衛星定位系統及其原理

衛星定位系統由三個部份組成，分別為太空衛星部份(space segment)、地面 管制部份(control segment)以及接收機為主的使用端部份(user segment)，三者各自 有獨立的功能與作用，但又是缺一不可的整體系統。其中地面管制部份由主控制 站、監控站及地面天線組成，相互關連如圖 2.7 所示。

圖 2.7 定位系統的三個組成部份 1. 太空衛星部份

太空部份的衛星共由 24 顆衛星所組成，平均分佈在 6 個軌道上，運行於約 20200 公里的高空上，如圖 2.8 所示每個軌道面上各有 4 顆，呈 55°角傾斜繞 行地球運轉，繞行地球一周約 12 小時，每日可繞行地球 2 周，也就是說不論 任何時間，任何地點，包含北極、南極，至少有 4 顆以上的衛星出現在我們 的上空可供定位運用[30]。每個衛星均持續發射有衛星軌道資料及時間的無 線電波，提供地球上的各種接收機來應用。目前 GPS 衛星已發展至 Block II 型式的定位衛星，在軌道上重量約 1,900 磅，太陽能接收板長度約 17 呎，預 期壽命為 7.5 年，於 1994 年完成第 24 顆衛星的發射，整個 GPS 系統正式宣

地面管制部份

太空衛星部份

使用端部份

地面天線 監控站

主控制站

告建構完成。

圖 2.8 GPS 衛星定位系統 2. 地面管制部份

地面控制部份由主控制站、監控站及地面天線組成。為了追蹤及控制衛星運 轉所設置的地面管制站，主要工作為負責修正與維護每個衛星能保持正常運 轉的各項參數資料，確保每個衛星都能提供正確的訊息給使用者接收機來接 收。地面管制部份主要有兩個工作，一是追蹤，一是檢查。追蹤目標是在全 球範圍內，隨時了解軌道中每一顆 GPS 衛星的位置。檢查的目標是檢測每一 顆 GPS 衛星的狀況及信號是否正常。

3. 使用端部份

由於 GPS 應用廣泛，經濟效益好，因而各國均研製和生產各種類型的接收機，

包括導航、測時等不同功能。接收機的基本結構包括天線、信號處理、顯示 裝置、記錄裝置、電源，依照不同的目的而有不同的定位能力，追蹤所有的 GPS 衛星，並即時地計算出接收機所在位置的座標、移動速度及時間，進行 最簡單的虛擬距離定位，也是一般車輛定位所使用的機型。最常用的 GPS 接 收器有汽車導航器與掌上型 GPS 兩種。電腦和通信的發展使人們的生活更加 快捷、輕鬆，汽車導航和移動辦公已風靡全球，並逐漸成為現代社會中不可 缺少的部份。在日本、美國等國家，為了方便用戶，很多汽車製造商在車輛 出廠時就裝配了導航和移動辦公設備，在我國，類似導航產品的發展也慢慢 出現在新上市的產品上，如神達(MiTAC)不僅在國內有亮眼的成績，2005 年 更打入韓國、歐洲等國際市場，成為世界性的製造商。汽車導航是集電腦、

通信導航、地圖資訊為一體的高科技產品，通常它都具備筆記型電腦的基本 功能，可以方便的連結網路、發送傳真和資料通信；掌上型 GPS 是利用 GPS 基本原理設計而成的，是體積小巧、攜帶方便、獨立使用的全天候即時定位 導航設備。好的掌上型 GPS 必備的條件是：靈敏度高，記憶容量大，介面設 計完善。目前，各種類型的 GPS 接收機體積越來越小，重量越來越輕，便於 進行野外觀測[11][12] [13][14]。

GPS 的定位是利用衛星基本的三角定位原理，這種高軌道與精密定位的觀 測方式是指每一顆衛星會傳送三種資料，包括衛星的編號、位置、時間。當 GPS 用戶端接收裝置接收到這些資料後會以特定的儲存方式存起來使用，這些資料也 用做修正 GPS 接收機上的時間並以測量無線電信號的傳輸時間來量測距離，以

距離來判定衛星在太空中的位置，計算出每一衛星軌道接收機的距離。而接收機 若在接收到更多衛星時，它可利用三角公式計算出接收機所在位置。三顆衛星可 做所謂 2D 定位(經度及緯度)，四顆或更多衛星可做所謂 3D 定位(經度、緯度及 高度)，接收機繼續不斷地更新使用者位置，所以它可計算出使用者移動方向及 速度[15][16][17]。