第三章 試驗場及實驗說明：概述本研究的試驗場“新竹工業技術研 究院量測中心超短距離基線場＂之位置環境概況，說明本研 究的實驗步驟及試驗儀器相關資料，並介紹Bernese 軟體及 Teqc處理GPS 觀測資料之流程。
第四章 研究成果與分析：首先，評估GPS固定站常用接收儀的品質 指標；其次，分析短、長距離下所解算出來的定位成果差異；
再評估不同的品質指標對不同距離基線所造成的影響；然後 針對墾丁衛星追蹤站與特殊環境干擾來作指標分析。
第五章 結論與建議：根據前述之研究過程與結果分析，歸納出數點 結論與建議。
第二章 理論基礎
2-1 GPS 相對定位理論
GPS衛星接收儀所記錄的相位觀測量中含有各種誤差，如衛星軌 道誤差（Orbit Error）、衛星及接收儀時錶誤差（Clock Error）、電 離層延遲誤差（Ionospheric Delay）、對流層延遲誤差（Tropospheric Delay）、固定站座標誤差（Fixed Station Error）、週波脫落（Cycle Slips）、整數週波未定值（Integer Cycle Ambiguity）、雜訊及多路徑 效應（Multipath Effect）、天線相位中心變化誤差（Antenna Phase Center Variation ）等【陳春盛，蔡豐吉，2002】。
伯恩大學的Bernese 5.0對上述所有GPS誤差採用對策如下表所列：
表2-1 Bernese5.0對於GPS誤差的對策 誤差來源 誤差種類 Bernese 5.0 處理策略
GPS單點定位精度不高的主要原因在於衛星和接收儀的時錶誤 差、衛星星曆的誤差，以及大氣層中對流層折射以及電離層折射對於 電磁波訊號傳播所造成的時間延遲效應亦影響著GPS測量的定位精 度。這些誤差於相對定位時，在每個測站的相位觀測量中也依然存 在，但是若兩測站若採取同步觀測，則上述的大部份誤差在進行基線 向量計算時，或因誤差大小相同而對消，或因相似而絕大部份已減 小，使得殘留下來的誤差已大大減少。因此，相對定位的精度遂大為 提高，這也就是相對定位精度會較單點定位為高的主要原因。
GPS相對定位簡單的說，就是求解兩測站之間相對位置的一種定 位方法，其目的就是從已知座標之參考點推求出未知點的座標。換句 話說，相對定位的目標乃在於決定兩點間之基線向量∆RAB，如圖2−1
【李旭志，2000】所示：
rA2 rB2
rA3 rB3
rA4 rB4
rA5 rB5
rA1 rB1
測站A 測站B RAB
衛星1
衛星2
衛星3
衛星4
衛星5
假設在某一座標系中參考測站A的位置向量RA為已知，若可利用
（L：距離，單位km ），而應用於地殼變動之高精度測量，則要求 高達0.1ppm～0.01ppm之水準【劉美利，2003】。
GPS相對定位的優點主要有二：
1. 可消除或減弱一些具有系統性的誤差，如衛星和接收儀的時錶誤 差、衛星星曆的誤差、大氣折射誤差等。
2. 可減少平差計算中未知數的數量。
因此，原始觀測量的差分模型在工程應用以及科學研究中，都獲 得了廣泛的應用。但是，上述的差分模型也存在著一些值得重視的缺 點，主要缺點有三：
1. 原始觀測量原本是獨立的，但經過差分之後，將使得各觀測量間 擁有相關性，這種相關性在平差計算中不應被忽視。
2. 在平差計算中，差分法將使得觀測方程式的數目明顯的減少。
3. 在差分的過程中不可避免的將損失一些觀測數據。因此，應用原 始觀測量的非差分模型，進行高精度相對定位的研究亦有其應用 之價值【陳春盛，葉大綱，1999】。
2-2 資料品質分析指標
本 研 究 採 用 了 接 收 儀 觀 測 資 料 數 目 L1 載 波 的 多 路 徑 效 應
（MP1）、L2載波的多路徑效應（MP2）、『觀測資料的筆數』除以
『週波脫落的數目』(o/slps)、接收器內部時鐘與GPS時鐘的平均偏差 量（tp）以及接收儀內部時鐘的穩定度（fp）這六觀測指標，以它們 來分析GPS觀測資料品質與基線解算精度之相關性。這五項指標的說 明如下：
2-2-1 觀測資料量
觀測資料的量對於相對定位有一定影響，因為定位資料越多其能 修正誤差量的能力會越好，本研究的觀測資料量指標是依據一天有 2880 個 epochs，而每個 epoch 能接收到的衛星數不同，所以觀測資 料量也會有所不同，由於環境的不同因素的干擾或者儀器本身的問題 會造成接收資料的遺失，例如：L1、L2 的訊雜比（Signal-to-Noise Ratio）
過低、L1、L2 的資料不成對與 C/A code 失鎖等原因，因此觀測資料 量列為固定站選擇的指標之一。
2-2-2 多路徑效應
GPS 衛星定位測量之多路徑效應誤差是指 GPS 接收儀收錄之衛星 訊號包含直接路徑及非直接路徑兩部分，非直接路徑訊號是由衛星訊 號傳輸過程（衛星多路徑效應）或接收天線周圍環境（測站多路徑效 應）經折射干擾造成之衛星或測站多路徑訊號。假設考量自地面反射 GPS 衛星訊號之多路徑情形如圖 2-2 所示，可建立下列關係：【Johnson, 1995】
θ
（Signal-to-Noise Ratio）過低。
週波脫落現象在載波相位測量中是經常發生的，它對距離觀測的 影響和週波未定值的影響相似，在精密的定位處理中是一個非常重要 的問題，必須小心加以偵測及修復，目前一般軟體皆具有自動偵測及 修復週波脫落之功能。
而吾人所採用的指標為『觀測資料的筆數』除以『週波脫落的數 目』，亦即每 n 個觀測量會產生一個週波脫落，無單位，Teqc 採用多 項式套合法來偵測週波脫落。其原理是使用一段多項式套應於原始資 料、一次差資料、二次差資料、三次差資料或雙頻觀測資料的結合。
其方法為先檢查套應點內有無週波脫落的發生，若在多項式套應視窗 內，其次預估下一資料點數值，若大於預設的門檻值，則視為週波脫 落。利用此法處理週波脫落需要設立兩種門檻值，其一為偵測週波脫 落的發生時段，另一則為預測週波脫落修補值【汪俊寰，2001】。
2-2-4 接收儀內部時鐘與 GPS 時鐘的平均偏差量
在GPS測量中，均要求衛星時鐘與接收儀時鐘保持嚴密同步，如 果接收儀時鐘與衛星時鐘之間的同步誤差為1 µs，則由此所引起的等 效距離誤差約為300 m。實際上，儘管GPS衛星上均裝有高精度的原 子鐘，但是它們與理想的GPS時之間仍存在著難以避免的偏差或漂 移，這些偏差的總量均在1 ms以內，而由此引起的等效距離誤差約可 達300 km【曾清凉、儲慶美，1999】。
對於衛星時鐘的這種偏差，可以透過對衛星時錶運行狀況的連續 監測而精確地確定，並用二階多項式來描述。而衛星時鐘誤差經此改 正後，各衛星時鐘之間的同步誤差可保持在20 ns以內，由此引起的等 效距離偏差將不會超過6 m。一般認為時鐘誤差或經改正後的殘差，
在相對定位中可以透過觀測量差分的方法消除【汪俊寰，2001】。
所以吾人針對不同的接收儀內部時鐘做評估，以了解各種接收儀 內部時鐘與GPS時鐘的平均偏差量。要求得此項指標，須利用未差分 的GPS相位資料，以推求接收儀時鐘誤差。將外業儀器測試所接收到 的相位觀測資料，採用瑞士伯恩大學天文研究所研發的Bernese 5.0軟 體進行計算。為了求得較準確的接收儀時頻訊息，解算前以rnxsmt程 式（修正其錯誤）對於相位資料進行週波脫落偵測及平滑化處理外，
於參數預估程式gpsest解算未知值的過程中，再以resrms程式利用輸 出的殘差反覆消除雜訊較大的觀測時段及衛星，即可求得接收儀內部 時鐘偏移量，在本文中將採用『tp』（以秒為單位）來表示這項指標
【Beutler.G，2000】。
然而，由於原子鐘的頻率會不斷飄移，所以無法精確的計算平均 值，甚至連標準差都會發散，所以這裡採用 Allan 所定義的 Allan Deviation 來進行頻率的偏移量及穩定度評估【Lesage and Ayi, 1984】。Modify Allan Deviation 的計算方法則是透過資料的二次差 分後再進行標準差的計算，至於其計算的公式如下：
2-2-5 接收儀內部時鐘頻率穩定度
接收儀內部時鐘頻率穩定度便是接收儀內部時間的變化，因為內 部時鐘所震盪出來的每一秒，與標準時間相比，都有些微量的不同
【Camparo，1999】。對於 GPS 的時鐘精度要求極高。除了接收器內 部時鐘與 GPS 時鐘的平均偏差量外，接收儀內部時鐘頻率的穩定度 也可能是影響 GPS 定位的重大因素，所以吾人也將其列入考量。將 外業儀器測試所接收到的相位觀測資料，採用瑞士伯恩大學天文研究 所研發的 Bernese 5.0 版軟體進行計算，以求得接收儀內部時鐘頻率 穩定度，流程如下圖 2-2，在本文中將採用『fp』（以秒為單位）來表 示這項指標。
使用 RNXSMT 對於相 位資料進行週波脫落
標準交換格式將 Rinex 格式轉成
參數預估程式 GPSEST 解出殘差
圖 2-2 時鐘偏差量及頻率穩定度解算流程圖
使用 RESRMS 程 式將殘差中雜訊 較大的資料消 再使用 GPSEST 解出
第二次殘差
使用 RESRMS 程 式設定 0.02m 門檻 參數預估求解出時鐘
穩定度跟時鐘偏移量
2-3 GPS 接收儀量測系統追溯
近代科學家發明單擺鐘及石英震盪器，利用單擺或石英晶體的震 盪週期來計時，只要震盪週期乘上每秒震盪次數就是一秒鐘。但上述 計時方式易受環境、溫度、材質、電磁場甚至觀測者觀測角度等影響，
並不穩定，須由天體（地球自轉、公轉、月球公轉）的週期來校正。
1960 年以前，CIPM（世界度量衡標準會議）以地球自轉為基礎，
定義以平均太陽日之 86400 分之一作為秒定義。即 1秒 = 1/86400 平均太陽日。然而地球自轉並不穩定，會因其他星體引力的牽引而改 變。1960~1967 年 CIPM 改以地球公轉為基礎，定義西元1900年為 平均太陽年。秒定義更改為：一秒為平均太陽年之 31556925.9747 分 之 一。
20 世紀中葉，科學家發現原子會吸收或放射特定週期的光子，
其週期非常穩定。1967 年舉行的第十三屆國際計量大會 (General Conference on Weights and Measures) 選擇了以銫原子的躍遷做為秒 的新定義，即銫原子同位素 133 基態超精細能階躍遷的 9192631770
其週期非常穩定。1967 年舉行的第十三屆國際計量大會 (General Conference on Weights and Measures) 選擇了以銫原子的躍遷做為秒 的新定義，即銫原子同位素 133 基態超精細能階躍遷的 9192631770