第四章 研究材料及實驗
第三節 BD970 動態定位地面測試
鐘。而定位方式仍是使用 VBS-RTK GPS，即每曆元皆解算一瞬時三維坐標，
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測試 GPS 接收模組 BD970 在即時動態定位下，是否可獲得高精度定位成果，
其解算畫面見圖 4-12。
圖 4- 12 GPS 接收模組 BD970 以 e-GPS 服務即時解算畫面
試驗地區位於政治大學旁河堤及堤外運動場，測試點位共 10 點，分布 如圖 4-13。GPS 接收模組 BD970 其定位頻率為 5 Hz，即一秒記錄 5 筆資料，
每點靜置 1 分鐘，則每個待測點位將獲得 300 筆定位資訊，見圖 4-14 為實 地作業情況。利用標竿上 GPS 接收模組 BD970 其動態定位天線接收 GPS 衛星訊號，再以 RS-232 線路將 GPS 訊號傳至 BD970 接收模組，再以無線 設備連結至國土測繪中心之 e-GPS 網站，以 VBS-RTK GPS 定位技術即時 求得點位坐標。
圖 4- 13 GPS 接收模組靜置試驗區
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圖 4- 14 實地測試情況
檢核資料則是以 RTK 施測，RTK 施測時基準站站位於政治大學綜合院 館樓頂，如圖 4-15，施測 10 個點位距離基準站皆不到 100 公尺，可消除大 部分誤差，因此將 RTK 施測坐標成果視為參考值。RTK 觀測時設定 2DCQ 需在 2 公分以下，3DCQ 則是在 4 公分以下，每點觀測時間同為 1 分鐘，
表 4-3 為 RTK 所測得之點位坐標。
圖 4- 15 位於政大綜合院館 16 樓樓頂之 GPS 主站 (左圖為主站位置；右圖為 GPS 主站近照)
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A2 307865.577 2764248.617 42.903 J2 307862.926 2764356.246 42.954 J4 307860.945 2764357.031 42.985 J1 307861.458 2764360.558 43.020 K4 307847.859 2764247.553 37.391 Q4 307848.057 2764368.171 37.473 K2 307844.856 2764246.570 37.362 Q2 307849.073 2764371.033 37.486 K3 307846.862 2764245.583 37.376 Q1 307849.387 2764365.545 37.464
(二) 實驗成果
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307846.88 2764245.52 39.43 307860.96 2764356.95 45.09
K2
307844.86 2764246.55 39.45 307862.94 2764356.18 45.09
K4
307847.88 2764247.52 39.49 307865.60 2764248.57 45.033
J1
307861.47 2764360.52 45.12 307849.39 2764365.53 39.62
Q2
307849.12 2764370.98 39.59 307848.08 2764368.15 39.58
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表 4- 5 GPS 接收模組 BD970 以 VBS-RTK GPS 解算坐標與 RTK 測量成果 之坐標差異量
point
單位：公尺
E N h h - 天線高(2.07m) K3 0.021 -0.068 2.051 -0.019 K2 0.007 -0.019 2.088 0.018 K4 0.017 -0.035 2.097 0.027 J1 0.008 -0.042 2.098 0.028 J4 0.020 -0.079 2.104 0.034 J2 0.009 -0.069 2.133 0.063 A2 0.026 -0.044 2.130 0.060 Q1 0.008 -0.011 2.161 0.091 Q2 0.049 -0.056 2.107 0.037 Q4 0.026 -0.024 2.108 0.038
表 4- 6 BD970 以 VBS-RTK GPS 解算坐標之均方根誤差(單位：公尺)
E N h - 天線高
RMSE 0.024 0.052 0.049
平面 高程
RMSE 0.062 0.049
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二、高速移動
(一) 實驗設計
此實驗目的是為探討 GPS 接收模組 BD970 在高速移動下以 VBS-RTK GPS 即時解算之定位精度，測試時將 GPS 接收模組 BD970 之 GPS 天線架 設於汽車車頂 (見圖 4-16)，並以 RS-232 線路將 GPS 天線與 GPS 接收模組 BD970 串接，同樣以無線上網方式使用 e-GPS 即時定位服務(同圖 4-12)。
而 GPS 接收模組 BD970 之定位頻率仍設定為 5 Hz，即一秒記錄 5 筆即時 定位資料，實驗路線為安坑交流道至國立政治大學，實驗時必須讓 GNSS 接收儀初始化約 5~10 分鐘，即可確定整數週波未定值，當週波未定值求解 正確後，便可開始正確求解未知點之三維坐標進行即時定位，車子行駛時 以時速約 100 公里的速度前進以模擬 UAV 之飛行速度。獲得定位成果後，
在資料篩選部分，必須將衛星接收顆數 4 顆以下之定位資料將予以刪除，
才可確保整數週波未定值可得到 FIX 解，便可獲得正確定位成果。
圖 4- 16 移動站之 GPS 天線靜置於車頂
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由於本實驗定位過程在高速移動情況下定位，無法取得每個曆元定位 成果之坐標真值，因此檢核資料將使用後處理動態差分定位，在過去研究 此定位技術可達數公分等級，滿足空三平差 GPS 觀測量需求之精度。後處 理動態差分定位其移動站觀測資料同樣以 GPS 接收模組 BD970 記錄，基準 站觀測資料則以國立政治大學社科院 16 樓樓頂 GPS 主站接收(見圖 4-11)，
移動站與基準站將同時接收之雙頻載波相位觀測資料，接續於室內以後處 理動態差分定位方式解算每個曆元所對應之坐標值。
(二) 實驗成果
首先以視覺方式檢核，見圖 4-17 為後處理動態差分定位解算軌跡展繪 於 Google Earth 底圖；圖 4-18 則為高速移動下 GPS 接收模組 BD970 以 VBS-RTK GPS 定位之軌跡展繪於 Google Earth 底圖，圖 4-19 則將兩者套 疊至 Google earth 底圖並拉近放大，以視覺方式檢視，兩者差異並不大。實 驗過程因交流道位於山區，遭遇地形及隧道遮擋而訊號中斷，見圖 4-17 與 4-18 紅框處，因此無法每個曆元皆定位成功。但以 UAV 執行航拍任務時，
UAV 於空中執行航拍時其透空度良好，遮蔽情形應不會發生。
圖 4- 17 後處理動態差分定位之定位軌跡
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圖 4- 18 快速移動下 GPS 接收模組 BD970 之 VBS-RTK GPS 定位軌跡
圖 4- 19 高速移動下 BD 970 之 VBS-RTK GPS 與後處理動態差分定位 成果套疊
接續以量化方式檢核 GPS 接收模組 BD970 以 VBS-RTK GPS 定位之成 果，因定位點數多達 640 筆，因此僅呈現局部，將 VBS-RTK GPS 定位成 果減去後處理動態差分定位成果，其差值皆為數公分級如圖 4-20。接續計 算差值統計量，如平均值、最大值、最小值、RMSE，見表 4-7，可透過差 值最小值與最大值在 E、N 方向絕對值皆低於 4 cm，而差值最小值與最大 值於高程方向則是低於 6 cm，確定計算 E、N、h 差值時無粗差存在。以
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RMSE 判斷 VBS-RTK GPS 定位精度，於 E、N 方向約莫 3 cm，高程則可 達 6 cm。
圖 4- 20 快速移動下 VBS-RTK GPS 定位成果與後處理動態差分定位 之差值部分成果顯示
表 4- 7 差值統計量
統計量
單位：公尺
dE dN dh
平均值 -0.023 0.034 0.054 最小值 -0.036 0.023 0.037 最大值 -0.012 0.039 0.060 RMSE 0.023 0.034 0.055
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三、小結
透過第一部分靜置之實驗成果，待測點位平面標準差皆達公分等級，
表示此 300 筆資料定位成果差異不大，且計算其均值與 RTK測量成果相比，
差異量 E、N、h 方向皆達數公分等級，約莫 5 cm。而計算 VBS-RTK GPS 與 RTK 之差異量，其正負項皆相同，判斷因測量時 GPS 天線中心與標竿 中心不一致，其差異量於於平面 2.5 cm，導致平面 RMSE 有系統誤差存在。
而第二部分高速移動測試，透過實驗成果確定在高速移動情況下仍可 正常解算出每的曆元(0.2 秒)相對應之三維坐標。然因，測試路徑為國道，
受地形因素之影響，測試過程有訊號中斷情形發生，因此部分路段無法正 確解算，但排除該路段後其均方根誤差平面在 E、N 方面可達 3 cm，而高 程精度則可達 6 cm，皆符合 GPS 輔助空三平差其 GPS 觀測量之精度要求。
也就是說使用 VBS-RTK GPS 定位方式若無 GPS 訊號遮蔽問題，使用此 GPS 模組 BD970 以 VBS-RTK GPS 定位技術確實可在高速移動情況下獲得數公 分等級定位成果，可於後續應用 VBS-RTK GPS 定位成果於 UAV 影像空三 平差實驗，並且可免除地面基準站之架設。
於後續實驗，GPS 模組 BD970 安裝至 UAV 後，因無法確定於高空中 可透過 3G 網卡以無線上網方式連結 e-GPS 服務，且尚未克服無線電通訊 問題，因此後續 GPS 輔助 UAV 影像空三平差，其 GPS 觀測量採用後處理 VBS-RTK GPS 獲得 UAV 飛行軌跡。
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