GPS 系統架構

全球衛星定位系統(GPS)只要是利用接收衛星軌道資料求解出衛星所在 位置，再計算出接收器本身與衛星間的距離，以求出GPS接收器的位置，因 此全球定位系統是一套不受地點、時間與天候影響的高精度定位系統。

全球衛星定位系統架構可分為三大部份[15]；太空部份（the space segment），控制部份（the control segment）及使用者部份（the user segment）

圖 2-1 全球衛星定位系統架構[15]

2.2.1 太空部份（the space segment）

GPS 系統之太空部份針對運行的衛星本體而言，目前係由 24 顆操作衛

星及 3 顆備用衛星所組成。三顆備用衛星的功能主要在作為衛星失效時之備 用及加強衛星之幾何分佈。在平時，這些衛星也可用於定位，故為主動預備

（active spare）方式運作。

27 顆分佈於 6 個軌道面上如圖 2-2[1]，衛星軌道相對地球赤道面的傾角 為 55°如圖 2-3，每個軌道面上至少分佈有 4 顆衛星，軌道面與另一軌道面 上的衛星則相差 40°，衛星高度為 20,200 公里，每 11 小時 58 分繞行地球一 周。這樣可以讓使用者在全球各地任何時刻都可以同時觀測到 4 顆以上的衛 星，以利實施三度空間之定位測量。

圖 2-2 衛星分布圖[1]

圖 2-3 地球赤道面的傾角[1]

2.2.2 控制部份（the control segment）

對於 GPS 導航定位而言，GPS 衛星是一動態的已知點，它是依據衛星 傳送的星曆計算而得。所謂衛星星曆即是一系列描述衛星運動及其軌道的參 數。每顆 GPS 衛星所傳送的星曆皆由 GPS 的地面監控系統所提供。

衛星進入軌道運行之後，其各種設備是否正常運作、是否依預定軌道運 行等，皆需要由地面設備來進行監測和控制。

此外，地面監控系統還有一個重要的工作，就是保持各衛星處於同一時 間標準（即 GPS 時間系統）。因此，由地面監控系統監測各衛星的時間，計 算它們的有關正數，進而將導航訊息傳送給用戶，以確保處於 GPS 時系。

GPS 之操縱控制部分已於 1985 年 9 月完成。整個控制部分包括了一個 主控站、三個地面控制站、五個監測站，而五個監測站中的三個（Ascension Island、Diego Garcia、Kwajalein)為地面控制站，其擁有專有的地面天線。

主控站位於美國科羅拉多州之 Springs，主要功能為彙整監測站所蒐集 的資料，並計算衛星的軌道與時間參數之後，做軌道平滑處理並將資料傳送 至地面控制站，然後在藉由監控站專用天線將資料上傳至衛星。除此之外，

衛星的控制與操作皆為主控站的主要任務。

每個監測站均擁有一個GPS雙頻接收機、標準銫原子鐘、感測器及資料 處理機，其座標都是經過美國國防製圖局精密測量而得。每個監測站必須每 天24小時連續追蹤觀測每一顆衛星，並將每一秒半之虛擬距離接收量及接收 所得之氣象資料及電離層資料聯合求解，得每15分鐘一個平滑資料，然後將 資料傳送至主控站。主控站即整合個監視站之資料計算衛星星曆、衛星時鐘 改正量及電離層改正係數等，並且將所得結果彙集成導航訊息傳遞到地面天 線處，再由地面天線傳送到各衛星上，以更新衛星內的資料，如此，衛星即 可傳送新的資料給使用者接收使用如圖2-4。

圖 2-4 地面控制站與衛星的示意圖[15]

2.2.3 使用者部份（the user segment）

使用者部份所指的就是能夠接收 GPS 衛星訊號及資料處理的接收器。

由於 GPS 的運用十分廣泛，使用者部份可依照目的的不同而有所不同的功 能、精度的接收器。

當 1980 年第一台商用接收儀問世後，經過這些年的發展，由於其高精 度、快速、經濟、全天候等諸多優點，GPS 已成為最受歡迎的定位技術，廣 泛的用於導航、大地測量、海上測量及製圖等領域，甚至連那些過去與定位 不大有關聯的行業，現在也採用 GPS 技術，例如火車工業、森林調查、農 作物調查等等，其受歡迎程度由此可見一般。

隨著科技的快速發展，GPS 衛星定位系統亦隨科技之進步而更新，GPS 衛星定位系統乃電子技術及電腦工業的結合，隨科技發展而進步最為神速。

目前已研究開發出小巧、輕便、價格低廉，而精度又高的迷你型 GPS 衛星 接收器如圖 2-5，其大小已縮至與手持計算機一般大小，並成為個人用導航、

定位利器。GPS 產品依照應用場合不同，可以分為袖珍式、背負式、車載式、

船用式、機載式以及彈載式等類型的 GPS 信號接收器。

圖 2-5 GPS 接收器