第三章 理論基礎和研究方法
第一節 虛擬基準站即時動態定位
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第一節 虛擬基準站即時動態定位
GPS 理論中，觀測量之類型、衛星介紹、差分解算方式因 GPS 相關技 術及理論大都已成熟完善，將不詳加描述。由於 VBS-RTK GPS 為 RTK 發 展而出，因此本節將先簡述 RTK 定位方式以及說明虛擬基準站即時動態定 位理論原理及解算流程，最後介紹服務區涵蓋全國之 e-GPS 即時動態系統 服務(國土測繪中心，2007)。
一、基本理論
RTK 係利用載波相位觀測量，透過無線電通訊設備，將基準站觀測資 料以及基準站坐標傳至移動站，並且採用差分方式，補償移動站與基準站 之間的共同系統誤差。移動站在動態的情況下求解週波未定值，達成即時 定位，見圖 3-1。於 RTK 定位中，在運動情況下求解整數週波未定值的方 式為 On-the-Fly(OTF)，此解算法能夠利用在短時間以少數資料即時求解整 數週波未定值，因此能夠滿足即時性動態定位的需求(Yang et. al., 1994)。
因此，與靜態測量比較起來，RTK 具有施測迅速、無須後處理以及高精度 即時定位之優點。
圖 3- 1 單主站 RTK 定位原理示意圖(詹君正，2007)
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NMEA( National Marine Electronics Association)格式傳回控制計算中心。VBS-RTK GPS 中虛擬基準站，並非真實存在，虛擬基準站觀測量之產生是 整合區域內基準站的資料並對各種距離相關的系統誤差如電離層、對流層 及軌道誤差進行模式化，再以內插的方式計算出虛擬主站位置上的系統誤 差量，並利用最鄰近基準站真實的觀測數據經過轉換得到虛擬基準站的虛 擬觀測量(Vollath et al., 2000; Wanninger, 2002)。接續與移動站的觀測數據 進行單一時刻短基線即時定位計算。VBS-RTK GPS 解算流程可歸納為四大 步驟，見圖 3-2，如下(詹君正，2007)：
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(3) 建立虛擬基準站觀測數據：
由控制及計算中心依據移動站單點定位坐標，接續透過區域誤差修正資 料庫內插出虛擬基準站位置上的系統誤差改正量，並結合最近的基準站 實際觀測資料產生虛擬基準站之觀測量後，以國際海運系統無線電技術 委員會(Radio Technical Commission for Maritime, RTCM)格式回傳至移 動站。
(4) 移動站坐標解算：
移動站接收儀以超短基線 RTK 定位解算單一時刻動態定位。
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(圖片來源：國土測繪中心http://www.egps.nlsc.gov.tw/ )
國土測繪中心所提供 e-GPS 服務即是以 VBS-RTK GPS 技術建立，依
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(4) 單人單機即可作業。
(5) 並無廠牌型號限制，接收儀本身具有可接收雙頻載波相位觀測資料且具 RTK 定位解算功能，並可輸出 NMEA 格式定位資訊功能模組即可。
圖 3- 3 RTK 與 VBS-RTK 於同等精度之下所需基準站數量示意圖 (圖片來源：國土測繪中心http://www.egps.nlsc.gov.tw/ )
二、e-GPS 即時動態定位服務
由國土測繪中心所建置 e-GPS 系統是以 VBS-RTK GPS 技術建置，服 務區由 78 點基準站組合而成(見圖 3-4)，分為十個服務區─基北桃竹服務區、
苗中服務區、彰雲服務區、南高屏服務區、台東服務區、花蓮服務區、宜 蘭服務區、連江服務區、澎湖服務區、金門服務區，見圖 3-5。e-GPS 衛星 定位基準站間間距以不超過 50 公里為原則高密度分布於全台各區。透過此 系統，服務區內基準站計算精確的改正數，再透過計算與控制中心以網路 方式提供使用者即時雙頻 L1/L2 差分改正量，改善單點定位精度。
使用者只需在移動站上架設 GPS 接收儀，並將位置資訊透過以全球行 動通訊系統(Global System for Mobile Communication, GSM)為基礎的整合 封包無線電服務技術(General Packet Radio Service, GPRS)等無線數據通訊 傳輸技術及美國國家海洋電子學會專為 GPS 接收儀輸出資料所訂定之標準
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傳輸格式傳送至控制及計算中心，並計算虛擬基準站之模擬觀測量後，再 以國際海運系統無線電技術委員會所制定之標準格式回傳至移動站衛星定 位接收儀，進行超短基線之 RTK 定位解算，即可即時求得數公分等級定位 坐標(內政部國土測繪中心，2007)，其示意圖如圖 3-6。
圖 3- 4GPS 國內基準站分布 (國土測繪中心，2010)
圖 3- 5e-GPS 即時動態定位系統服務區配置圖(國土測繪中心，2010)
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圖 3- 6VBS-RTK GPS 定位示意圖
(圖片來源：國土測繪中心http://www.egps.nlsc.gov.tw/)
過去研究多著重於探討 VBS-RTK GPS 靜態使用，地面測試其平面精 度已可達到兩公分(Retscher, 2002; 國土測繪中心，2010)，尚未有研究針對 高速移動情況下之定位精度分析，原因源自於動態定位不如靜態地面測試 (如圖根點、控制點測量)般容易檢核。因此，本研究首先必須確定所使用 GPS 接收模組使用國土測繪中心 VBS-RTK GPS 服務時，於高速移動情況 下，其定位精度是否足以輔助 UAV 影像空三平差。