3.1 全球衛星定位系統
全球衛星定位系統 GPS(Global Positioning System)為美國國防部為軍事目地 所發展之全球定位系統，而後開放給學術和商業等方面進行研究與應用，目前由 擬訊號(Pseudo-Random Noise, PRN)，與接收衛星的訊號進行相關分配，當兩訊 號達到最大相關十，將得到傳播訊號的時間延遲(time delay)，距離可由光速與所
C/A 電碼(Coarse/Acquisition)則為基本頻率的十分之一(1.023MHz)。載波訊號 L1 頻率為基本頻率的 154 倍；L2 則為基本頻率的 120 倍。因此，C/A 電碼波長約 為 293 公尺，P 電碼波長則為 29.3 公尺。載波訊號 L1 及 L2 之波長分別為 19 公
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分及 24 公分。由於載波訊號波長比較電碼訊號為短，因此載波訊號在較要求高 精密的應用上是比較被選擇使用的(El-Rabbany, 2002)。
GPS 定位方法有二大類：相對定位(relative positioning)，為本研究所使用之 定位方法，將在 3.2 節中詳細介紹；單點定位(point positioning)，以單一觀測站 所接收之衛星訊號進行定位，通常用於導航定位和即時定位。精密單點定位 (Precise Point Positioning, PPP)是近來的一項趨勢，此技術廣泛應用於 GPS 動態 定位中(Kouba and Herox, 2001; Satirapod and Homniam, 2006; Ge etal., 2008)，使 用了國際 GPS 服務機構(Global Navigation Satellite System, GNSS)所提供之 GPS 精密星曆和精密時錶誤差，以無電離層影響的載波相位和電碼組合觀測值為觀測
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差分處理消除；週波未定值與週波脫落經由 GPS 定位計算軟體即可偵測與解決；
天線相位中心則須在施測前先行統一率定；天線高的測量是依靠人為觀測，只需 小心觀測即可。
3.2 相對定位：動態差分定位
相對定位的基本原理在於使用兩部衛星訊號接收儀，其中一部需設置在已 知座標點上，也就是衛星控制點，稱為主站或基站(base station)，而另一部則設 置在待測座標點上，是為待測站或稱移動站(rover)。測得兩測站間的基線向量後，
再根據主站的已知座標進行計算得到移動站座標，如圖 3.1 所示。若待測站在接 收衛星訊號的過程中相對一固定點無任何位移量，即為靜態觀測；反之，若對一 固定點處於運動狀態，即為動態觀測，此類差分定位稱為動態差分定位(Kinematic Relative Positioning, KRP)。
圖 3.6 GPS 相對定位示意圖
差分定位系統採用相對定位的原理，即同時對 2 個或 2 個以上的測點進行訊 號接收和聯合解算，利用觀測方程式之間的相減消除多餘參數，如時錶誤差和電 離層延遲誤差，再以此相減後之方程式進行必要參數的計算，如座標值，差方的 方式可以藉此消除大部分測站間的共同誤差而獲得較高精度之定位成果。差分方 式包含一次差、二次差、三次差，當中一次差可消除衛星時錶誤差及軌道誤差；
二次差可更進一步消除接收儀時錶誤差；三次差則可消除週波未定值。以上差分
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模式皆有助於減低固體潮影響、電離層以及對流層的延遲誤差(陳逸如, 2010)。
而根據誤差改正量是即時或非即時傳給待測站，可分為即時動態差分和後處理動 態差分，本研究所使用之方法即為後處理動態差分。
後處理動態差分將移動測站所收集之 GPS 數據寫入儲存設備，待測量任務 完成後取出並使用軟體將基站與移動站之資料進行處理解算以達到差分目的。為 了得到高精度的定位成果，可使用高精度的精密星曆進行解算，另外也可以對觀 測資料的品質進行篩選，包括檢查載波相位資料品質、電碼資料品質、觀測資料 平滑化、偵測週波脫落與週波脫落補償等(陳逸如, 2010)。本研究所使用之高精 度 精 密 星 曆 可 由 IGS(International GNSS Service,
http://igscb.jpl.nasa.gov/) 或
CODE(Center for Orbit Determination in Europe, ftp://ftp.unibe.ch/aiub/CODE/)自行 下載，IGS 及 CODE 免費提供各級精密星曆供各界使用，唯高精度精密星曆須於 觀測當日起 12~18 日後方得下載。對於船載重力測量、地層下陷研究等非即時性 但需要高精度的測量工作，後處理動態差分是較理想的選擇；其缺點為無及時通 訊數據傳輸，無法即時獲得定位成果以檢視，意即若有操作疏失或數據資料品質 不佳，沒辦法及時調整，必須重新施測。依據參考站數量分為兩類，單參考站及 多參考站：單參考站為使用單一固定站作為相對定位的參考點(基站)，與移動站 進行二次差分解算，亦為本研究所使用之方法；多參考站為使用多個固定站作為 相對定位的參考點，將觀測資料組成網形解算，此法有能夠穩定解算的特點，特 別是在於靜態解算時能夠相當有效的提升待測點座標的精度，然而用於動態解算 時，因待測站為持續移動變換座標位置之移動站，若要將所有移動路徑都組成網 形進行解算，便會造成資料量龐大、運算耗時等問題(陳逸如, 2010)。21
3.3 TRACK GPS 動態差分定位解算
本研究所使用之 GPS 定位解算軟體為 GAMIT/GLOBK 下之動態定位模組 TRACK 。 GAMIT/GLOBK 為 美 國 麻 省 理 工 學 院 (Massachusetts Institute of Technology, MIT)、美國加州大學聖地雅哥分校海洋科學研究所(Scripps Institution of Oceanography, SIO)與 Harvard-Smithsonian 天文物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, CfA)共同研發之高精度 GPS 科學解算軟體(Herring et al., 2008)，而 TRACK 則是麻省理工學院地球、大氣與行星科學系(Department of Earth Atmospheric and Planetary Sciences, EAPS)所發展之解算動態 GPS 數據之後處理 分析計算模組，作業環境需架構於 UNIX/Linux。所有 GAMIT、GLOBK 與 TRACK 相關使用資料與手冊皆可至其官網下載(http://www-gpsg.mit.edu/~simon/gtgk/)。
以下關於 TRACK 的介紹主要參考官網提供之文件檔並結合自行解算經驗。
TRACK 處理程序共分兩大部分，預處理與主要處理。TRACK 的執行是依 靠 一 指 令 批 次 檔 (command file) ， 預 處 理 部 分 首 先 會 需 要 讀 取 精 密 星 曆 檔 (SP3/NAV file)以取得衛星軌道和時錶資訊，接著讀取觀測資料檔(Rinex Obs. file) 處理其檔頭轉換為 TRACK 所需檔案格式並輸出 X file，接著先計算得一初步解 以作後續應用；主要處理第一步先讀取觀測資料檔以及預處理中所得之 X file，
而後先求解電碼解、週波未定值解算及週波脫落偵測、模式選定處理(AIR、
SHORT、LONG)、載波相位求解、定位成果分析(Bad data)、成果輸出，最後除 定位成果外同時也會有 TRACK 對解算成果之評估數據。處理流程如圖 3.2。
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Read in Command
Initialize Solution Process Obs. Head File Process Sat. Information
Read Obs. Data
Code KF Process
WL Ambiguity Check Cycle Slip Check
Model
Phase KF Process
Post Data Analysis Cycle Slip, Bad Data...
Output
Ambiguity Search SP3 / NAV file
Rinex Obs. file
X file