中 華 大 學

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碩 士 論 文

題目：以 DSP 為平台之 GPS/DR/GIS 與聲控整合 式載具平面導航系統設計

DSP-Based GPS/INS/DR/GIS and Voice Control Vehicle Navigation System Integration

系 所 別：機械與航太工程研究所 學號姓名：M09208044 陳 嘉 賢 指導教授： 林 君 明 博 士

中華民國 九十四 年 七 月

中文摘要

本研究是利用數位訊號處理器（DSP）及卡門濾波器技術，整合慣性導航 系統與全球衛星定位系統，進行載具即時(Real-Time)的導航與定位。詳細而言 是整合全球衛星定位系統(GPS)、方位推估系統(DR)，與地理資訊系統(GIS)而成 一複合式導航系統。硬體部分是以數位訊號處理器（DSP）作為運算核心，以卡 門濾波器(Kalman Filter)，進行信號的整合，構建一系統階數較低，而容易實 現的閉迴路分散式 (Loosely Coupled-Closed Loop) 複合導航系統，以進行載 具之平面即時定位。而在整合 GIS 系統方面，主要是以電子地圖為輔助，將即時 運算的座標值，傳給使用者介面，即時的展示在電子地圖上。所以我們只要觀測 地圖，就可獲知載具現在的所在位置。

本研究也有針對 GPS 脫鎖時的情況，進行 DR 系統的性能分析，發現只要 GPS 鎖定的時間夠長，DR 系統的誤差就會很快的收斂。而當 GPS 脫鎖時,DR 系統 的發散速率就不會太快。所以如果 GPS 在短暫時間內脫鎖時，系統仍能維持不錯 的導航運作，這也就是本研究為何要把 GPS 和 DR 系統整合在一起的緣故。此外 本論文也利用語音控制板，整合 8051 單晶片微電腦，控制兩組直流馬達正反轉，

分別進行前近、後退，停止、及左轉、右轉等五個動作。所以完成ㄧ台簡易式聲 控車，可將導航系統放置在上面，來建構智慧型聲控導航系統，而可應用於非常 多的領域。

關鍵字：全球衛星定位系統、方位推估系統、卡門濾波器、閉迴路分散式、地理 資訊系統、閉迴路分散式複合法。

Abstract

The purpose of this research is by using DSP and Kalman Filter technology to integrate Dead Reckoning (DR) System, Global Position System (GPS) as well as Geographic Information System (GIS) into a real-time vehicle navigation system. The DR system is consisted by an accelerometer as well as a gyro-compass, and aided by GPS with loosely-coupled closed-loop structure, such that it can be easily implemented with lower order computation requirement and shows the result on GIS display.

The lose track condition of GPS is also studied, and which shows that the resulting system can also provide navigation information.

In addition, we also use a single chip 8051 microcomputer and a voice control module to drive two DC motors respectively under the command of step forward, backward, stop, and turning left or right. Thus the final system is as an intelligence voice control GPS/DR/GIS navigation vehicle.

Keywords: (Global Positioning System ,GPS)、(Dead-Reckoning ,DR)、 (Kalman Filter)、(Loosely Coupled-Closed Loop)、(Geographic Information System ,GIS)、( Voice Control)

誌謝

在這兩年研究所的求學生活中，內心特別要感謝的是我的指導教授 林君明 博士，在老師跟前學習令吾人獲益良多，多元化的學習環境，與其不倦悉心指導 和循循善誘下，不管是在學業或是人生的規劃上，亦給予我許多的指導與寶貴的 意見，鍛鍊了獨自解決問題的方法與能力。同時亦要感謝陳振文博士、黃榮興博 士、范志海博士給予許多寶貴的指導與建言，使得本論文能順利完成且不致闕失 太多而更臻完善。

再來，要感莊凱驛與鄭竣元學長在研究上給予的指教，同學建煜、鴻新、凱 博、育德、兆弘及俊杰、政嶽、秉潞、安瑾等學弟們在研究和生活上適時的幫忙，

非常的感謝。

更要感謝我的家人，父母親的全力支持與栽培，時時刻刻給予我在精神上的 衷心支持與鼓勵，再加上對我無限的包容和永遠的關心。

我該感謝的人很多，感謝曾經授課於我的每一位師長，感謝在實驗上幫助及 關心過我的大家，謝謝你們讓我的研究生活多采多姿，順利的踏出校園，進入人 生的另一個旅程，在此由衷感謝，謝謝。

謹識 中華民國九十四年七月十八日 于新竹

目錄

中文摘要……….….……Ⅰ

英文摘要………..Ⅱ

誌謝………...Ⅲ

目錄………..……..………...Ⅳ

圖目錄……….……….…………. ..Ⅷ

表目錄………..………...….…..…XII

第一章 緒論

1.1 簡介………...……….1

1.2 研究動機與方法………...……….3

1.3 相關文獻回顧………...……….5

1.4 論文內容摘要………...……….6

第二章 全球定位系統 2.1 GPS 定位系統簡介……….7

2.2 GPS 定位系統的基本架構………11

2.3 GPS 定位系統的訊息結構………13

2.4 GPS 定位系統的觀測量與定位………18

2.5 全球定位系統系統誤差源分析………..………...……… 21

第三章 GPS/DR/GIS 整合系統 3.1 DR 系統架構………...……….….……….26

3.2 DR 導航原理………...………..………….27

3.3 DR 的訊號誤差討論……….………...………..28

3.4 座標系統介紹………...………...29

3.4.1 地固地心座標系(ECEF)...29

3.4.2 世界地理座標(WGS-84)………..30

3.4.3 X-Y 2D座標系統………32

3.5 地理資訊系統簡介………..………...….36

3.6 卡門濾波器(Kalman Filter)……….38

3.7 GPS/DR複合式導航系統之理論...40

3.8 GPS/DR/GIS/DSP 系統硬體架構...47

3.9 GPS/DR/GIS/DSP 系統軟體架構……….49

3.10 DR實驗設備……….51

3.10.1 GPS接收機模組……….51

3.10.2 數位羅盤模組………..51

3.10.3 加速儀模組………...54

3.10.4 GIS 系統的建置………...56

第四章 簡易式聲控車 4.1 語音辨識簡介…….………....64

4.2 語音辨識技術應用………...65

4.3 語音辨識聲控模組………...69

4.4 單晶片(8051)系統建構………...71

4.5 馬達控制系統製作……….……….76

4.5.1 馬達應用介紹………..76

4.5.2 馬達控制系統設計與架構………...77

4.5 聲控車………..…………81

第五章 數位信號處理器

5.1 數位訊號處理器簡介………..82

5.2 DSP 系統整合應用……….………...…....84

5.3 TI TMS320C6711 晶片………..……...90

5.4 TI TMS320C6711 DSK………...94

5.5 UART Serial Daughter Card………...….98

第六章 系統軟、硬體架構與實驗結果 6.1 導航系統硬體架構……….…...99

6.2 導航系統軟體架構……….……...……101

6.3 實驗數據與分析……….……...103

6.3.1 GPS 靜態性能測試分析………..103

6.3.2 DR 靜態性能測試分析………104

6.3.3 GPS/DR/GIS/DSP 動態整合性能測試分析………105

第七章 結論與未來展望 7.1 結論………..….….116

7.2 未來展望………..……..117

參考文獻………...…….118

附錄一………121

附錄二………122

附錄三………123

附錄四………124

附錄五………125

附錄六………126

附錄七………127

附錄八………128

附錄九………129

附錄十………130

附錄十一………131

附錄十二………132

附錄十三………133

附錄十四………134

附錄十五………135

附錄十六………136

附錄十七………137

附錄十八………138

附錄十九………139

附錄二十………140

附錄二十一………141

附錄二十二………142

附錄二十三………143

附錄二十四………144

附錄二十五………145

附錄二十六………146

圖 目 錄

圖 2.1 GPS 定位系統衛星及軌道分布圖………...7

圖 2.2 全球定位系統架構………...11

圖 2.3 衛星位置與接收機間的示意圖………..12

圖 2.4 衛星訊號架構圖………...13

圖 2.5 原子鐘的基本頻率 f 與 L1 及 L2 載波頻率的關係圖………..14 ₀ 圖 2.6 衛星訊息(Navigation Message)架構圖………15

圖 2.7 衛星導航訊息資料格式圖………...………15

圖 2.8 載波相位測量示意圖………...19

圖 2.9 GPS 定位三大誤差源………....21

圖 2.10 GPS訊號受到高樓影響產生出多重路徑及假象訊號示意圖...23

圖 3.1 方位推估法原理示意圖………...………...27

圖 3.2 DR的誤差理論示意圖………...28

圖 3.3 WGS-84橢球座標與直角座標的關係圖………..………30

圖 3.4 台灣地區 TM 2度座標系統示意圖.………....35

圖 3.5 卡門濾波器運算方塊圖………..39

圖 3.6 分散式卡門濾波器閉迴路複合式導航系統圖………..40

圖 3.7 載具導航座標系幾何關係圖...41

圖 3.8 GPS/DR/GIS/DSP複合式定位系統硬體架構圖………..…47

圖 3.9 硬體電路整合外觀圖………..48

圖 3.10 穩壓安全裝置圖………..48

圖 3.11 外部資料整合流程圖………...49

圖 3.12 GPS/DR/GIS整合導航系統軟體畫面圖………...50

圖 3.13 GPS 9540接收機模組圖………51

圖 3.14 GPS NMEA-0183標準格式………..51

圖 3.15 數位羅盤模組外觀圖………..52

圖 3.16 數位羅盤輸出腳位圖………..52

圖 3.17 數位羅盤一般模式(Normal Mode)操作圖……….53

圖 3.18 ANALOG DEVICE 加速儀模組圖……….54

圖 3.19 水平放置模組圖………...55

圖 3.20 垂直放置模組圖………...55

圖 3.21 Region To MapInfo 格式轉換程式畫面圖………56

圖 3.22 Bridge To MapInfo 格式轉換程式畫面圖………57

圖 3.23 Landmmark To MapInfo 格式轉換程式畫面圖………..57

圖 3.24 Rail To MapInfo 格式轉換程式畫面圖………...….58

圖 3.25 Road To MapInfo 格式轉換程式畫面圖………58

圖 3.26 Tunnel To MapInfo 格式轉換程式畫面圖………59

圖 3.27 River To MapInfo 格式轉換程式畫面圖………..59

圖 3.28 Mapinfo Import 功能圖……….60

圖 3.29 mapinfo.bat 檔案修改方式圖………..61

圖 3.30 GIS 圖層製作流程圖………..62

圖 3.31 引入 Map X 元件圖………63

圖 3.32 建構完成的 GIS 系統………63

圖 4.1 聲音的發聲原………..………...…..65

圖 4.2 單閉合音響管的共振情形圖………..……….65

圖 4.3 語音信號編碼及解調電路方塊圖………..……….……68

圖 4.4 VCM 語音辨識模組………70

圖 4.5 8051 模組控制中心方塊圖………..………….72

圖 4.6 8051 模組控制中心實體圖……….………..73

圖 4.7 8051 模組程式流程圖………...………74

圖 4.8 uVision2 視窗版(Keil-C) 軟體介面圖……….…75

圖 4.9 以馬達所使用的電源進行分類的馬達種類概略………...76

圖 4.10 直流馬達包含定子磁場繞組、電刷、整流子及轉子繞組………...77

圖 4.11 直流馬達控制系統電路圖………...…78

圖 4.12 直流馬達控制模組實體圖………...…79

圖 4.13 馬達#1 控制左轉、右轉實體圖……….79

圖 4.14 馬達#2 控制前進、後退、停止實體圖………...…80

圖 4.15 聲控車系統架構圖………...…81

圖 4.16 簡易式聲控車實體圖………...81

圖 5.1 DSP 系列產品發展趨勢示意圖..……….82

圖 5.2 TMS320 各系列的特有功能及分類示意圖……….………..83

圖 5.3 DSP 模組與馬達控制應用方塊圖………..…...85

圖 5.4 DSP 模組之語音應用方塊圖………...86

圖 5.5 DSP 模組之通訊應用方塊圖………...87

圖 5.6 DSP 模組之影像應用方塊圖………...88

圖 5.7 DSP 模組之電力監測控制系統方塊圖……….……89

圖 5.8 TMS320C6711 CPU 模組核心架構及周邊裝置之工作方塊示意圖…...93

圖 5.9 C6711DSK 實際模組示意圖…………...……….……….……...96

圖 5.10 周邊介面擴充連接埠示意圖………..……..…..……….97

圖 5.11 記憶體介面連接埠示意圖………..…………...97

圖 5.12 UART Serial Daughter Card 系統架構圖...98

圖 5.13 UART Serial Daughter Card 實體圖………...………..98

圖 6.1 GPS/DR/GIS/DSP 整合導航系統方塊示意圖…………..….………99

圖 6.2 GPS/DR/GIS/DSP 整合之導航系統硬體示意圖….…..…..………....100

圖 6.2 GPS/DR/DSP 導航系統置於車上測試示意圖………..…...….…………...100

圖 6.4 Code Composer Studio(CCS)程式介面示意圖………...101

圖 6-5 DSP 程式計算流程圖...102

圖 6.6 9540 GPS 經度靜態飄移量圖…………...………....103

圖 6.7 9540 GPS 緯度靜態飄移量圖……….………...103

圖 6.8 數位羅盤靜態測試圖……….104

圖 6.9 加速儀靜態測試圖………..……….…………...104

圖 6.10 中華大學校區 GPS/DSP 實際路測圖…...……….………...105

圖 6.11 中華大學校區 GPS/DR/DSP 與脫鎖實際路測實際路測圖………106

圖 6.12 P11(X 座標)誤差共變異數圖……….……...107

圖 6.13 P22(Y 座標)誤差共變異數圖……….….107

圖 6.14 P33(X 速度)誤差共變異數圖……….….……108

圖 6.15 P44(Y 速度)誤差共變異數圖………..……....108

圖 6.16 P55(羅盤方向角)誤差共變異數圖………...……….….109

圖 6.17 P66(羅盤方向角 bias)誤差共變異數圖………...………..109

圖 6.18 P77(加速度)誤差共變異數圖………...………..110

圖 6.19 P88(加速度 bias)誤差共變異數圖………...…..110

圖 6.20 Kalman Gain K11 圖………...…111

圖 6.21 Kalman Gain K22 圖………..…….111

圖 6.22 Kalman Gain K33 圖………..…….112

圖 6.23 Kalman Gain K44 圖………...112

圖 6.24 Kalman Gain K55 圖……….…………..113

圖 6.25 Kalman Gain K66 圖...113

圖 6.26 Kalman Gain K77 圖………..…….114

圖 6.27 Kalman Gain K88 圖………...………114

表 目 錄

表 2.1 各 GPS 衛星之狀態………...…....9

表 2.2 子框一衛星軌道之資料………..……...15

表 2.3 子框二與三衛星傳送之傳送資料………..………...16

表 2.4 星曆資料………..…………...…...17

表 2.5 GPS 各種誤差範圍表………..……....24

表 3.1 各種GIS地理資訊應用軟體性能比較表...37

表 3.2 GPS優缺點比較表………...40

表 3.3 DR優缺點比較表……….…40

表 3.4 台灣各縣市數值資料英文代碼對照表………56

表 4.1 語音辨識代碼與馬達控制對照表………72

表 4.2 J1 控制馬達#1 的前進、後退、停止………78

表 4.3 J2 控制馬達的左轉、右轉………...…….78

第一章 緒論

1.1 簡介

現代人對於全球衛星定位系統(Global Positioning System 簡稱，GPS)已 經不是很陌生了，雖然 GPS 系統一開始是為軍事目的而建立的，但它很快在民用 方面得到了極大的發展，特別在出現了車載 GPS 導航系統後。因為汽車一旦安裝 了 GPS 後，人們長途駕駛，再也不會迷失方向，再遠的地方也胸有成竹了。而在 市區裡，GPS 配合電子地圖，也能使“路癡們＂，輕鬆找到每一條小巷。

近幾年 GPS 已經很廣泛的使用日常生活中，最常見的就是搭配在汽車的導航 設備中。隨著 GPS 與週邊應用的整合，使 GPS 接收機體積及定位效果一直在進步。

名片般大小，甚至如硬幣大小的接收機都已經出現，目前更已經模組化，而與手 機結合。因此衛星導航成為目前全球最熱門，也是最有潛力之自主性導航方式。

目前在 GPS 導航系統中，有單獨的 GPS 系統、DGPS、GPS/INS 複合式系統【1】、 及 GPS/DR 複合式系統【13】【50】，全球定位系統【2】使用最為廣泛，這是因為 它具有全球性（Global）、全天候（All-weather）、精度高、即時定位速度快等 多項優點，而且可運用在許多不同方式之定位需要。由於 GPS 系統是接收衛星的 訊號，所以會受天候、環境、以及載具本身的運動及姿態的影響，而產生遮蔽、

干擾甚至脫鎖，所以一般無法完全仰賴 GPS 系統，提供不中斷的的導航資訊，是 為最主要之缺點。

慣性導航系統(Inertial Navigation System，簡稱 INS )【3】，是一自主 式的電子導航系統，一般是使用加速儀(Acce1erometer)與陀螺儀(Gyroscope) 等感測器，利用地球的慣性重力與載具相對運動，來感測載具之加速度及角速 度。再利用慣性導航系統之動態方程式，就可即時（Real-Time）求得載具之速 度、位置的變化，而得到載具於慣性座標系統之定位資訊。雖然慣性導航系統不 會受環境、天候與地形等外在因素的影響，但其系統會發生漂移的現象。長時間 的工作會使系統誤差增加，進而產生系統發散的現象。因此不適合做長時間的定

位。若要做長時間的使用，則需搭配其他的導航系統做校正的動作。也因為有這 個原因，所以可整合全球定位系統與慣性導航系統，選擇 GPS 定位系統在一般性 情況下有長時間穩定的特性，與慣性導航系統所具有自主、完整的特性。二者互 相搭配，故可應用於日常生活中的汽車定位導航系統設計，使之成為完整的電子 式導航系統。

1.2 研究動機與方法

DR(Dead-Reckoning )，簡稱方位推估法，或自立導航法，這是一種類似慣 性導航的方法。最先 DR 是用於航海的，利用感測器去量測位移及方向，進而推 估出定位資訊，是一個自主的系統，在短時間內，能有不錯的精度。但由於感測 器本身有漂移的誤差，如果經過長時間的誤差積分會逐漸發散，但透過 GPS 的長 時間定位的穩定特性，即可對 DR 做修正。而且在感測器的數目上比起 INS 系統 來說，可減少許多建構上的成本，對於一般的汽車導航系統，也可提升導航的準 確度，所以較易搭配在汽車上。

以往 GPS/DR 整合的相關研究，曾提出過的有八個狀態的卡曼濾波器，系統 進行 GPS/DR 之整合。包含 X、Y、Z、Vx、Vy、Vz、時序、時序漂移。其將地球 假設成圓形下使用 3 維座標系統，但未考量尺度誤差及方位偏差。也有以 3 維 圓形座標系統，進行 10 個狀態卡曼濾波器之 GPS/DR 整合系統，包含 X、 Y、Z、

Vx，Vy，Vz、時間、時間漂移、尺度誤差、方位偏差，使車輛導航器於廣域使用 時，亦能維持相同之準確度【呂志宏，1983】。本研究利用 X-Y 2D 座標系統，就 是將參考橢球體上的經緯度位置，利用地圖投影的方式投影到一平面，用來表示 點位間於平面空間關係的二維座標。提出八個狀態包含 X、Y、V_X、V_Y、θ 、

θ

_a、

a、a 整合卡門濾波器(Kalman Filter)與聲控，進行 GPS/DR/GIS/DSP 在汽車_b 導航上運用。

數位信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)與現代科技生活的關係 日益密切，諸如大哥大手機、汽車電腦系統、數位相機、高速傳真機、及寬頻網 路等新科技產品均廣泛使用 DSP。數位信號處理器無論是在資料處理的速度，或 是穩定性都有大幅的進步。因此使用 DSP，為平台的電子式導航系統，已成為今 日的重要趨勢。在汽車導航系統中最重要的關鍵性能，乃是汽車的定位精度。當 2000 年 5 月美國政府宣佈取消 SA(Selective Availability)效應，也消除 GPS 最大的誤差來源，相對的提高一般 GPS 接收的精度。但是在某些的地方，會有訊

號接收不良的狀況，如高樓林立、大樓的地下室及公路的隧道中，這是目前一般 的汽車導航系統的缺點。為了改善此缺點，因此有 GPS/INS 整合式定位導航系統 產生。之前已有多人做過 GPS/INS 整合在載具定位與導航有關的研究【4,5,6, 7】，無論是用軟體模擬或硬體實驗，都說明了此複合式導航架構的可行性。

本研究是採用 TMS320C6711 DSK 數位訊號處理器(Digital Signal

Processing，簡稱 DSP)，利用 Code Composer Studio(CCS)作程式開發工具，研 發導航系統的軟體程式，植入 TMS320C6711 DSK。利用 GPS 與 DR 兩系統之所長，

補其所短，以 GPS 訊息修正 DR 隨時間而累積的誤差，以 DR 的訊息，解決 GPS 訊號脫鎖的問題，而建構一套 GPS/DR 複合式系統。並使用 VB 6.0 整合元件，做 出一套 GIS(Geographic Information System) 系統【鄭竣元，2004】，來整合 GPS/DR 複合式導航系統，做出一低成本而且可靠度高的整合式電子地圖導航定 位系統。其中是利用卡門濾波器(Kalman Filter)將 GPS 與 DR 整合在一起，成為 獨立的嵌入式系統，以達成即時(Real-Time)汽車導航的目的。並利用語音控制 板，整合 8051 單晶片電腦分別控制兩組馬達正反轉，完成前近、後退，停止、

及左轉、右轉五個動作，製作ㄧ台簡易式聲控車，將導航系統放置在上面，來模 擬智慧型聲控導航系統的建構。

1.3 相關文獻回顧

一般的車輛導航系統(Vehicle Navigation System)，都採用全球定位系統 (GPS)，作為車輛導航的輔助修正。而慣性導航系統則為主體，其整合的方式有 GPS/INS、DGPS/INS【7,8,9,10】，使用的硬體方面，包括有磁羅盤(Magent Compass)、陀螺儀、加速儀等。

車輛導航使用方位推估器(Dead-Reckoning Method，簡稱 DR)，或慣性導航 系統(INS)各有其優、缺點，而為一互補的關係。對於 GPS/DR 兩者的整合的文獻

【11,12,13,14】，其中郭孝立【13】提出 GPS 與數位羅盤與計步器整合 DR 系統 運用在個人定位上，但並沒有整合 GIS 系統。鄭竣元【14】提出 GPS 與數位羅盤 與加速儀整合 DR 系統利用筆記型電腦做運算，整合卡門濾波器(Kalman Filter) 與 GIS 系統做即時顯示，運用在汽車導航定位上。本研究使用 TMS320C6711 DSK 整合 GPS/DR/GIS 與卡門濾波器(Kalman Filter)與聲控，將所有資訊整合在一 起，可使汽車導航定位方面更加精確，更增加其附加價值。

在導航定位方面，為使其定位的精準度更加精確，其改進的方法也有如載波 相位【15】、差分載波相位【16】、及 FUZZY Control【17】等，但缺點是計算量 較大，很難達成即時定位的需求。

本文另一個重點是智慧型語音導航，其中語音辨識最主要的目的，是希望電 腦聽懂人類說話的聲音，進而命令微電腦執行相對應的工作。一般語音辨識事先 都儲存聲音樣本，然後當有輸入的聲音就可進行比對工作。比對完成後輸出一個 它認為最“像＂的聲音樣本序號，我們就可以知道使用者的聲音代表何意，進而 命令微電腦做動作。

本文語音辨識是應用文獻【18,19】，利用語音辨識製作身體障礙者之導航載 具【20】，提供身心障礙者一個無障礙的環境。整合智慧型導航定位系統，將可 增加其實用價值。

1.4 論文內容摘要

本研究是使用一個加速儀與一個數位羅盤，構成一個 2D 的固裝式慣性導航 系統，利用 8051 模組做慣性導航系統，與麗台 GPS 9450 接收機的硬體整合，採 用 Loosely Coupled-Closed Loop 架構。其優點是容易整合，數學的運算階數不 會太高，系統可以達到即時(Real-Time)導航。故可改善如果 GPS 接收機脫鎖時，

沒有導航的資訊的問題。而另一方面，如果只有慣性導航系統，則系統在長時間 定位時，系統的精度會有發散的現象，而無法修正。

因此本研究特別有針對 GPS/DR 整合式的導航系統，在 GPS 有遮蔽效應下脫 鎖時的性能檢測。由實驗結果可知如果 GPS 短時間內的脫鎖，DR 導航系統所提 供的定位資訊，精確度還不錯。再加上此次的研究是以嵌入式系統的硬體為導 向，除了系統體積小外，其可靠度也有相對的提升。因此運用這種 DSP 嵌入式系 統的 GPS/DR 的導航系統，除可使 GPS 與 DR 互補，取其優點而避其缺點，更好的 它為一個可靠且實用化的導航系統。此外本研究尚整合語音控制板進行馬達控 制，建構一個智慧型聲控導航系統以供盲人或殘障人士導航之用。

論文的架構共分為七章，主要內容概述如下：

第一章：緒論。

第二章：簡介 GPS 系統基本架構、信號訊息結構、GPS 系統的觀測量與定位方 法、及 GPS 各種誤差來源探討。

第三章：簡介 GPS/DR/GIS 整合系統之理論架構，而後進行卡門濾波器之數學方 程式推導 DR 感測器元件的特性及 GIS 系統的介紹。

第四章：簡介語音辨識應用於馬達控制，實作簡易式聲控車的介紹。

第五章：簡介數位訊號處理器(DSP)，如何應用於智慧型聲控導航系統。

第六章：簡介整合式智慧型聲控導航系統的軟硬體架構，與實驗結果的分析。

第七章：結論與未來展望。

第二章 全球定位系統

2.1 GPS 定位系統簡介

全球定位系統(Global Positioning System) 【2】【21】【22】【23】是美國 國防部自 1973 年起為了軍事定時、定位與導航目的而建立。歷經三個階段，耗 時 20 年並投資 300 億美元，於 1993 年 6 月佈署完成之三維精確定位系統。目前 美國已開放 GPS 系統，免費提供世界各國及民間之應用。

GPS 在民間的應用日益普遍，近年來也慢慢形成航太工業體系中的另一個領 域，GPS 的應用範圍，也隨著每一個人的想像力在擴展當中。自 1973 年代此系 統初次形成時，它的定位準確性就令人震驚，GPS 系統隨著時間的演進而日益完 備，在幾次美國介入對外的戰爭中，展現出其優異的表現。這也證明了 GPS 系統 原先的構想及設計的完整性，美國軍方各兵種也因為此原因，相繼投入各項 GPS 軍用設備的研發。由此可以預見，在未來以科技為主的戰爭中，GPS 設備將會繼 續扮演不可或缺的角色。

GPS 系統衛星壽命部分，美國已開始製造第三代衛星，其使用的壽命可以提 高為 15 年，這可以改善衛星接替頻繁的問題。第三代的 GPS 衛星全部建構完畢 後，其功能上有以下的改良：

1. 在沒有地面支援的情形下，系統可維持正常運作六個月 2. 系統的上連（Uplink）壅塞的狀況可以改善

3. 定位及導航的精準度可以再提高

4. 由於衛星的性能提高，海外上鏈監控站的數量可以減少 5. 衛星材料的品質提高，可大幅提升系統的穩定度

GPS 系統包含 BLOCKⅠ,BLOCKⅡ/ⅡA 等 24 顆操作使用衛星，及(BLOCKⅡR) 3 顆預備衛星。2000 年後有第二代後續型(BLOCKⅡF)，乃至第三代的衛星以取代 先前第二代衛星。這些衛星均勻分佈在 6 個軌道面上，軌道面與赤道成 55 度的

傾角，各軌道面上之衛星相距 90 度。

GPS 衛星軌道高度距地球表面約 20200 公里，每一顆衛星運行地球一週時間 為 11 小時又 58 分，如圖 2-1 所示。所以在全球各地任何時間，仰角為15 以上，^° 最少可以觀測到四顆衛星(一般可以觀測到四至六顆)。透過四顆衛星的幾何位置 關係，再經由聯立之導航方程式加以運算，就可以得到連續且全天候的即時導 航，或利用不同的定位技術提供不同的定位精度。表 2-1 為 2000 年 10 月各 GPS 衛星之衛星(Space Number Vehicle, SVN)編號、偽亂碼(Pseudo Random Noise, PRN)編號、型號、發射日期、軌道位置、啟用日期、截止日期及工作月數。所謂 的偽亂碼編號為每一衛星之特定識別號碼，軌道位置以一英文字母及一阿拉伯數 字描述，前者代表軌道面，後者則代表於軌道面的位置。

圖 2.1 GPS 定位系統衛星及軌道分布圖

表 2-1 各 GPS 衛星之狀態

衛 星 編 號(SVN)

PRN 編號

任務 編號

發射 軌道

位置

啟用 工作截止 工作

月數

1 4 Ⅰ-1 22-Feb-78 ** 29-Mar-78 25-Jan-80 21.9 2 7 Ⅰ-2 13-May-78 ** 14-Jul-78 30-Aug-80 25.5 3 6 Ⅰ-3 6-Oct-78 ** 9-Nov-78 19-Apr-92 ^161.3 4 8 Ⅰ-4 11-Dec-78 ** 8-Jan-79 27-Oct-86 93.6 5 5 Ⅰ-5 9-Feb-80 ** 27-Feb-80 28-Nov-83 45 6 9 Ⅰ-6 26-Apr-80 ** 16-May-80 10-Dec-90 126.8

7 ** Ⅰ-7 18-Dec-81 ** ** ** 0 8 11 Ⅰ-8 14-Jul-83 ** 10-Aug-83 4-May-93 116.8

9 13 Ⅰ-9 13-Jun-84 ** 19-Jul-84 25-Feb-94 115.2

10 12 Ⅰ-10 8-Spe-84 ** 3-Oct-84 18-Nov-95 133.5

11 3 Ⅰ-11 9-Oct-85 ** 30-Oct-85 27-Feb-94 99.9 14 14 Ⅱ-1 14-Feb-89 ** 14-Apr-89 14-Apr-00 137.5

13 2 Ⅱ-2 10-Jun-89 B3 12-Jul-89 使用中 134.5

16 16 Ⅱ-3 17-Dec-89 E5 13-Sep-89 使用中 132.5

19 19 Ⅱ-4 21-Oct-89 A4 14-Nov-89 使用中 130.5

17 17 Ⅱ-5 11-Dec-89 D3 11-Jan-90 使用中 128.6

18 18 Ⅱ-6 24-Jun-90 F3 14-Feb-90 使用中 ^127.5 20 20 Ⅱ-7 25-Mar-90 B5 19-Apr-90 10-May-96 72.7 21 21 Ⅱ-8 2-Aug-90 E2 31-Aug-90 使用中 120.9

15 15 Ⅱ-9 1-Oct-90 D2 20-Oct-90 使用中 119.3

23 23 Ⅱ-10 26-Nov-92 E4 10-Dec-90 使用中 ^117.6 24 24 Ⅱ-11 3-Jul-91 D1 30-Aug-90 使用中 ^108.9

25 25 Ⅱ-12 23-Feb-92 A2 24-Mar-92 使用中 102.1

28 28 Ⅱ-13 9-Spr-92 C5 25-Apr-92 使用中 ^101.1 26 26 Ⅱ-14 7-Jul-92 F2 23-Jul-92 使用中 98.2 27 27 Ⅱ-15 9-Sep-92 A3 30-Sep-92 使用中 95.9 32 1 Ⅱ-16 22-Nov-92 F1 11-Dec-92 使用中 93.6 29 29 Ⅱ-17 18-Dec-92 A4 5-Jan-93 使用中 92.8 22 22 Ⅱ-18 2-Feb-93 B1 4-Apr-93 使用中 89.9 31 31 Ⅱ-19 30-May-93 C3 13-Apr-93 使用中 89.5 37 7 Ⅱ-20 13-Mar-93 C4 12-Jun-93 使用中 87.5 39 9 Ⅱ-21 26-Jun-93 A1 21-Jul-93 使用中 86.2 35 5 Ⅱ-22 30-Aug-93 B4 20-Sep-93 使用中 84.3 34 4 Ⅱ-23 26-Oct-93 D4 1-Dec-93 使用中 81.9 36 6 Ⅱ-24 10-Mar-94 C1 28-Mar-94 使用中 78 33 3 Ⅱ-25 28-Mar-96 C2 9-Apr-96 使用中 53.6 40 10 Ⅱ-26 16-Jul-96 E3 15-Aug-96 使用中 49.4 30 30 Ⅱ-27 12-Sep-96 B2 1-Oct-96 使用中 47.9 38 8 Ⅱ-28 6-Nov-97 A5 18-Dec-97 使用中 33.3 42 12 ⅡR-1 17-Jan-97 ** ** ** 0 43 13 ⅡR-2 22-Jul-97 F5 31-Jan-98 使用中 31.9 46 11 ⅡR-3 06-Oct-90 D2 03-Jan-00 使用中 8.8 51 20 ⅡR-4 10-May-00 E1 01-Jun-00 使用中 3.9 44 28 ⅡR-5 16-Jul-00 B5 17-Aug-00 使用中 1.4

地面天線 監測站 主控制站 24顆GPS衛星

L1,L2載波 S載波

使用者部分 控制部分

太空部分

2.2 GPS 定位系統的基本架構（蔡豐隆，2001）

GPS 定位系統的基本架構，主要可分為三大部分：即太空部分（Space Segment ）， 地 面 控 制 部 分 （ Control Segment ）， 及 設 備 使 用 者 部 分 （ User Segment），如圖 2-2 所示。分別敘述如下：【9】【24】【25】

圖 2.2 全球定位系統架構

（1） 太空部分（Space Segment）

太空部分指的是安置在太空中的 GPS 衛星群（計 24 顆），關於衛星的型號與 部署狀況在之前已大略提及。有關於備用衛星之功能，是當作主衛星失效時之備 用品，以及加強衛星之幾何分佈。在平時，這些備用衛星也可用於定位，所以又 稱之為主動式預備衛星（Active spares），如此可以保障在太空部份的工作能正 常及提高工作效率。

（2）地面控制部份（Control Segment）

GPS 地面控制系統是於 1985 年 9 月完成，GPS 地面控制系統部份包括一個 主控制站（Master Control Station，MCS），位於科羅拉多州春田市的空軍基地 (Colorado Spring)。三個地面天線（Ground Antenna，GA）位於關島（Kwajalein）、

亞松森島（Ascension）以及迪亞歌加西亞（Diego Garcia）等三處。另外有五 個監測站（Monitor Station，MS），位於科羅拉多州春田市的空軍基地(Colorado Spring)、夏威夷(Hawaii)、關島（Kwajalein）、亞松森島（Ascension）以及迪 亞歌加西亞（Diego Garcia）等五處。

每個地面監測站均擁有一個 GPS 雙頻接收機，標準原子鐘、感測器及資料處 理器，並使用 WGS-84 座標系統。每天 24 小時不停的連續追蹤、觀測每一顆 GPS 衛星，並將 GPS 觀測量、及觀測所得之氣象資料和電離層資料等，聯合求解及經 過平滑處理過的資料（Smoothed Data），每 15 分鐘一組傳送至主控制站。由主 控制站立即整合各監測站之各項資料，並計算衛星星曆、衛星時錶修正量及電離 層修正係數等。所得結果彙集成導航訊息（Navigation Messages），先傳到地面 天線處，再由地面天線利用 S 頻道之無線電波，將更新的資料，傳送給各顆衛星，

以更新衛星導航等訊息。

（3）設備使用者部份（User Segment）

設備使用者部份為接收 GPS 衛星訊號之用戶接收機，由使用環境之不同，可 分為低動態、高動態、單頻、雙頻等接收機。使用者可依不同須求目的而選用不 同功能、精確度的接收機，做不同的應用如導航、計時、大地測量……等。GPS 接收機設備包括硬體與軟體，硬體方面有天線、接收機、顯示螢幕、資料處理器、

資料記錄器以及電源供應器等。軟體部份則根據接收機硬體所解出的電碼，聯立 出導航方程式加以解算，提供定位結果，如圖 2.3 所示。

圖2.3 衛星位置與接收機間的示意圖

2.3 GPS 定位系統的訊息結構

一般而言 GPS 衛星信號有包含三種信號分量：載波、測距碼及數據碼(又稱 為導航訊息)，在 GPS 衛星內部具有一精密的原子鐘，產生 10.23MHz 的基本頻率

f

₀，再各別乘上 154 和 120 倍，分別產生 L1 及 L2 頻之載波及電碼頻率。其中 L1 頻率是 1575.42MHz 波長為 19.03 公分，上面調制了兩種 PRN(Pseudo Random Noise)電碼：即商用 C/A 電碼(Coarse/Acquisition Code)與 P 電碼(Precision Code)。另一載波 L2 頻率是 1227.60MHz，波長為 24.42 公分，其上僅調制了一 種 PRN，即軍事用 P 電碼，以及 50BPS(bits/sec)之衛星訊息(Navigation Message)，整個衛星訊號架構見圖 2.4【26】。

Fundamental Frequency

10.23 MHz

L1 1575.42 MHz

C/A CODE 1.023 MHz

P CODE 10.23 MHz

L2 1227.60 MHz

P CODE 10.23 MHz 50 BPS Satellite Navigation Message

X0.1 X154

X120

f₀

圖 2.4 衛星訊號架構圖

L1、L2 載波頻率可用下列方程式表示【27】:

) 2

cos(

) ( ) ( )

2 sin(

) ( ) ( )

( _{1 1 1}

1 t AcC t D t f c ApP t D t f t p

L =

π

+

φ

+

π

+

φ

(2-1) L₂(t)= A_pP(t)D(t)cos(2

π

f₁t+

φ

_p2) (2-2) 其中L₁(t)及L₂(t)為載波信號，

C

(t)為 C/A 電碼，

P

(t)為 P 電碼，D(t)為數據 碼，

A 及

_c

A 分別為 C/A 電碼，及 P 電碼調變信號之振幅。

_p

P 電碼是由 10.23MHz 頻率所產生之二進制隨機數列(PRN)方形波，約 266

天 9 小時重複一次。C/A 電碼為 1.023MHz 頻率之 PRN 方形波，其電碼長度約 1 ms。

圖 2.5 為原子鐘的基本頻率 f 與 L1 及 L2 載波頻率的關係【21】₀ 。

圖 2.5 原子鐘的基本頻率 f 與 L1 及 L2 載波頻率的關係 ₀

衛星訊息架構如圖 2.6【10】及表 2.2~表 2.4【22】所示，此資料架構之整 個長度為 1500bits，內容分為五個子篇幅(Subframe)，每個子篇幅長度為 10 個 字元，每個字元含 30 bits。五個子篇幅如圖 2.7【28】所示，所傳送之訊息內 容分別為：

子篇幅 1：包含衛星時錶誤差修正之係數，及大氣層傳遞延遲模型之參考參數。

子篇幅 2：GPS 衛星軌道之廣播星曆(Ephemeris)參數。

子篇幅 3：GPS 衛星軌道之廣播星曆(Ephemeris)參數。

子篇幅 4：備用篇幅，僅記錄一些文數訊息(Alphanumeric message)。

子篇幅 5：每顆衛星之星曆資料(Almanac data)及健康情形，一共 25 頁，可用 來連續記錄 GPS 衛星，以預估衛星軌道分佈狀況並增加接收機鎖定衛 星訊號之速率。

2

1 3

5 4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.02 sec 30 sec

6 sec

0.6 sec

Subframes 4 & 5 have 25 pages 1 Frame

=5 Subframe

1 Subframe

=10 WORDS

1 WORD

=30 bits

圖 2.6 衛星訊息(Navigation Message)架構圖 子篇幅 1 TLM HOW 時脈修正

子篇幅 2 TLM HOW 軌道參數

子篇幅 3 TLM HOW 軌道參數（續）

子篇幅 4 TLM HOW 資料訊息 子篇幅 5 TLM HOW 各衛星星曆

圖 2.7 衛星導航訊息資料格式 表 2-2 子框一之衛星軌道資料

資料 位元數

GPS 週數 10

衛星精度指數 N 4

衛星健康狀態 6

群延遲修正量t_GD 8

資料設定時間 10

衛星時鐘參考時間t _oc 16 衛星時鐘頻率漂移a_f2 8

衛星時鐘漂移a _f1 16

衛星時鐘偏置a_f0 22

表 2-3 子框二與三之衛星傳送資料

資料 位元數

平均角M ₀ 32

平均角速度差值 Δn 16

離心率 e 32

半長軸開根號 ²

1

A 32

昇交角 Ω ₀ 32

傾斜角 i ₀ 32

近地夾角 ω 32

昇交角變化率 Ω′ 24

傾斜角變化率 i′ 14

緯度修正量餘弦係數 C _uc 16 緯度修正量正弦係數 C _us 16 軌道半徑修正量餘弦係數 C_rc 16 軌道半徑修正量正弦係數 C_rs 16

傾斜角修正量餘弦係數 C _ic 16 傾斜角修正量正弦係數 C _is 16 衛星軌道參考時間 t_0e 16

衛星軌道資料設定時間 8

表 2-4 星曆資料

資料 位元數

平均角M ₀ 24

離心率 e 16

半長軸開根號

( )

A ¹² 16

昇交角 Ω ₀ 24

近地夾角 ω 24

昇交角變化率 Ω′ 16

傾斜角修正量

δ

_i 16

衛星時鐘偏置 a_f0 11

衛星時鐘漂移 a _f1 11

星曆參考時間 t_0a 8

子篇幅 1、2、3 每 30 秒重覆一次，而子篇幅 4、5 的訊息是連續播送的，須 經 25 個子篇幅(長達 750 秒)才能傳送完全部訊息。【29】

2.4 GPS 定位系統的觀測量與定位

GPS 接收機基本上可作兩種資料的觀測，一為虛擬距離觀測量，另一為載波 相位觀測量【25】。分述如下：

(一)虛擬距離(Pseudo-range)

此乃利用電碼技術求得，方法如下：首先由接收機複製與衛星所傳送之相同 電碼，當接收機收到來自衛星之電碼時，立即偏移內部電碼之時序，使其與來自 衛星之電碼相關值為最大(Maximum correlated)，此時衛星訊號即被 Lock-on。

而接收機內部電碼之偏移量，則為衛星訊號由衛星傳送至接收機之時間，此值乘 以光速即可得虛擬距離。利用此法定位必須是衛星時錶與接收機時錶同步的情況 下，但實際上無法真正達成，故定義一 GPS 時系(GPS Time, GPST)作為參考時系。

而虛擬距離觀測方程式如下所示【30】：

δ

δ δ

Δ + Δ

=

−

−

−

=

−

= Δ

) (

) ) (

( ) ) (

( GPST t

GPST t

GPST t

t t

t _{R S R R S S}

(2-3)

) (

δ ρ

δ

Δ

⋅ +

=

Δ

⋅ + Δ

⋅

= Δ

⋅

= C

C GPST t C t C

R (2-4)

其中

t

_S(

GPST

): GPS 時系下衛星發射訊號的時刻

t

_R(

GPST

): GPS 時系下接收機接收訊號的時刻

t

_S : 衛星時系下衛星發射訊號的時刻

t

_R : 接收機時系下接收機接收訊號的時刻

δ

_{S: 衛星之時錶誤差}

δ

_R:接收機之時錶誤差 R : 虛擬距離

C : 光速

ρ

: 在 GPS 時系下所解算出衛星至接收機的距離

Δ : δ δ

_S

− δ

_R

(二)載波相位(Carrier phase) 【27】

載波相位觀測理論，是觀測 GPS 信號在接收時刻的瞬時載波相位值。實際上 是無法直接測量出任何信號的瞬時相位值。因此，這裡所說的載波相位觀測量，

實際上是衛星信號與接收機的本地信號之間的相位差。

GPS 信號被接收機接收後，首先進行偽隨機碼的延時鎖定，即實現對衛星信 號的追蹤鎖定。一旦鎖定成功，衛星偽隨機碼與接收機本地偽隨機碼精確對準 後，即可獲得虛擬距離觀測量。再利用相位鎖定（Phase-Lock Loop）實施相位 鎖定迴路。一旦相位鎖定成功，衛星載波信號的相位便與接收機本地信號的相位 相同。此時，本機信號的相位與其初始參考相位的差，即為載波相位觀測量。

由於從衛星所傳送至接收機之載波訊號，其相位之間的關係並不會因為衛星 與接收機之間的相對運動而有改變，因此在接收機內部可產生一參考之載波訊 號，用來量測訊號傳遞時所產生之相位變化量。假設衛星在 t 時刻發射訊號，此 刻相位值為

ϕ

_s(t)，衛星訊號發射經由大氣層為接收機接收，而此時接收機本身

之參考相位為

ϕ

_R(t)，如圖 2.8 載波相位觀測量。而此二相位之差，即為載波相 位觀測值，表示為:

) ( ) (t _R t

S

ϕ

ϕ

ϕ

= −

圖 2.8 載波相位測量示意圖

就 GPS 衛星所提供的信號與訊息，這些觀測量可以來進行定位，定位可分 為：絕對定位、相對定位及差分定位。

(一) 絕對定位

利用 GPS 接收機在一個特定點上，觀測 4 顆或以上的 GPS 衛星，獨自球出 其點在 WGS-84 坐標系的位置，稱之為絕對定位。

(二) 相對定位

在兩個或是若干個測量點上，利用 GPS 接收機在同一時間，觀測相同的 GPS 衛星，並測定它們之間的相對位置，稱為相對定位。在相對定位中，必須 要有一個或以上的已知點，作為基準點。

(三) 差分定位(DGPS)

差分定位是相對定位的一種特殊應用，採用此方式可以提高定位精確度，在 一已知的基準點的參考下，可利用差分修正參數改正觀測虛擬距離，進而大 大消減衛星星曆誤差、電離層和對流層延遲誤差及 SA 的影響。

2.5 全球定位系統誤差源分析(黃勇平，1999)

GPS 和衛星之間的距離非常遙遠，因此在接收的過程會存有許多的誤差源，

造成定位精度的降低。為了提高定位精度，必須詳細了解各種誤差的來 源和大小，以消除或減少這些誤差，而達到提高定位精度的目的。

GPS 各種誤差源探討

影響 GPS 定位精度的因素很多，大體而言，可從衛星、觀測和訊號傳送等三 大方面來討論。如圖 2.9 所示:

圖 2.9 GPS 定位三大誤差源

(一) 衛星方面的誤差

衛星方面的誤差包括有【25】【31】：

(1) 衛星星曆偏差：這種偏差是指衛星實際的運行軌道，或瞬間位置與 GPS 訊號中提供的廣播星曆本身就有的偏差。一般由星曆計算的衛 星位置誤差約為 20~40 公尺。

(2) 衛星時錶的鐘差：衛星時錶與 GPS 時錶之間的鐘差，此因素所造成 之影響約有 30~300 公里，但若利用廣播訊號提供的改正項

(Broadcast Correction)加以修正，將可以降到 100 公尺以內。

(3) 被觀測衛星定位精度降低之幾何因子：衛星幾何性分佈的影響，是 以『精度降低因子』DOP(Dilution of Precision)來表示，即定位 精度是以所有誤差因素之合成偏差（包括三度空間及時間的合成偏 差)，和理論觀測精度(虛擬距離的標準偏差)的比值，其關係式表示 如下：

σ

= DOP⋅

σ

₀ （2-5）

其中

σ

₀為虛擬距離理論觀測精度 (標準偏差)

σ

為定位精度(亦即所有誤差因素之合成偏差)

DOP 是一衛星的幾何分佈性對點位精度影響的比例因子。可依照不 同的座標組合，而有不同定義的 DOP 值，一般的定義如下：

VDOP (Vertical DOP)：垂直定位精度降低因子

HDOP (Horizontal DOP):2-D 之平面定位精度降低因子 PDOP (Position DOP)：3-D 之立體定位精度降低因子 TDOP (Time DOP) ：時間之定位精度降低因子

GDOP (Geometry DOP)：定位精度降低幾何因子

DOP 值的大小，與定位時所選用的四顆衛星在太空的幾何分佈有關，幾何分 佈愈分散，觀測的精度就愈高，其 DOP 值就愈小。一般而言，好的幾何分佈其 DOP 值的範圍如下：

PDOP≦ 6 、 HDOP≦4 、 VDOP≦4.5 、 TDOP≦2 GDOP= PDOP² +TDOP²

(二)觀測方面的誤差 觀測方面的誤差包括有:

(1)週波脫落和週波未定值：一般理論上載波相位觀測量的精度，可達 1~3 mm，但由於週波脫落和週波未定值的問題，所以無法達到此精度。解決的 方法:可利用兩個接收天線，利用基線長度設定的方法，或是利用干擾儀 的方法，都可以解決這方面的問題。

(2)多重路徑與假像:所謂多重路徑是因為接收機附近之地表，或建築物等 反射衛星的訊號，造成不同之路徑傳輸現象，使得接收機受到不同路徑訊

號之干擾。假像也是多重路徑的一種，特別是指訊號傳送過程中，有些訊 號來自反射物尖銳的邊緣或角落，此現象會使天線的相位中心偏移。多重 路徑與假象，會使得虛擬距離定位法產生 10 公尺左右的偏差，或使載波 相位定位法產生數公分的偏差，如圖 2.10 所示。

圖2.10 GPS訊號受到高樓影響產生出多重路徑及假象訊號示意圖

(三)訊號傳遞方面的誤差

訊號傳遞方面的影響包括有:

(1)電離層延遲誤差:電離層是指約在地表 100Km~1000Km 之間的大氣 層，在此範圍內充滿了離子化之微粒(Ionized Particles)及電漿(即所謂的

Plasma)。當傳遞的訊號通過此電離層，會產生折射效應，所以對定位精

度的影響甚大。由於電離層對訊號之影響會隨訊號之頻率而變，所以可

利用雙頻觀測法，來消除電離層的影響誤差。電離層所造成的誤差約 5 公尺至 150 公尺之間。午後兩點電離層電子密度較高，影響最顯著，夜 間則影響較不顯著。

(2)對流層的影響:對流層乃是指位於地表面起算，到約 40km 處之大氣範 圍，因其為一中性的大氣範圍，對電磁波之影響與訊號之頻率無關。所 以無法利用不同頻率的方法來消除，可經過數學模式運算的方式來消除。

(3)人為的因素:美國軍方基於國防安全，為了讓一般使用者，不要達到 太高的精度，而加上的一種保護(Anti-Spoof，AS)措施，除非是經過特 別的允許，否則極難解碼接收。例如：Y-code 即是一例。另一種人為的 干擾則來自抖動(Dithering)衛星時鐘之頻率，此誤差稱為亂碼干擾誤差 (Selective Availability，S/A)，已於 2000 年 5 月 2 日宣佈取消，但 仍會不定期對某些地區實施干擾。

上述為 GPS 各種誤差源的探討，表 2.5 列出各種誤差所造成的影響量(User Equivalent Range Error，UERE)【32】:

表 2.5 GPS 各種誤差影響範圍對照表 SEGMENT

SOURCE

ERROR SOURCE (C/A CODE)

ERROR(95%) (METER) SPACE CLOCK & NAV.SUBSYSTEM STABILITY 6.8 SPACE PREDICTABILITY OF SV PERTURBATIONS 2.0

SPACE OTHER(SA) 1.0(100)

CONTROL EPHEMERIS PREDICTION MODEL MPLEMENTATION 8.4

CONTROL OTHER 1.8 USER IONO. DELAY COMPENSATION 10 to 20 USER TROPO. DELAY COMPENSATION 4.0 USER RECEIVER NOISE & RESOLUTION 15.0

USER MULTIPATH 2.4

USER OTHER 1.0

95% UERE RMS OF SEGMENT ERRORS 21.6 to 27.8

第三章 GPS/DR/GIS整合系統

3.1 DR系統架構

方位推估系統(Dead-Reckoning)，是一種最早使用於航海量測的一種方法。

它主要是透過累加位移向量及方向角，來推算移動後的最終位置。其架構比一般 的INS慣性導航系統，簡化了許多硬體上的成本，適用於對長時間精度要求不需 要太高的導航系統。但它和慣性導航系統一樣，長時間運作時會有發散的缺點，

但如果配合GPS長時間穩定的特性，將可修正此種長時間發散的問題。

目前DR的架構上，有許多不同的搭配組合。2D的方位推估器使用的感測器包 含數位羅盤、陀螺儀、並配合里程計(DC馬達上的光編碼器)即可求出車子的方向 及位置。 3D的方位推估器則多了傾斜儀。這些方法都是將多種感測器整合，並 經由多重訊號融合的方式來實現【12】。在正常操作狀況下，多重訊號融合系統 常有來自感測元件本身，或外在因素所造成的白色雜訊(White Noise)。但藉由 多重訊號融合的技術，仍可有不錯的量測值輸出。

對 方 位 推 估 器 而 言 ， 多 重 訊 號 融 合 的 益 處 是 增 加 可 信 度 (Increased Confidence)、降低不確定性(Reduced Ambiguity)，及保有強健操作性能(Robust Operational Performance)。本研究是使用單軸加速儀，及數位羅盤，再進行信 號架構整合而成的方位推估器【13】。其基本的假設是載具大部分時間是在一水 平面上運動，所以加速儀的讀值不受重力影響，且車體行走的路徑可用2D近似，

而後以卡爾曼濾波器進行數位信號處理，融合含白色高斯雜訊的數位羅盤，與加 速儀儀的量測值。先計算出車體方位值，再以三角分量關係，計算車體沿著X與Y 方向增量，然後累加之，而得知車體的2D位置。

這個方法具有計算簡單、費時較短與在短距離內誤差可容忍等優點。但仍有 累加性誤差的缺點，所以需配合可長時間定位的GPS系統，來輔助校正，而完成 一套2D的GPS/DR系統。

3.2 DR導航原理

由上述可知，利用2D平面方位推估器，可求出車體之方向及位置。僅需依靠 初始之位置、行進方向及行走之距離。方位推估器的原理如圖3.1所示，可由

（X(0)，Y(0)）推估到（X(3)，Y(3)）的位置，推估方程式的計算如式(3.1)與 式(3.2)。這個方法最先運用於航海測量，利用行駛位移與方向，推導出所在位 置。因此系統有較低的製造成本、不受地形影響，與較高的自主性定位能力，本 研究將此方法運用於自動導航車之自我定位上。

圖3.1 方位推估法原理示意圖

∑

⁻

=

+

= ¹

1

0 ^k cos

i

i i

k x S

x

θ

(3.1)

∑

⁻

=

+

= ¹

1

0 ^k sin

i

i i

k y S

y

θ

(3.2)

在本研究中，數位羅盤輸出，為相對於與北方的夾角

ϕ

值，則

θ

= 90°−

ϕ

其中:

0 0, y

x :表示載具在時間t 時的起始位置 ₀

S :表示在時間i t 的位移量 _i

θ

i:表示在時間t 與水平軸X方向的相對角度 _i

3.3 DR的訊號誤差討論

DR系統之誤差來源包含如下

1. 慣性元件內部的雜訊(Noise)及偏差(Bias):

感測器在不同環境條件時，如工作溫度，所產生的不同的偏差量。

2. 長時間累加時，所造成的累積誤差:如圖3.2所示

圖3.2 DR的誤差理論示意圖 3. 不同座標系統轉換時的誤差:

GPS的輸出座標為WGS-84的座標系，而DR是使用地理慣性座標系，兩者座 標之間轉換，在計算機運算時，都會有誤差產生。

4. ADC(類比數位化)時的誤差:

加速儀輸出類比信號的取樣頻率量化，及高頻震動、及重力等，所造成的 誤差。

5. 計算器時間延遲的誤差:

導航程式在運算時，計算機的時間延遲，也會造成長時間的累積誤差。

3.4 座標系統介紹

一般常用在導航系統的座標分為三種：GPS 的資料是世界地理座標(Word Geodetic System 1984，WGS-84)系統。而DR方位推估法所推出的位置，是使用 GIS地理座標系統。另一方面INS的系統使用ECEF(Earth Center Earth Fixed Coordinate Frame)座標系統。然而在配合GIS地理資訊系統時，使用的是平面的 X-Y 2D座標系統，所以本文使用的方法，是把由GPS衛星所求出的經緯度座標值，

轉換為X-Y ２D座標系統。而後再配合DR方位推估器所得到的累積值，完成一個 整合式GPS/DR/GIS的系統，以達到實際的整合應用。 以下介紹最常用的三種座 標系，本研究所使用的為X-Y 2D座標系統。

3.4.1 地固地心座標系(ECEF)

地固地心(Earth Center Earth Fixed Coordinate Frame， ECEF)座標系為 直角座標系，原點固定在地球球心，三軸各自相互垂直，也隨著地球旋轉。Z 軸 方向指向北極，X 軸方向指向赤道面經度為0 的地方。Y 軸也是為在赤道面，分 別與X、Z 兩軸垂直，使用右手定則即可決定其方向如圖3.3所示。這個座標系的 好處是方便計算，我們可以在座標系上任意取出兩點，即可計算兩點的直線距 離。詳細定義如下：

X 軸：通過平均格林威治子午線(mean Greenwich Meridian)，並與國際時間 校準局BIH(Bureau International del＇Heure)定義的零子午線方向平 行。

Z 軸：與國際時間局BIH 定義的傳統地極(Conventional Terrestrial Pole，

CTP)方向平行。

Y 軸：與X、Z 軸成正交。

3.4.2 世界地理座標(WGS-84)

世界地理座標(Word Geodetic System 1984，WGS-84)也是固定球心的座標，

但不同的是它以橢圓球體(Geocentric ellipsoid of revolution)來定義。三軸 分別代表經度(Longitude)、緯度(Latitude)和高度(Height above ellipsoid) 如圖3.3所示。WGS-84 和ECEF 最大的不同是，前者為橢球座標系，後者為直角 座標系。

圖3.3 WGS-84橢球座標與直角座標的關係圖

有關直角座標(X，Y，Z)，與橢球座標(

ϕ

, h

λ

, )的轉換公式敘述於後。包含由 橢球座標(

ϕ

, h

λ

, )與直角座標(X，Y，Z)的轉換公式，及由直角座標(X，Y，Z)與 橢球座標(

ϕ

, h

λ

, )的轉換公式。

1.橢球座標(

ϕ

, h

λ

, )與直角座標(X，Y，Z)的轉換公式:

⎥⎥

⎥⎥

⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢⎢

⎢

⎣

⎡

+ + +

=

⎥⎥

⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢

⎣

⎡

ϕ λ ϕ

λ ϕ

sin ) (

sin cos ) (

cos cos ) (

2 2

h a N

b h N

h N

Z Y X

(3.3)

其中

ϕ

ϕ

^{2 2}

2 2

2

sin cos b a

N a

= + (3.4)

ϕ

:經度

λ :緯度

h:地表到接收機距離 N:地心到地表的距離 a:橢圓球體的長軸 b:橢圓球體的短軸

2.直角座標(X，Y，Z)與橢球座標(

ϕ

, h

λ

, )的轉換公式

⎥⎥

⎥⎥

⎥⎥

⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢⎢

⎢⎢

⎢

⎣

⎡

−

− +

=

⎥⎥

⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢

⎣

⎡

−

−

p N X Y a e p

b e Z

h

ϕ

θ θ λ

ϕ

cos tan

cos tan sin

1 3 2

3 1 2

(3.5)

其中

2

2 Y

X

p= + (3.6)

2 2 2 2

a b e a −

= (3.7)

ϕ

:經度 λ :緯度

h:地表到接收機距離 N:地心到地表的距離 a:橢圓球體的長軸

b:橢圓球體的短軸

依照TWD 97規格定義 a=6378137m ，b=6356752.314m

3.4.3 X-Y 2D座標系統

X-Y 2D座標系統就是將參考橢球體上的經緯度位置，利用地圖投影的方式投 影到一平面，用來表示點位間於平面空間關係的二維座標。因此每一種地圖投影 方法都會產生變形，但也都保持某種特性。

本文採用TWD97座標基準投影方式，即採用橫麥卡托投影經差二度分帶，以 間隔經度每差兩度的區域，為一投影帶進行投影，得到的投影座標，簡稱為二度 TM座標。橫麥卡托投影，屬於一種包持形狀投影法(Conformal Projection)，即 在小面積區域中，距離與方向保持相似。就幾何意義上來看，可假想用一個橫橢 球圓柱套在地球橢球體外面，並與某一子午線相切(此子午線即為中央經線)，橢 球圓柱的中心軸位於橢球的赤道上。投影後原橢球面上的中央經線、距中央經線 九十度的經線，與赤道在投影面上為直線。由於沿著其中央經線的投影尺度可維 持一個常數，所以適合南北狹長的地區，台灣本島即屬於此種地形，而本文也就 是使用此種座標系統。

以下將介紹經緯(

φ

,

λ

)轉成 (X，Y)座標，及由(X，Y)轉成(

φ

,

λ

)座標公式，

如下(3.8)、(3.9) 、(3.10)、(3.11)式【28】【33】

1.橫麥卡托投影一般公式（ψ，λ）轉(X ，Y)

Y = (3.8)

...

+ L ) t - t 543 + t 3111 - 1385 ( φ cos 40320N + t

L ) η t 330 - η 270 + t + t 58 - 61 ( φ cos 720N + t

L ) η 4 + η 9 + t - 5 ( φ cos 24N + t L φ cos 2N + t ) φ ( B

8 6 4 8

6 2 2 2

4 2 6

4 4 2 2 4

2 2

X = (3.9)

...

+ L ) t - 179t + t 479 - 61 ( φ cos 5040N + 1

L ) η t 58 - η 14 + t + t 18 - 5 ( φ cos 120N + 1

L ) η + t - 1 ( φ cos 6N +1 L φ cos N

7 6 4 2

7

5 2 2 2 4

2 5

3 2 2 3

符號說明：B(ψ)＝緯度處之子午圈曲率半徑

2 2

η + 1 b

= a

N ：緯度處之卯酉圈曲率半徑

φ cos ) e (

=

η^{2 t 2 2}

2 2 2 t

b ) b - a

= ( e

φ tan

= t

λ0

- λ

= L

=

λ₀ 中央子午線

其中：B(φ)=α[φ+βsin2φ+γsin4φ+δsin6φ+Esin8φ+...]

其它變數分述如下：

b + a

b -

=a n

...

+ 512n

=315

...

- 256n +105 48n

-35

= δ

...

+ 32n -15 16n

=15 γ

...

+ 32n - 3 16n + 9 2n -3

= β

...) + 64n + 1 4n +1 1 2 (

b +

= a α

E 4

5 3

4 2

5 3

4 2

2.橫麥卡托投影一般公式（X ，Y）轉 (ψ，λ)

ψ＝ (3.10)

720] ) D C 3 - ' e 252 - T 45 + C 298 + T 90 + 61 ( +

24 )D 9e' - 4C - C 10 + T 3 + 5 ( 2 - )[D R

φ N tan ( - φ

6 2 1 2 2

1 1

1

4 2 2

1 1 1

2

1 1 1 1

λ＝ (3.11)

1 5

2 1 2 2 1 1 1

3 1 1

0 ]/cosφ

120 )D 24T + 8e' + 3C - 28T + 2C - (5 6 + )D C + 2T + (1 - D [ + λ

符號說明如下：

0 0

6 4 2 2 2 1

3 1 4

1 2 1 3

1 1 1

)]

....

256- -5e 64 -3e 4 -e 1 ( /[

e - 1 1

e - 1 - e 1

...

...)sin6 96

(151e ...)sin4

32 - -55e 16 (21 2 sin 32 ...

-27 2 (3

k M Y M

a M

e e

e

+

=

=

= +

+ +

+ +

+ +

=

μ

μ μ

μ μ

φ

）

m b

m a

k

k N D X

e e R a

e N a

T e C

e e e

314 . 6356752 6378137 9999 . 0

sin - 1

) - 1 (

sin - 1 tan

cos '

) - 1 ( ' '

0

0 1

3 2 2 1

2 1

1 2 1 2

1 2 1

1 2 2 1

2 2 2

=

=

=

=

=

=

=

=

=

φ φ φ

φ

本文中由（ψ，λ）轉(X ，Y) 之後，由於此座標系統的Y軸為中央經度線 121度處，所以會使得有左半部分地區位在第二象限平面，即X值為負值。故將Y 軸西移250，000公尺，可以使X軸和Y軸同為正值，也可簡稱為二度TM 座標系統。

因以虎子山為大地基準點，故又泛稱為虎子山座標系統，也是台灣現今地籍量測 所使用的座標系統，如圖3.4所示。

圖 3.4 台灣地區 TM 2度座標系統示意圖