GPS 定位系統介紹

全球衛星定位系統可分為三部分：太空導航衛星部分、地面監控部分、使用 者接收部分[1]。

3.1.1 太空導航衛星部分

目前 GPS 在太空的衛星有 32 顆，平均分布在六個衛星軌道面上，每個軌道面 之間的夾角為 60 度，和赤道面的夾角為 55 度，軌道距離地表 20183 公里，衛星 繞行軌道的週期為 12 恆星時(Sidereal Time)，即 11 小時 58 分世界時(Universal Time)。

GPS 衛星對外廣播二種電波，分別為 L1(1575.42MHz)載波和 L2(1227.60MHz) 載波。L1 載波上搭載了二種虛擬隨機雜訊碼(Pseudo-Random-Noise code)：C/A 碼 (Coarse/Acquisition code)及 P 碼(Precision code)，在 L2 載波上僅搭載 P 碼。

3.1.2 地面控制部分

地面監控部分主要由 1 個主控站、4 個地面控制站和 6 個監測站組成。

主控制站(Master Control Station；MCS)

位於美國科羅拉多州 Falcon 空軍基地 ， 主控制站之主要功能為接收並處理 監視站所傳回之衛星追縱資料來決定新的星曆、時錶修正量等導航訊息。

地面控制站(Ground Control Station；GCS)

分別位於南大西洋之 Ascension 島、印度洋的 Diego Garcia 、北太平洋的 Kwajalein 與美國佛羅里達州的 Canaveral 角。地面控制站之主要工作為接收主控

站所傳來之修正參數，利用 S 波道電波傳至 GPS 衛星，包括新的星曆、時錶修 正量和其他導航之訊息資料。

監視站(Monitor Station；MS)

地面控制站的位址同時也設置了監視站，除了 Ascension、Diego Garcia、

Kwajalein、Cape Canaveral 之外，另外位於夏威夷和科羅拉多( Colorado Springs ) 二處也有監視站，目的為監視各個 GPS 衛星。每個監視站之位置座標均已經精確 測定，並都備有一準確之銫(Cesium)原子鐘與雙頻 P 碼接收器，每 1.5 秒估算一次 虛擬距離(Pseudo range)，再加上氣象及電離層資料，每 15 分鐘作一次平滑(Smooth) 計算，並將資料傳送至主控制站。

3.1.3 使用者接收部分

即一般使用者可使用的 GPS 接收機，其用途為將 GPS 衛星廣播的訊號轉換成 位置、速度、時間等資料。一般民用的接收機只能接收 C/A 碼和載波相位，軍用 的接收機則多了 P 碼。唯美國國防部基於其安全考量，P 碼於 1994 年調變成 Y 碼，

即所謂的 AS 效應( Anti Spoofing )，使得未經授權的使用者無法得知，降低了一般 民間使用者的定位精度。

3.1.4 GPS 座標系統

GPS 空間系統採用的是 WGS84( World Geodetic System 1984 )座標系統，這是 一個以地球質心為原點之地心地固座標( Earth Centered Earth Fixed, ECEF )系統。

如圖(3-1)所示:

圖 3-1 ECEF 座標系統[15]

其中：

O 點：地球質量中心。

Z 軸：與國際時間局 BIH 定義的傳統地極( Conventional Terrestrial Pole，CTP) 平行之座標軸方向。

X 軸：指向通過格林威治天文子午線的座標軸方向。

Y 軸：與 X 軸、Z 軸呈右手正交系統之方向。

表 3-1 WGS84 座標系統重要參數

參數與說明 數值(單位)

長軸半徑(a) 6378137 (m)

短軸半徑(b) 6356752.314( m)

二分帶係數(J2) 1.082630×10^-9

地球自轉角速度(ωE) 7.292115×10^-11 (rad/sec) 地球重力常數(μ) 3.986005×108 (m³/sec²)

WGS84(

�𝑿𝑿

WGS84 直角座標(X,Y,Z)與本地座標系(E,N,U)之轉換關係

此二座標系統之旋轉矩陣 R 包含有圍繞 Z 軸旋轉一個λ 角度，再繞 Y 軸旋轉

實驗中參考站的天線已固定在 WGS84 直角坐標系下的[ -3025192.198934 m , 4928782.543095 m, 2681060.943255 m ]，實驗的定位結果皆是以參考站天線位置作 為本地座標原點的計算結果。