行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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全球衛星定位系統實習課程在衛星通訊之培育研究(1/3)
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計畫類別：□個別型計畫
█整合型計畫
計畫編號：NSC 91-MOE-S-151-002-X3
執行期間：90 年 1 月 1 日至 91 年 12 月 31 日
計畫主持人：鐘 國 家
執行單位：國立高雄應用科技大學電子系
中
華
民
國九十一年十月三十一日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
全球衛星定位系統實習課程在衛星通訊之培育研究(1/3)
An education study of practical training courses for global positioning system on
satellite communication
計畫編號：NSC 91-MOE-S-151-002-X3
執行期限：90 年 1 月 1 日至 91 年 12 月 31 日
主 持 人：鐘 國 家 國立高雄應用科技大學電子系
E-Mail:gjjong@cc.kuas.edu.tw 一、中文摘要： “全球（衛星）定位系統”是一個科學 與技術為主體所賦予的名稱，它是經由地球 大氣層的現行遙測裝置進行全球定位系統 之用途。許多科學以及工程人員，使用地面 的全球定位系統接收器為依據，進行許多全 球定位系統的發展技術。在高解析大氣層探 測方面，當處於低地球軌道全球定位系統接 收器以及二十四個全球定位系統衛星之一 的無線電路徑橫亙地球大氣層時，可以從這 些觀測過程中獲得修正，因此我們可以說： 全球（衛星）定位系統是一個尖端的衛星導 航系統。 本計畫將探討衛星通訊以及全球衛星 定位系統應用的教育研究，整合行動通訊與 無線通訊，以專題製作課程為基礎，結合介 面、量測、通訊等實習環境的實施，因此於 計 畫 執行 期 間， 進 行 不 同 全球 定 位 系 統 (GPS)教育研究的設計應用並提供良好的衛 星通訊教育訓練為目標。 關鍵詞：全球（衛星）定位系統、全球定位 系統、低地球軌道、衛星通訊。 Abstr actThe “GPS-Satellites” is a name given to the body of science and technology which makes use of the Global Positioning System (GPS) for active remote sensing of the Earth
atmosphere. Many scientists and engineers have already demonstrated a lot of the GPS development technique using ground based GPS receivers. The high-resolution atmospheric soundings can be retrieved from these observations when the radio path between a Low Earth Orbit (LEO) GPS receiver and one of the 24 GPS satellites traverses the Earth’s atmosphere. The GPS is a state of the art satellite navigation system.
In this project, we discuss an education study of the satellite communication and the application through the GPS. We combine the mobile communication and wireless communication to be based on the project courses. This courses could be linked interface、measurement and communication practical training environments. We describe the design and implementation of the GPS that offers good education training of the satellite communication.
Keywor ds ： GPS-Satellites 、 Global Positioning System (GPS)、 Low Earth Orbit (LEO)、 Satellite Communication 二、緣由與目的 全球衛星定位系統(Global Positioning System，簡稱 GPS)是一九八０年代美國國 防 部 逐漸 發 展出 來 的 全 球 性空 間 定 位 系 統，原本是作為軍事用途，比如戰機導航、 飛彈遙控等應用，近年來則逐漸轉為商業用 途。透過 GPS，不論使用者是在陸地、海面 或是空中，都可以精確測量出所在的位置
（包括了經、緯度與海拔等資訊）。 在基本的概念上﹐全球衛星定位系統， 計包括有(a)空中衛星(b)地面控制站及(c)使 用者接收器等三大主要部份，分述如下： (a)空中衛星部份： 目前已完成 24 顆衛星的發射運轉，平 均分佈於六個軌道面上，每顆衛星每天依相 同路境繞行地球 2 周，每個衛星均持續著發 射載有衛星軌道資料及時間的無線電波，這 種 設 計確 實 提供使用者在 地 面 上 任 何 時 間、地點至少可看見 4 顆以上衛星，提供地 球上的各種接收機來應用。 由於 GPS 衛星以兩種 L-Band 載波 L1(1575.42MHz) 與 L2(1227.60 MHz) 調 制 PRN 電碼，傳送其導航訊息。電碼中又分 兩 種 ， 一 為 P 電 碼 (Precise Code,10.23MHz) ， 另 一 為 C/A 電 碼 (Coarse/Acquisition Code,1.023MHz)。P 電碼 因頻率較高，不易被干擾，定位精度高，但 受美國軍方管制，民間多使用 C/A 電碼。 (b)地面控制站部份： GPS 系統架構中的地面控制系統可分 (1) 監 測 站 (Monitor Station)(2) 主 控 制 站 (Master Monitor Station)(3) 地 面 天 線 (Ground Antenna)。其中監測站共有五個， 分別位於關島(Guam)、夏威夷(Hawaii)、阿 拉 斯 加 (Alaska) 、 溫 登 堡 空 軍 基 地 (Vandenberg Air Force Base) 及 加 州 (California)。其功能乃在追蹤衛星軌道，由 接收的導航訊息中，計算相對距離、大氣校 正數據等，並將這些資料傳回主控制站，以 便分析。 主控制站位於美國科羅拉多州春田市 (Colorado Spring)，其功能為收集由監測站 傳來的數據，計算出衛星星曆、衛星時錶修 正量及電離層校正係數，同時將這些校正資 訊送至地面天線傳送回衛星，如此衛星便能 將修正後之導航訊息廣播給使用者，一般而 言，此導航訊息每八小時更新一次。 (c)使用者接收器部份： 追蹤所有的 GPS 衛星，並即時地計算 出接收機所在位置的座標、移動速度及時 間，使用者接收機的 GPS 即屬於此部份。 一般而言，在空中衛星上任何地點、時 間，天空中都至少有 4 顆衛星存在，擔任 GPS 衛星訊號發射的工作。每顆衛星都透過 精密的儀器與地面控制站的修正而有十分 精準、同步的計時器，每顆衛星都在同一時 刻發出訊號，但是由於使用者與每顆衛星之 間的距離不同，每個衛星的訊號產生延遲的 程度也不同。 使用者可以透過 GPS 接收器搜尋這些 GPS 發射衛星所發送出的訊號，利用每顆發 射衛星所傳遞出不同訊號的延遲程度，求得 相距每個衛星的距離，再以三角測量理論， 計算出使用者的所在位置座標。 三、結果與討論： 一般從實用性角度而言，我們所能擁有 及應用的部份，也就是上述第三部份的使用 者 GPS 接收器部份。 將衛星通訊以及全球衛星定位系統的 整合應用，藉以連結行動通訊與無線通訊， 以專題製作課程為基礎，結合系統化量測、 介面、通訊等實習環境的實施是本計畫之實 施目標。首先讓學生熟悉 GPS 接收器系統 模組基本功能，並且在全天候 GPS 傳送著 衛星位置資訊信號時，進行衛星信號資訊格 式的測量與分析，最後將此一衛星信號換算 成空間位置資訊，進行介面設定與數據傳 輸。 本年度進行幾種不同應用環境的全球 定位系統(GPS)教育研究實習項目，分別敘 述如下： (a)系統模組初始化： 初始化進行開機設定，在自我測試完成 後，衛星接收器隨即開始接收衛星訊號，接 收 程 序 完 全 自 動 進 行 。 狀 常 正 況 ， 定 位 約
需 45 秒 鐘 （ 如 果 內 部 記 憶 的位置推算資 料仍有效，則只需 38 秒鐘）。定位後，有 效的位置、速度、及時間資料即由系統模組 輸出端輸出。 衛星接收器則利用內部儲存的初始資 料 ， 如 次 儲 存 的 位 置 、 日 期、時 星 間 及 衛 軌道資料，以達到最佳的接收效果。如果內 部儲存的初始化資料不正確或衛星軌道資 料已被清除，則需要較長的時間才能定位。 另外自動尋找衛星功能，可以自動決定搜尋 衛星方式，以儘速定位，而不需要運用其它 功能。 (b)信號量測資訊格式： 衛星接收模組可藉由 RS-232 或 TTL 相容介面與其它電子設備溝通，並且以系統 模組內建之充電電池（內建電池為一種選用 功能）加以儲存衛星資料，例如：衛星訊號 狀 態 、 次 位使 用 的 置最 後 、日期 及 時 間 等。由於衛星接收模組能同時追蹤 12 顆定 位衛星的訊號，每 0.1 秒 接 收 次 ，每秒更 新 次 定 位 資 訊 。 通 常 處在關閉狀態的接收 功能，也能開啟定時定位（Push–to–Fix） 功能，迅速提供使用者定位資訊。 接 收 模 組 所 接 收 的 資 訊 格 式 為 ASCII ， 輸 出 計 有 下 列 格 式 ： GPGGA,GPGLL,GPGSA,GPGSV, GPRMC, GPVTG 等。 由於上述幾種資訊格式中，GPRMC 為 一 種 最 起 碼 的 傳 送 規 格 資 料 （ RMC: Recommended Minimum Specific），其資訊 輸出範例為： $GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158. 3416,W,0.13,309.62,100502, *10，資料格式 如（表一）各欄位之說明所示。 (c)介面設定與數據傳輸： 介 面 採 雙 向 傳 輸 ， 並 提 供 相 容 介 面 RS-232 及 TTL 兩種輸出格式，使用者可 自選傳輸速率 4800（出廠預設值），9600， 19200 或 38400 bps。在衛星接收模組導航 定位後，便經由輸出端，開始傳送有效的導 航 資 料 。 這 些 資 料 傳 送 如 之資訊 ： (1)經 度/緯度/高度(2)速度(3)日期/時間(4)估計誤 差值(5)衛星狀態及接收狀態等。 由於衛星接收模組軟體介面格式是根 據 NMEA(National Marine Electronics Association)0183 ASCII 的格式設計而成， 這 個 格 式 完 整 規 範 於 RTCM （ Radio Technical Commission for Maritime Services）格式。計畫所使用的衛星接收模 組可提供 NMEA-0183 標準輸出格式，其 NMEA 預設值為：傳輸速率（Baud Rate） 4,800 bps，資料位元：8（Bits），停止位元 （Stop bit）及無極性輸出（No parity）。
四、成果自評： 本計畫為了探討衛星通訊以及做為通 訊保密之用途並結合全球衛星定位系統應 用的教育研究，藉以進一步提昇學生專題製 作以及實務應用能力，提供一個能結合介 面、量測、通訊等實習應用環境需求。 在本年度已經完成之具體化工作項目 如下： (a) 系統模組初始化 (b) 信號量測與資訊格式 (c) 介面設定與數據傳輸 此一以實務性、實用性為導向之教育研 究計畫中，可以獲致下述目標： (1)分別對於一般型式的 GPS 接收器以及差 分定位法 DGPS 接收器的信號進行量測 工作。 (2)藉由此兩種不同解析功能的全球定位系 統，進一步比較一般型式的 GPS 以及差 分定位法 DGPS 接收器當中，其衛星定 位位置資訊信號數據的差別。 (3)透過單晶片微電腦的串列介面或使用個 人電腦的串列介面(Com1.或 Com2.)來處 理數據，顯示於液晶顯示器(LCD: Liquid Crystal Display)或電腦螢幕上。
本計畫執行後，其具體成果如下: (1)建立學生使用全球衛星定位系統的基本 能力，使學生瞭解衛星定位位置資訊信 號的數據資料所代表之意義。 (2)配合一系列教育研究實習，進行 GPS 資 料的監控、測試與整合，藉以提昇學生 在衛星通訊以及全球衛星定位系統領域 之實務能力之教育研究。 (3)在可預見的未來，以 GPS 技術發展出來 的汽車導航系統，將全面配備在每輛汽 車的儀表板上。因此 GPS 同時扮演著休 閒、通訊、防竊、救難等多樣化功能。 結合 GPS 之應用於產業界，為本計畫之 最佳具體成效。 五、參考文獻
[1]M. Bevis, S. Businger, S. Chiswell, T. Herring, R. Anthes, C. Rocken, and R. Ware, 1994 “GPS Meteorology: Mapping Zenith Wet Delays onto Precipitable Water”, Journal of Applied Meteorology, vol. 33(3).
[2]K. R. Hardy et. al., 1992 “Atmospheric
Profiles From Active Space-Based Radio Measurements”, Conference on Satellite Meteorology and Oceanography, Atlanta, GA. Published by the American Meteorological Society, Boston, Mass. [3]W. G. Melbourne et. al., 1988 “GPS
Geoscience Instrument for EOS and Space Station”, JPL proposal to NASA AOOSSA-1-88.
[4]R. P. Malla, et. al., 1992 “Geocenter Location and variations in Earth Orientation using GPS”, JGR- Solid Earth. [5]C. Rocken and C. Meertens, 1991
“Monitoring Selective Availability Dither Frequencies and Their Effect on GPS Data”, Bulletin Geodesique, 71, pp.162-169.
[6]J. J. Spilker, Jr., 1978 “GPS Signal Structure and Performance Characteristics”, Journal of Navigation, vol.25(2), pp. 121-146. [7]陳克任、陳森元編著，1998 ”通訊系統”， 高立圖書公司。 [8]陳克任編著，1999 ”衛星通訊”，儒林圖 書公司。 訊息代號名稱 $GPRMC 實例(單 位) RMC 規範抬頭敘述說明 標準定位時間 161229.487 時時分分秒秒.秒秒秒 定位狀態 A A = 資料可用，V = 資料不可用 緯度 3723.2475 度度分分.分分分分 北半球或南半球指示器 N 北半球（N）或南半球（S） 經度 12158.3416 度度度分分.分分分分 東半球或西半球指示器 W 東（E）半球或西（W）半球 對 速 度 0.13 (節) 0.0 至 1851.8 節 對 方 向 309.62 (度) 實際值 日期 100502 日日月月年年 磁極變量(1) (度) 東（E）半球或西（W）半球 總和檢查碼 *10 <CR> <LF> 訊息控制終止控制碼 （表一）RMC 資料格式
