獲取載台在各個時刻的位置、速度與姿態等參數的一門學問，在西元 前數世紀，世界各地的文明，如中國、希臘等，即發展了關於導航的概念及方法。
在十五、六世紀航海時代來臨後，導航的必要性更是與日俱增，所需的感測器如 量測方向之羅盤儀(compass)、量測速度之計程儀(log)等更成為不可或缺之工具。
二十世紀後，隨著航空工業與無線電之發展，許多新型導航系統因而誕生。1929 年左右，發展出方向陀螺儀，成為最常被用來提供姿態參數之感測器。1973 年，
美國國防部為了軍事定時、定位與導航之目的，發展了全球定位系統(Global Positioning System, GPS)，從此為導航定位寫下嶄新的一頁。
GPS的發展提供了使用者準確的位置、時間與速率等資訊，但在許多應用中，
使用者不只需要上述資訊，亦欲獲得移動載台的姿態參數。在常見的移動載台導 航系統中，除了GPS所提供的位置坐標、速率、時間資訊外，載台的方位資訊常是 由慣性導航系統(Inertial Navigation System, INS)所提供的。因此，一般導航應用中 常利用GPS及INS整合的系統來同時獲得準確的三維位置坐標、速率、姿態參數以 及時間資訊等。
INS是利用慣性感測裝置(Inertial Measurement Unit, IMU)中的加速規與陀螺儀 來推算各時刻的位置與姿態。INS依據精度之不同，可分為戰術級、導航級與戰略 級 (莊智清與黃國興，2001)。此系統的優勢在於可不需外來訊號即可完成定位，
且不受電磁波干擾，在無法接收到足夠GPS訊號時仍能正常運作，這點在大樓林立 的都市區域十分有用。然而，INS所提供的位置與姿態參數之誤差皆會隨時間累 積。此外，INS在使用之前，必須先進行起始校正以去除系統誤差以及獲得初始姿
2
態，而此起始校正往往耗時過久，無法即時啟動。
雖然GPS原本是用來做為定位與計時的系統，但利用GPS來解算姿態參數的技 術在近年來亦受到廣泛的討論。而在利用GPS求解姿態參數的應用上，可分為單天 線與多天線兩種，其中又以多天線之精度較高。多天線GPS是利用GPS測量來獲得 內部天線向量，透過坐標轉換的概念來解算姿態。利用兩個以上獨立且靠近的天 線，多天線GPS系統可精確估計移動載台之姿態參數。
1-2 研究動機與目的
姿態參數在許多應用中皆扮演著重要且不可或缺的角色，如在一般飛行載台 的導航中，需有姿態參數以進行導航姿態定位、航空攝影測量之解算外方位參數、
光達坐標系統與區域坐標系統之連結、海上施工平台之姿態定位、工程應用上如 施工機具之對位與機器人定位等。
目前廣泛應用於求取姿態參數之 INS 可不需倚賴外來訊號完成定位，且隨著 材料科學之發展精度較以往提高了許多，但其有誤差隨時間累積以及需要起始校 正的問題。除了INS 之外，目前 GPS 具有相當高的定位精度，且被廣泛的用於各 個領域，許多相關的技術也逐漸被發展出來，如將多天線GPS 技術所獲得之天線 坐標應用於大地監測或作姿態參數之解算，雖具有相當高的精度且無誤差累積之 問題，但有訊號遮蔽的問題以及成本較低等級之INS 高出許多。INS 與 GPS 兩種 系統皆各有其優缺點，而在姿態定位的領域中，利用陀螺儀來求解的技術已被廣 為接受且漸趨成熟，且目前鮮少有人利用GPS 來解算姿態參數，因此本研究欲探 討利用多天線GPS 技術進行姿態定位之技術，並配合高效率以及高可靠度之求解 姿態參數的方法，期望能建立一套以多天線GPS 技術為基礎的載台姿態定位最佳 分析方式。
1-3 論文架構
第一章為前言與研究動機；第二章介紹了相關背景，包含姿態參數的定義、
常見的姿態定位技術以及相關的應用；第三章則介紹了多天線GPS 解算姿態參數 之原理以及可用之解算方法，分別介紹了最小自乘法與5 種非迭代解法；第四章 為實驗部分，以模擬資料進行之方法驗證，並將所提之方法落實到實際實驗任務 上；第五章為結論與未來工作建議。