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全球衛星定位系統全球衛星定位系統((GPS)GPS)簡介簡介

鄭大偉鄭大偉

台北科技大學材料及資源工程系台北科技大學材料及資源工程系

資料提供資料提供: : 逢甲大學逢甲大學 洪本善博士洪本善博士

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大綱大綱

•全球衛星定位系統 (Global Positioning System) 簡介

•衛星定位測量之原理

•GPS測量作業方法及精度

•GPS 衛星測量之應用

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通常平面及高程控制測量是分開進行

傳統測量的方式測量儀器與目標之間必須通視如果中間有阻隔,必須利用導線方式轉點

一般測量距離大約限制在 5 Km以內

易受氣候影響,例如霧氣,下雨等...

傳統測量的限制傳統測量的限制

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ＧＰＳ的由來ＧＰＳ的由來

由美國國防部主導發展由美國國防部主導發展

一致的座標系統一致的座標系統 -- WGS84WGS84

提供定位、導航及定時提供定位、導航及定時

設計來取代舊有導航系統設計來取代舊有導航系統

國防優先民間應用國防優先民間應用

民間與軍方皆可使用民間與軍方皆可使用

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GPS GPS 的優點的優點

不受氣候影響,日夜均可操作測站間不需通視,且距離可達數千公里

可得較高精度的坐標值

快速並節省人力及經費

平面及高程控制測量一次完成,且座標系統一致

儀器操作簡便,且適合更多的用途

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全球衛星定位系統 (Global Positioning System)簡介

經緯大地，精準快捷一全球衛星定位系統簡稱 GPS，係由分佈20200 km高空，6個軌道上的24顆衛星，其地面有一個主控站、五個監測站所組成。衛星測量即由設置在地面之GPS衛星接收儀，將GPS衛星位置視為已知，接收其發射的訊號，以「空間後方交會法」測算點位間距離及方位角。

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GPS GPS 系統架構系統架構

地面控制站1主控站5監視站

地面控制站1主控站5監視站

太空部分衛星本體,傳送星曆及距離

觀測資料24 顆衛星20200 Km 高度

太空部分衛星本體,傳送星曆及距離

觀測資料24 顆衛星20200 Km 高度

使用者接收儀

使用者接收儀

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太空部分太空部分

24 顆衛星

4 衛星、 6 個軌道面, 與赤道傾斜55度

高度20200 Km

• 運行週期 11hrs 58min

• 壽命 7.5 年

赤道赤道55

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控制站控制站

1主控制站及5 監視站負責追縱接收衛星的資料及計算軌道、時鐘參數

負責上載有關衛星的所有資訊

監控及維持預定軌道的運行

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GPS大地型接收儀

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手持式GPS接收儀

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G P S 衛星於太空中運行時，以L1、L2頻率向地面發射衛星訊號，地面衛星接收儀接收衛星資料(星曆、距離及相位)，利用幾何原理求出接收儀坐標，以完成導航定位及各種測量作業。

L1(1575.42 MHz,19.0cm) -C/A + P 碼L2(1227.6 MHz,24.5cm) -P 碼

衛 星 定 位 測 量 之 原 理

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ＧＰＳ定位原理ＧＰＳ定位原理

衛星就像是軌道控制站將其軌道參數調製成電波衛星就像是軌道控制站將其軌道參數調製成電波

無線電波無線電波 radio wave radio wave 以光速向地面發射運行以光速向地面發射運行

利用時間獨立的電碼利用時間獨立的電碼time dependent codestime dependent codes量測計量測計算出與每顆衛星與地面接收者的距離算出與每顆衛星與地面接收者的距離

通常衛星內部所使用的時鐘精度極高通常衛星內部所使用的時鐘精度極高

每筆衛星發射訊號會紀錄瞬時時間（每筆衛星發射訊號會紀錄瞬時時間（t1t1））衛星接收器內部的時鐘精度會紀錄收到衛星訊號的衛星接收器內部的時鐘精度會紀錄收到衛星訊號的時間（時間（t2t2））距離距離==速度速度xx時間差（時間差（t1t1--t2t2））

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概略原理概略原理 : : 距離距離

Xll

Vl

Xl

llll

lllV

VVllV

lll

XlX

距離 = 傳輸時間x 光速

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定位原理定位原理

R1

R2R3

後方交會後方交會

3 個球面交叉為一個點

3 段距離可解算出緯度，經度及高程

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單點定位單點定位

單點定位需四點單點定位需四點以上以資精密檢以上以資精密檢核核

4 段距離可解算出經緯度高程及時間Latitude, Longitude, Height & Time此原理與後方交會方法類似

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ＧＰＳ誤差來源ＧＰＳ誤差來源

衛星誤差衛星誤差軌道偏差

衛星時鐘誤差

Satellite Clock Model

SA效應

接收器誤差接收器誤差接收器時鐘接收器雜訊

衛星訊號傳播誤衛星訊號傳播誤差差

電離層延遲

對流層延遲

測站誤差測站誤差測站座標

多路徑效應

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軌道誤差

衛星時鐘誤差

時鐘誤差

電離層誤差

對流層誤差

週波未定值

多路徑誤差

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SASA效應效應 Selective AvailabilitySelective Availability

PP

美國國防部刻意降低其廣播美國國防部刻意降低其廣播

資訊的精度資訊的精度

撥亂衛星時鐘

加入亂碼

此稱為此稱為SASA效應效應

Selective AvailabilitySelective Availability定位精度 100m (95%)

+/+/-- 100100m (95%)m (95%)

P = P = 真實位置真實位置

PP

30m

100m

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絕對、相對定位

以GPS衛星坐標為已知點，對地面的儀器進行空間三角交會測量。需4顆不同的衛星方可定出地面坐標(緯度、經度、高程)及時間差。

絕對-直接計算緯度、經度、高程 (一台儀器)精度 30-100 m

相對-直接計算緯度差、經度差、高程差(二台儀器)精度 cm

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如何提昇ＧＰＳ的精度如何提昇ＧＰＳ的精度??

使用使用Differential GPSDifferential GPS

(DGPS)(DGPS)差分定位差分定位

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差分定位差分定位((一一))

基線分量基線分量

BAA

差分定位差分定位DGPSDGPS同時消除參考站移動站

之間的共同誤差來提高

定位的精度

消除衛星及接收器時鐘消除衛星及接收器時鐘

誤差誤差

將大氣層延遲效應影響

降到最低

參考站及移動站同時追

蹤衛星

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差分定位差分定位((二二))

使用使用C/AC/A碼精度可碼精度可

達達0.5 0.5 cm cm -- 5 m5 m

如果使用載波相位如果使用載波相位

精度可達精度可達 5 5 -- 10 10 mm + 1ppm

Baseline VectorBaseline VectorBAA

mm + 1ppm

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GPSGPS測量模式：靜態基線測量測量模式：靜態基線測量

適用於邊長在5公里以上之高精度控制網測量。如地殼變動監測，大區域之大地控制網。

適合長距離基線適合長距離基線2020KmKm以上之觀測以上之觀測

取代傳統三角測量取代傳統三角測量

大地網控制大地網控制

基線精度最高基線精度最高 55mm+1ppmmm+1ppm需較長觀測時間需較長觀測時間

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GPSGPS測量模式：快速靜態測量測量模式：快速靜態測量

控制點測量控制點測量

加密控制點加密控制點

取代導線測量取代導線測量

航測控制點航測控制點

工程控制點工程控制點

細部測量細部測量

快速，簡易，效率快速，簡易，效率

區域控制最佳選擇區域控制最佳選擇

適用於短基線（適用於短基線（<15<15Km)Km)基線精度基線精度 55--1010mm +1ppmmm +1ppm

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快速靜態測量快速靜態測量

base1base1base2base2

base3base3

77 66

base4base4

22 11

適合於短邊長(5公里以內)控制測量，如加密測量及導線測量。細部點位測量及界址測量方

可應用。高精度(數公分)之快速(數分鐘以內)定位優

點。

55

33

30

GPSGPS測量模式：停停走走測量測量模式：停停走走測量

細部測量細部測量

工程測量工程測量

道路，管線，邊界等線道路，管線，邊界等線形測量形測量

數值地形測量數值地形測量

距離相近之控制點測量距離相近之控制點測量

細部測量最佳選擇細部測量最佳選擇

基線精度基線精度 11--22cm+1ppmcm+1ppm

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基站置於已知點上

移動站於未知點上架設數分鐘

一小時後各未知點再施測一次 (1小時後衛星幾何狀況改變有助於求解週波未定值)

虛擬動態測量虛擬動態測量

2

21

11

12

2

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RoverRoverInitializedInitialized

1

2

3

4 5接收足夠資料以能求解週波未定值

施測中須保持四顆以上衛星訊息連續鎖定(最佳為五顆以上)

移動站祇須停留數秒即可求解坐標

施測中若訊息短暫中段則須重複第一步驟

半動態測量半動態測量((停停走走停停走走))

Base StationBase Station

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GPSGPS測量模式：動態測量測量模式：動態測量

移動中物體軌跡測量移動中物體軌跡測量

道路中心線及邊線測量道路中心線及邊線測量

縱橫斷面測量縱橫斷面測量

基線精度基線精度11--22cm +1ppmcm +1ppm

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23 : 10 :2223 : 10 :2423 : 10 :2623 : 10 :2723 : 10 : 2823 : 10 :3012

0:14

3: 10 :16

23 : 10 :1823 : 10 : 20

0:14

3: 10 :16

23 : 10 :1823 : 10 : 2023 : 10 :2223 : 10 :2423 : 10 :2623 : 10 :2723 : 10 : 2823 : 10 :30

基地站設於已知點上移動站之週波未定值需初始化

四顆以上衛星訊息需連續接收

若行進中失去訊息仍須進行週波未定值需初始化

純動態測量純動態測量

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GPSGPS測量模式：即時定位測量測量模式：即時定位測量RTKRTK

圖形顯示現在位置與目標的偏移量圖形顯示現在位置與目標的偏移量

精度精度11--22cm +1ppmcm +1ppm用於施工放樣用於施工放樣

目標搜尋目標搜尋

利用利用ROAD LINEROAD LINE程式，輸入道路線型，可輸入程式，輸入道路線型，可輸入克羅梭曲線，豎曲線於現場放樣克羅梭曲線，豎曲線於現場放樣

QUICK SLOPEQUICK SLOPE程式，現場實測縱橫斷面程式，現場實測縱橫斷面

DTM STAKEOUTDTM STAKEOUT程式，現場檢視高程與設計值程式，現場檢視高程與設計值之差異，達到現場監視施工情形之差異，達到現場監視施工情形

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即時動態測量即時動態測量

移動站

依設定的時間段記錄資料

動態式即時計算坐標及記錄軌跡基站

由一站快速移動至另一站已知站

坐標精度--> cm

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即時定位測量RTK

利用無線電數據機傳送相位資料

即時計算基站與移動站間的基線

可達公分級精度

適用於高精度測點

快速建立控制點，圖根點，航測控制點

細部，地形，工程測量

線性軌跡測量，道路邊界測量

地籍界址點測量及放樣

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測 量 方 法接 收

時 間

測量精度儀器性能使 用 時機

靜 態 測 量30min

~240

min

0.1~5ppm單、雙頻

均可

應用於大區域之座標控制

網、地殼變動監測等

靜

態

測

量

快速靜態測量5min~

30min

1~10ppm需雙頻L1

與 L2整

波長

適用於小面積控制測量、加密

測量、導線測量、細部點位測

量及界址測量等

虛擬動態測量3min~

5min

2~20ppm單、雙頻

均可

適用對象與快速靜態測量類

似。

半 動 態 測 量3sec~

20sec

2~10ppm單、雙頻

均可

適合於空曠地區，點與點間距

離相距在數十公尺以內，且點

位密集之小區域測量，如地形

測量，宗地界址測量等。

動

態

測

量

純 動 態 測 量1sec~

10sec

2~20ppm需雙頻資

料與通訊

設備

適用於移動物體之軌跡定

位、資源範圍定位、道路中心

線測量、水道測量、地形測量

及界址測量等。

衛衛星星定定位位作作業業方方法法比比較較

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GPS GPS 之之 應應 用用

(一)、 陸 上 之 應 用

1. 在 測 量 及 大 地 測 量 方 面 ， 可 從 事 地 球 動 力學 之 研 究 、 地 殼 變 動 之 監 測 及 大 地 控 制 網測 量 等 應 用 。

2. 陸 地 運 輸 導 航 方 面 ， 可 從 事 救 護 車 、 巡 邏車 之 導 航 及 卡 車 、 貨 車 、 計 程 車 隊 之 監 控等 應 用 。

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台中市台中市 1/1000 1/1000 GISGIS地形圖測製地形圖測製

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控制測量

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基站

RTK測量-管線定位

移動站

移動站

43

車輛導航系統

Vehicle Position

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BENZBENZ車導航救援系統基本配備車導航救援系統基本配備

衛星電子導航系統衛星電子導航系統

液晶螢幕上會出現方向指示

，聲音提醒何時及何處轉彎

行動電話語音辨識系統行動電話語音辨識系統

下達簡單命令即可選擇及撥出輸入的數字記憶

緊急救援系統（緊急救援系統（TELE AIDTELE AID））

氣囊感知器偵測到撞擊事故的發生立即透過無線

電發射器，發出求救信號包含車型、事故時間及

地點

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車隊監控車隊監控

46

林務局巡山人員查報位置圖台顯示系統林務局巡山人員查報位置圖台顯示系統

511

524

526

開發座標瀏覽器讀取護開發座標瀏覽器讀取護

管人員傳回之座標，展管人員傳回之座標，展

示在示在GISGIS電子圖台上電子圖台上

聯結人員資料庫，隨時查聯結人員資料庫，隨時查

詢護管人員資料排班詢護管人員資料排班 情情 形形

及任務內容及任務內容

47

救護車位置查詢及監控救護車位置查詢及監控

48

美國聯邦政府研擬立法提昇大哥大功美國聯邦政府研擬立法提昇大哥大功能能

GPS晶片 植入手機 配合監控中心電子地圖圖台

掌握通話者行蹤掌握通話者行蹤

緊急呼救地點及時間顯示緊急呼救地點及時間顯示

49

攻堅應用攻堅應用

攻堅人員可利用PDA及GPS顯示現場及同僚之位置, 以隨時了解附近地形地貌並避免傷及同伴