高精度定位定向系統

如前述，移動遙測製圖技術之發展緊密與慣性導航技術緊密結合 在一起，以商用移動遙測製圖系統為例，高精度 INS/GNSS 整合式定 位定向系統(含軟硬體)約佔整套系統售價之 1/4(約一千萬)；而其中慣 性測量儀的售價約佔成本的 1/2，GNSS 接收儀約佔成本的 1/4，其餘 才是定位定向軟體的成本。高精度定位定向系統近二十年來的發展趨 勢符合使用者以更少的硬體成本但獲取而更高的精度與利潤之基本 需求，以下將針對多系統 GNSS 聯合處理架構、高精度低成本慣性測 量儀與多系統整合定位定向演算法發展之趨勢進行分析。

 多系統 GNSS 聯合處理架構

GPS 為美國自 1970 年代末期開始發展的導航衛星定位系統，目 前有 32 顆衛星運行於距離地球表面約 2 萬公里的軌道中。由於設計 至今已有約 30 年的時間，其定位精度已漸漸無法滿足日益升高的使 用 需 求 ， 因 此 美 國 已 經 著 手 進 行 GPS 系 統 之 現 代 化 (GPS Modernization)，增加新的、改善品質的電碼觀測量，以及更重要地，

將原有的雙頻觀測系統提升為三頻觀測系統。GPS 系統現代化之具體 實現則於 2005 年展開，該年 9 月發射的最新 GPS Block IIR-M 衛星 已經開始傳送 L2C 觀測量。此觀測量為調制在 L2 頻道的最新電碼 觀測量，除了可以幫助地面接收儀對於 L2 載波觀測量的連續接收、

減少由訊號失鎖所產生的週波脫落之外，更提供了訊號強度較 L1 C/A 電碼觀測量更強、品質更好的 L2 電碼觀測量以消減電離層效應，提 昇定位精度。GPS Block IIR-M 系列之衛星是 Block IIR 的第二部份；

總共包含了 8 顆衛星(McDonald, 2001)。目前已有 8 顆 Block IIR-M 衛星正在運作中 (PRN 17、PRN 31、PRN12、PRN15、PRN29、PRN7、

PRN01 與 PRN29)。第二步的重大改變是發展 GPS Block IIF 衛星，

此系列目前規劃總共包含至少 12 顆衛星。目前美國波音公司將原訂 於 2008 年 8 月由 Delta IV 火箭發射之計畫因故推遲至去年，GPS IIF

之第一顆與第二顆衛星已分別於 2010 年 5 月 28 日與 2011 年 7 月 16 日發射(PRN 25、PRN 1)，如圖 2.41 所示。目前預計於 2012 年陸續 完成發射完 12 顆衛星。GPS Block IIF 衛星將傳送第三個頻率 L5(1176.45MHz)的觀測量，屆時 GPS 將正式由雙頻觀測躍升為三頻 觀測系統(楊名與江凱偉，2009)。

2011/7/25

昇交點赤經 昇

焦 點 角 距

圖 2. 41 GPS 星群(2011 年 7 月 25 日)

自 2001 年起俄羅斯政府決定繼續維持 GLONASS 之運作並提出 類似 GPS 現代化之計畫。該計畫第一步為在 2003 年後所發射的 GLONASS-M 衛星中將第二個民用訊號調制在 L2 頻率中以增加定位 精度；接下來則是在 2008 年後所發射的 GLONASS-K 衛星中將第三 個民用訊號調制在 L3 頻率以進一步提升新一代 GLONASS 的性能。

該計畫已在 2010 年底將衛星數量提昇 24 顆以提供全球覆蓋的高精度 導航服務。除了致力於 GLONASS 的性能提升之外，俄羅斯當局並與 美國與歐盟針對未來整合涵蓋 GPSIII, Galileo 及 GLONASS 的未來 GNSS 達成相關技術合作與交流的協議。如同現代化的 GPS 一樣，未 來的 GLONASS 可以提供三頻民用訊號以供高精度導航、定位及時間 等相關應用領域之用。如同 GPS 一樣，GLONASS 為一包含軍用及 民用等雙重用途之系統。目前有 26 顆 GLONASS 衛星，皆為現代化 具備雙頻民用訊號的 M 系列衛星現代化的衛星，目前可使用的衛星 有 22 顆，3 顆為備用衛星，另有一顆 K 系列衛星(701K)。K 系列衛 星之 L1CR 及 L5R 載波將播送碼分多址(CDMA) 的訊號。如此未來

包含 GPS、 GLONASS、 Galileo 與 Compass 皆會播送碼分多址 (CDMA) 的訊號，這有助於硬體製造商設計價格更為低廉但精度更 高之多系統接收儀，同時軟體設計者亦能利用共頻的多系統訊號設計 更為有效的聯合資料處理演算法(楊名與江凱偉，2009)。

2011/7/25

昇交點赤經 昇

焦 點 角 距

圖 2. 42 GLONASS 星群(2011 年 7 月 25 日)

Galileo 的原始計畫可分為三期：第一期 (2001 迄今) 主要為研發 階段；除了完成相關系統的設計外，最重要的是衛星驗證(In-Orbit Validation, IOV)。而 IOV 的主要步驟原為於 2005 年底發射 30 顆衛星 中的 4 顆以驗證相關系統；然而發展期間不可抗力之經費及技術發展 問題等致使第一期的計畫有所延誤。如前所述，第一顆 Galileo 衛星 (GIOVE-A) 延遲至 2005 年 12 月 28 日成功發射升空。第二期主要為 完成衛星剩餘 26 顆衛星的發射與地面相關硬體設施的建設。第三期 為完成整個系統設置並開始提供商業運轉。但因第一期計畫的延誤導 致整個計畫達到全面商業運轉的時程會延至 2013 ~2015 年。第二顆 測試衛星(GIOVE-B) 於 2006 年完成組裝並於 2008 年 4 月 27 日完成 發射。

中國政府已投注大量資源發展類似 GPS 或 Galileo 自主的全球導 航衛星系統，稱為北斗二號 (Compass Navigation Satellite System, CNSS )。與北斗一號以 3 顆衛星提供區域的導航服務之功能相較之 下，未來的北斗二號衛星之數量預計將達到 35 顆，這些衛星群將由 5 顆靜止衛星、30 顆的中軌道衛星與傾斜軌道衛星所組成，目前有 1 顆中軌衛星，4 顆靜止衛星與 4 顆傾斜軌道衛星，完整的 30⁺ 星群預 計將於 2015 年建置完成(楊名與江凱偉，2009)，未來的 Compass 將

提供五種免費的公開服務(Open Service)與 5 種授權服務(Authorized

GPS Galileo GLONASS Compass/Beidou

衛星數量

coordinate system

時間系統 GPST GST UTC(SU)

Chinese coordinated universal time

傳輸方式 CDMA

空間資訊領域所使用，然對於移動遙測製圖之應用而言，車載與機載 用；而其三為慣性感測器模組(Inertial Sensor Assembly, ISA)，只具備 輸出未補償原始觀測量之能力。就移動遙測製圖技術之應用而言，因 為作業模式之特性與精度之需求，標準的作業程序為透過後處理方式 進行精密定位定向解之計算。以使用相同的觀測量為例，在相同的 GNSS 訊號脫落時段，透過後處理定位定向軟體所獲得之定位定向精 度比即時解高出近 60%。故移動遙測製圖技術其實並不需要使用到最

昂貴的 INS，而是選用慣性測量儀即可，表 2.7 所示為慣性測量儀之

皆採用戰術等級之慣性測量儀，如上表所示，戰術等級慣性測量儀，

如 Applanix 使用之 LN200 其原廠(Northropgrumman)售價約為 5 萬美 金，如圖 2.45 所示，但經 Applanix 等公司整合成定位定向系統後其 售價在台接近一千萬，且該系統受國際武器輸出管制故需申請出口許 可，一般需時半年。

陀螺 加速度計

飄移 1 deg/hr (1 sigma) 0.3 mg (1 sigma) 飄移穩定性 <0.1 deg/hr (1 sigma)

(60 min)

35 µg (1 sigma) (10 sec)

尺度因子 100 ppm (1 sigma) 350 ppm (1 sigma) 隨機遊走 0.07 deg/sqrt(hr) 60 µg/sqrt(hz) 軸交 0.1 mrad (1 sigma) 0.2 mrad (1 sigma)

The Litton LN200 system

圖 2. 45 戰術等級慣性測量儀之範例

近年來微機電技術之快速演進帶給移動遙測製圖技術永續發展 另一道曙光，微機電慣性測量儀具備價格低廉與性能穩定之特色，相 較於使用同一規格的光纖陀螺儀系統而言，其售價只需其 1/2，同時 微機電慣性測量儀一直為人所詬病的雜訊與穩定性不佳之效應亦持 續改善中，圖 2.46 所示為成功大學發展鷹眼系統所使用的微機電戰 術等級慣性測量儀，其原廠售價約為 1 萬美金，成本為光纖陀螺儀系 統之 1/5，此時若搭配先進定位定向演算法與其他輔助感測器可以將 定位定向精度提升至使用光纖陀螺儀系統之 9 成(Chiang and Chang, 2010)。圖 2.47 顯示未來五年內高階戰術(光纖陀螺儀)與導航(雷射陀 螺儀)等級慣性測量儀售價將減半(Schwarz and El-Sheimy, 2008)，唯出 口管制之程序仍然會存在；相反的，微機電陀螺儀之飄移將持續減 小，預計在 2012 年底會有飄移為 0.01 度/小時之微機電陀螺儀問世，

對於移動遙測製圖技術而言，此等級系統之效能已近似導航等級慣性 測量儀之效能，如圖 2.48 所示。而其售價預計為現有使用雷射陀螺 儀系統之 1/4，最重要的是此等級系統將不受出口許可之限制。

規格

陀螺 加速度計

飄移 10 deg/hr (1 sigma) 1.5 mg (1 sigma) 飄移穩定性 3 deg/hr (1 sigma) 200 µg (1 sigma) 尺度因子 350 ppm (1 sigma) 350 ppm (1 sigma) 隨機遊走 0.035 deg/sqrt(hr) 60 µg/sqrt(hz) 軸交 0.2 mrad (1 sigma) 0.2 mrad (1 sigma)

IMU Nav Aid Tactical grade

Nav grade I Nav grade II

US $ Thousands

5 years ago now

5 years from now 25 years from now

個人導航 戰術應用與製圖 軍用

微機電\

圖 2. 47 微機電戰術等級慣性測量儀之範例 (摘自 Schwarz and El-Sheimy, 2008)

現有陀螺儀科技 (摘自 Schwarz and El-Sheimy, 2008)

圖 2.49 所示為利用一組高階三軸微機電陀螺儀(飄移 0.5 度/小時) 與三軸石英加速度計(0.5mg)所組合的慣性測量儀搭配本案發展的軟 體 CAINS-21(詳見第五章)測試本系統於 1 個小時期間 GNSS 訊號脫 落時之效能，其平面精度約為 1 公里，滾轉與俯仰精度約為 0.1 度而 航向為 0.5 度，此等級效能已與表 2.7 中所列使用雷射陀螺儀導航等 級系統一致(Shin, 2005)，而其成本只為導航等級系統之 1/5，所以未 來的定位定向系統之趨勢仍應該是朝向更少的硬體成本但提供更高 精度的大方向努力。

圖 2. 49 高階微機電慣性測量儀之效能

 多系統整合定位定向演算法

整合 INS 及 GNSS 定位及定向系統已逐漸成為新一代空間訊擷 取系統之核心元件。導航界對一個不間斷且穩定的導航系統之需求催 生了 INS/GNSS 整合式定位定向系統。然而空間資訊工程領域對於一 個能夠提供配備諸如數位相機、光達及攝影機的遙測平台精確定位及 定向的需求更進一步的提升整合式定位科技發展的技術水準。研製符 合遙測製圖及測量系統高精度需求的定位及定向系統正是目前國外 相關學術界及業界正努力發展的方向。上述精密 INS/GNSS 整合式定 位及定向系統結合遙測感測器之應用不限於移動遙測製圖應用之領

域。事實上相關技術也被機器人工業領域引用為無人機器人的定位定 的即時導航定位演算法是以擴張卡曼濾波器(Extended Kalman filter, EKF)為主，而針對直接定位與移動測圖之後處理應用使用平滑器來 (Chiang, 2004)。

如前所述，傳統的整合演算法是透過使用卡曼濾波器及平滑器來 分別滿足對即時及後處理應用之需求。目前雖然有很多產品及研究都 是利用相同的概念來處理 INS/GNSS 整合系統在即時及後處理之需 求(Shin, 2005)。但不同使用者對系統的認知不同，故所開發出來的卡 曼 濾 波 器所 具備之 狀 態 數目 、動態 模 型 及誤 差模型 皆 或 有不 同 (Chiang, 2004)，同時每個開發者對濾波器參數調整(filter tuning)的能 力更影響軟體的效能(Chiang et al., 2009)。一般而言，INS/GNSS 整合

如前所述，傳統的整合演算法是透過使用卡曼濾波器及平滑器來 分別滿足對即時及後處理應用之需求。目前雖然有很多產品及研究都 是利用相同的概念來處理 INS/GNSS 整合系統在即時及後處理之需 求(Shin, 2005)。但不同使用者對系統的認知不同，故所開發出來的卡 曼 濾 波 器所 具備之 狀 態 數目 、動態 模 型 及誤 差模型 皆 或 有不 同 (Chiang, 2004)，同時每個開發者對濾波器參數調整(filter tuning)的能 力更影響軟體的效能(Chiang et al., 2009)。一般而言，INS/GNSS 整合