全球定位系統在近十年來於世界各地廣泛地使用著，由於 GPS 的作業快速、
方便且高精度，因此 GPS 定位技術已普遍應用於工程測量、地籍測量、汽車導 航、地殼監測以及地體動力學等領域，為了達到更廣泛、便利、高精度的定位成 果，於台灣本島上密集設置 GPS 連續觀測的固定站已是時勢所趨。
未來，這些密集設置的 GPS 固定站很有可能取代現有的一等（甚至二等）
衛星控制點的功能，只要有法定地位的賦予，工程人員未來在使用 GPS 來進行 控制測量時，可以不需在已知點架設 GPS，只需透過網路下載測區附近 GPS 固 定站的觀測資料來進行相對定位計算，即可達到高精度的定位成果，可說是大大 的節省了量測所需的人力及物力。
然而，為了要確保這些 GPS 固定站所提供的觀測資料之可靠度，建立一套 GPS 接收儀資料品質監控系統應是相當重要的。在建立監控系統之前，必須要先 確認哪些指標對於相對定位的精度有著較大的影響，再進而對這些指標進行管制 的工作。因此，本章將分別探討接收儀時錶誤差與觀測資料品質對於 GPS 定位 精度之影響；最後，再根據各項指標的影響程度大小，建立一套 GPS 接收儀資 料品質監控系統。
4-1 接收儀時錶誤差對於 GPS 定位精度之影響
4-1-1 觀測資料收集
本節所採用的觀測資料是位於工研院量測中心 16 館頂樓的 TNML 固定站，
該站為國際 IGS 固定站之一，所使用的 GPS 接收儀為 AOA BenchMark（如圖 4-1 所示），並配合 AOAD/M_T 環形天線盤（如圖 4-2 所示），全年 24 小時不間斷的 接收 GPS 觀測資料。該儀器於 2002 年 DOY 171 之前所採用的頻率源為儀器內 部的石英鐘，該石英鐘具有自動修正的功能，可由儀器所接收到的 GPS 訊號進 行 clock steering，而將時間修正至與 GPS 衛星上的銫原子鐘或銣原子鐘同步
【AOA, 1997】。TNML 固定站的頻率源自 2002 年 DOY 171 之後更換為外接式 的銣原子鐘，所採用的銣原子鐘為 Datum 8040A（如圖 4-1 所示），輸出 5 MHz 的頻率至 GPS 接收儀，並將儀器內部的 clock steering 功能關閉。
圖 4-1 TNML 站所使用的 GPS 接收儀及銣原子鐘
圖 4-2 TNML 站所使用的天線盤
這裡即擷取 TNML 固定站 2002 年 DOY 164~170（頻率源為石英鐘）與 DOY172~178（頻率源為銣原子鐘）共計 14 天的觀測資料，計算 GPS 接收儀外 接銣原子鐘前後，接收儀內部時間偏移量及頻率穩定度之差異，進而探討此一差 異反映在相對定位精度上之影響。
而在相對定位的資料蒐集上，則透過網路擷取了兩個 IGS 固定站的觀測資 料，分別為位於台灣桃園的 TWTF 站（與 TNML 站的基線距離為 25 km）及位
於大陸武漢的 WUHN 站（與 TNML 站的基線距離為 920 km），同樣也是 2002 年 DOY 164~170 與 DOY 172~178 共計 14 天的觀測資料，再分別進行短距離與 長距離的靜態 GPS 相對定位計算。
4-1-2 時間偏移量及頻率穩定度評估
在時間偏移量及頻率穩定度的計算上，則利用未差分的 GPS 相位資料推求 接收儀時錶誤差。但在資料處理的過程中，仍須取一個參考頻率源作為標準（即 假設該頻率源的時間偏移量為零）；由於目前國際時頻標準的定義仍採用 1967 年第 13 屆國際度量橫大會的決議：1 秒等於銫 133 原子於基態之兩個超精細能 階間躍遷時所放出輻射週期的 9192631770 倍時間【ISO, 1995】。故在本文中，
選擇由國家時間及頻率標準實驗室負責維持的 TWTF 站當作頻率參考站，該站 所採用的 GPS 接收儀為 Ashtech Z-XII3T（如圖 4-3 所示），且該接收儀外接 HP5071A 銫原子鐘（如圖 4-4 所示），並配合 ASH701945C_M 環形天線盤（如 圖 4-5 所示），同樣是全年 24 小時不間斷的接收 GPS 觀測資料。
圖 4-3 TWTF 站所使用的 GPS 接收儀
圖 4-4 TWTF 站所使用的銫原子鐘
圖 4-5 TWTF 站所使用的天線盤
計算時則採用瑞士伯恩大學天文研究所（AIUB）研發的 Bernese 4.2 軟體進 行計算。為了求得較準確的接收儀時頻訊息，解算前除了以 rnxsmt 程式（需修 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（需更新 clkrnx 副程式）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，即可求得較準確的接收儀內部時間 偏移量及頻率穩定度【Beutler et al., 2001】。
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：
而 TNML 站在安裝了銣原子鐘前後的時間偏移量及頻率穩定度計算結果則 如表 4-1 所示，由表中可以發現，當使用 GPS 接收儀內建的石英鐘時（DOY 164~170），其時間偏移量優於使用銣原子鐘（DOY 172~178）平均約 3 個級數；
而在頻率穩定度方面（取 30 秒），石英鐘的表現則遜於銣原子鐘平均約 2 個級數，
兩者在時間偏移量及頻率穩定度各有優劣。
表 4-1 TNML 站之時間偏移量及頻率穩定度
石英鐘 銣原子鐘
DOY
時間偏移量
（seconds）
頻率穩定度
（取 30 秒） DOY
時間偏移量
（seconds）
頻率穩定度
（取 30 秒）
164 -3.85E-14 1.10E-10 172 8.43E-11 4.21E-12 165 -1.00E-13 1.10E-10 173 8.54E-11 3.96E-12 166 -9.94E-14 1.10E-10 174 8.59E-11 4.13E-12 167 -1.72E-13 1.09E-10 175 8.71E-11 4.77E-12 168 8.79E-16 1.06E-10 176 8.91E-11 8.53E-12 169 3.43E-13 1.74E-09 177 9.03E-11 4.57E-12 170 -3.69E-13 7.46E-10 178 9.13E-11 3.68E-12 平均值 -6.21E-14 4.33E-10 平均值 8.76E-11 4.84E-12
接下來，再進一步分析以天為單位，石英鐘與銣原子鐘內部時頻的能力展 現。這裡分別取了兩者第一天DOY 164 及DOY 172 的資料來進行比較，圖 4-6 所示為使用石英鐘之時間偏移量，可以發現，由於AOA BenchMark接收儀具有 clock steering的功能，可自動的將時間修正至與GPS衛星上的銫原子鐘或銣原子 鐘同步，故其偏移量都在零的上下跳動，而其平均值約為 -3.85 × 10-14秒，可說 是相當的小；而圖 4-7 為使用石英鐘之頻率穩定度，由於石英鐘本身的特性，再 加上進行clock steering的同時，GPS訊號會受到許多外在雜訊的影響，而使得修 正後的頻率較為不穩定，故其穩定度取 30 秒時約為 1.10 × 10-10，取 300 秒時提 升至 2.25 × 10-11，取 3000 秒時可達 4.88 × 10-12。
圖 4-6 使用石英鐘之時間偏移量
圖 4-7 使用石英鐘之頻率穩定度
圖 4-8 所示為使用銣原子鐘之時間偏移量，由圖中可以看到時間以很穩定的 速率偏離參考時間，這也是銣原子鐘的特性，在這裡吾人所使用的銣原子鐘時間 偏移量規格為 1 年內小於 1 × 10-10秒【Datum, 2001】，而這裡算得的平均值約為 8.43 × 10-11秒，雖略遜於具有clock steering功能的石英鐘，但仍屬正常現象；而 圖 4-9 為使用銣原子鐘之頻率穩定度，取 30 秒時約為 4.21 × 10-12，取 300 秒時 提升至 7.72 × 10-13，取 3000 秒時可達 3.16 × 10-13，平均優於石英鐘兩個級數。
圖 4-8 使用銣原子鐘之時間偏移量
圖 4-9 使用銣原子鐘之頻率穩定度 4-1-3 GPS 靜態相對定位精度評估
在瞭解石英鐘與銣原子鐘的特性之後，接下來進行 GPS 靜態相對定位的精 度評估，進而分析兩者之間的相互關係。
而在進行靜態相對定位之前，吾人先針對 TNML 固定站的觀測資料品質以 UNAVCO 所研發的 TEQC 軟體進行分析，在這裡，所採用的 GPS 觀測資料品質 指摽有三項，分別為 mp1（L1 載波的多路徑效應）、mp2（L2 載波的多路徑效應）、
o/slps（每 n 個觀測量會產生一個週波脫落）【葉大綱等，2002】，同樣是擷取 2002 年 DOY 164~170（頻率源為石英鐘）與 DOY 172~178（頻率源為銣原子鐘）共 計 14 天的觀測資料來計算，所的的結果如表 4-2 所示。
由表中可以看到，安裝銣原子鐘前後各七天的觀測資料品質大致上非常接 近，顯示於這一段期間，TNML 站的外在環境因素並無明顯的變化，僅有頻率源 由原先儀器內建的石英鐘更換為銣原子鐘，若其相對定位精度有所改變，極有可 能是頻率源改變所造成的影響。
表 4-2 TNML 站之觀測資料品質
石英鐘 銣原子鐘
DOY mp1 (m) mp2 (m) o/slps DOY mp1 (m) mp2 (m) o/slps 164 0.38 0.35 83 172 0.38 0.35 82 165 0.38 0.33 88 173 0.38 0.35 87 166 0.38 0.35 86 174 0.35 0.33 64 167 0.38 0.35 81 175 0.33 0.33 53 168 0.37 0.33 82 176 0.32 0.34 56 169 0.38 0.35 64 177 0.33 0.33 55 170 0.39 0.35 70 178 0.32 0.33 57 平均值 0.38 0.34 79 平均值 0.34 0.34 65
最後，同樣取更換銣原子鐘前後各七天的觀測資料，分別進行 TNML 站對 TWTF 站短距離（來基線距離約 25 km）的靜態相對定位，以及 TNML 站對 WUHN 站長距離（基線距離約 920 km）的靜態相對定位，來看看內部頻率源變化對於 GPS 靜態相對定位的精度影響。
基線解算同樣也是使用瑞士伯恩大學天文研究所研發的 Bernese 4.2 軟體，
在計算時，分別固定 TWTF 站及 WUHN 站的坐標來求解 TNML 站的坐標，並 將所求出 ITRF 2000 坐標系的 XYZ 坐標轉換為平面及高程方向來進行分析。
在安裝銣原子鐘前後，短距離靜態相對定位三維坐標變化量分別如圖 4-10 及圖 4-11 所示，而長短距離靜態相對定位三維坐標變化量則分別如圖 4-12 及圖 4-13 所示。
-2.5
164 165 166 167 168 169 170
DOY
172 173 174 175 176 177 178
DOY
差不多；但在高程向的定位上，則在安裝了銣原子鐘之後，其定位精度由原先的
164 165 166 167 168 169 170
DOY
172 173 174 175 176 177 178
DOY
mm；而當 TNML 站使用銣原子鐘來進行長距離靜態相對定位時，其 N 方向的
(5) fp：接收儀內部時鐘的頻率穩定度，也是以秒為單位。
其中，前三項指標是以 UNAVCO 所研發的 TEQC 軟體解算而得（詳見 2-4 節的介紹），而後兩項指標則是以瑞士伯恩大學所研發的 Bernese 4.2 版軟體計算 而得（詳見 2-3 節的介紹）。
4-2-2 實驗方法及儀器
本實驗針對五種廠牌六種型號的 GPS 接收儀進行測試，採用的儀器詳如表 4-3 及圖 4-14。為了消除不同環境因素對定位精度所造成的影響，本項測試選在 國家超短基線校正場進行，而校正場平面示意圖如圖 4-15 所示。因為測試地點 非常接近，所以各接收儀所受到的對流層及電離層誤差效應可說是完全相同，這 樣可確保在相同的環境下，針對不同儀器的特性分析其短、中、長距離基線定位 之精度，進而測試觀測資料品質與定位精度之相關性。
實驗方法為將六部儀器同時整置在 GPS 校正基樁上，於 2004 年 1 月 5 日至 7 日連續 72 小時同步接收，資料取樣間隔設定為 30 秒，衛星接收仰角為 15 度，
並藉由儀器廠商所提供之轉換程式，將各廠牌的原始觀測資料轉換成 Rinex 共通
並藉由儀器廠商所提供之轉換程式，將各廠牌的原始觀測資料轉換成 Rinex 共通