GPS,GPS是什么?GPS原理

GPS,GPS是什么?GPS原理

GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范(Geometrical Product Specifications)-简称GPS。

GPS原理
　　GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
　　可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
　　GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。
　　GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
　　GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。
　　按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
　　在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。

近年來，GPS 可說是發展相當迅速的一個產業，除了以往的車用導航專用設備外，PDA 也加入了 GPS 功能（雖然 PDA 功能也被併入手機內了），而手機內建 GPS 功能已經不是什麼新鮮事，連相機也要內建 GPS 定位功能。

本文將介紹 GPS 的原理以及生活上的應用。

定位原理－三邊測量

三邊測量 (來源：Wikipedia)

以最簡單的說法來說，GPS 定位就是利用三邊測量原理算出使用者在地球上的座標。我們複習一下三邊測量 (trilateration)：假設你現在在台北市某不知名的地方，而有人告訴你：你現在離台北車站 (P1) 3 公里，離市政府站 (P2) 4 公里，離公館站 (P3) 3 公里，只要知道這些地方的座標以及這些地方離你的距離，就能推算出你所在的位置 B。而在海上時，某些時候即使只知道兩點，也能推測出自己的位置（譬如說兩個可能的位置其中一個是在陸地上）。

以上是 2D 平面上的三邊測量，而 GPS 則是運用 3D 的三邊測量，這裡有簡易的動畫可以幫助了解。那麼，使用者的裝置又要怎麼利用這個原理得知現在所在的位置呢？

GPS 系統的構成

我們先來介紹 GPS 整個系統的模樣。首先，像 GPS 這樣的定位系統泛稱為 GNSS (Global Navigation Satellite Systems)－全球衛星導航系統。目前實際使用中的最廣為人知的就是美國的 GPS (Global Positioning System)，另外還有俄羅斯的 GLONASS，正在發展中的歐洲 Galileo 及中國的北斗衛星導航定位系統。以下主要介紹美國的 GPS，但架構大致上都是相同的。

完整的 GPS 系統總共有三個部分：太空中的衛星 (Space Segment)、地面管制站 (Control Segment)，以及使用者接受端 (User Segment)。

衛星

目前使用中的 GPS 衛星共有 31 顆（2009/1；列表可見 GPS Constellation Active Nanu Status），分布在六個軌道面，每個軌道面至少有四顆衛星，在任何位置與時間使用者都可至少接到 4 顆衛星訊號以進行定位。衛星距離地表 20,183 公里，每 11 小時 58 分鐘公轉一週。

地面管制站

負責追蹤監測及維持 GPS 衛星的運行，以及分析整理 GPS 訊號並實行需要的修正回傳至 GPS 衛星。

使用者接收端

使用者手上的 GPS 裝置，可計算所在位置。

GPS 定位方式

前面提到 GPS 定位原理是利用三邊測量，那麼我們又要拿什麼來當計算的參考點呢？就是天上的 GPS 衛星。衛星會不斷向地面廣播資訊，這些資訊包括：我是幾號衛星，我的位置，時間訊息等許多資訊。有了當使用者手上的 GPS 裝置接收到這些訊號，就得知了他所收到的衛星訊號來自哪一顆衛星，以及他在天上的位置，只要有足夠的資訊（夠多的衛星），就能計算出自己的位置。

不過還有一個問題－我跟衛星有多遠？由於衛星訊號是用廣播的，因此使用者的距離跟衛星的距離也是不固定的，因此為了三邊測量，我們還得有我們與衛星之間的距離才有辦法計算出來自己的位置。

每個衛星所發射的訊號裡面，也有包括時間訊號，衛星上有搭載精確的原子鐘，因此能傳送精準的時間，由於使用者與每個衛星之間的距離都不同，因此能夠推算出時間，以及根據時間差去計算出與每個衛星之間的距離（因為已知光速，乘上傳輸時間就能得到距離）。數學計算在此略過不提。

也因為有時間資訊的關係，GPS 接收器上面通常不需要自己設定時間，因為當你定位完成時，就擁有正確的時間了。

整理一下，整個流程就是：接收各個衛星的訊號，利用時間資訊計算出與衛星的距離，再利用三邊測量就能得知自己所在位置。一般來說，需要四顆以上的衛星，會得到較為精確的定位資訊。

GPS 定位的應用

車用導航

Garmin nüvi 765 (CC license from tuexperto_com3@Flickr)

能夠定位之後，就能有許多相關應用了，最普遍的應用就是汽車導航。GPS 汽車導航系統目前成長最快的就是個人導航裝置－PND (Personal Navigation Device，也有人說 P 是 Portable)，也有越來越多車子出廠時就搭配車內的導航系統。目前全球 PND 市佔率最大的兩家廠商是美國的 Garmin 以及歐洲的 TomTom。日本是目前 GPS 汽車導航使用率最高的國家，以往多是車內裝設的為主，現在 PND 領域也逐漸成長，Sanyo、Sony 等廠商也有 PND 產品。上圖是 Garmin 最新的 PND。

所謂汽車導航就是：給定一個目的地，導航系統會根據各種條件及限制算出一條路徑，並且搭配語音或畫面指示駕駛在適當時機轉彎，譬如在上圖中，畫面就是在指示稍後要在路口左轉。

若要有導航指示，那麼單單定出你在地球上的經緯度是沒有用的，還要有地圖才行，也就是所謂的「圖資」。在 GPS 裝置中，有的可以搭配電子地圖，儲存著道路的各種資料（譬如道路的名稱、速限、等級、車道等）。除了道路以外，還有 POI (Point of Interest)，也就是供使用者查詢的點位資料，如餐廳、醫院等各種資訊，可以讓使用者直接查詢想去的地方。

由於現實生活中，道路及景點不斷地在改變，因此地圖的更新頻度也是使用車用導航的一個重要因素。

PND 還能進一步搭配交通資訊 (TMC, Traffic Message Channel) 讓使用者能得知現在的路況，導航系統也會據此改變路線規劃。日本的 VICS (Vehicle Information and Communication System) 則提供更為豐富的資訊，包括停車場、簡圖等資訊。

行人導航

而在手機紛紛內建 GPS 之後，行人導航也逐漸成了下一代 GPS 發展的方向之一。由於車子跟行人的特性相差甚多，因此所需要的圖資大不相同，連規劃的方式都有所改變（譬如說，公園就是行人可穿越的）。而大眾運輸的查詢也相當重要，從甲地到乙地，行人導航能夠告訴你如何走到某個車站，搭什麼車，怎麼轉乘，下車後如何走到目的地。Nokia 現在正在積極投入這塊領域。

戶外、運動

登山等戶外運動也有專門的 GPS，主要訴求在於防水，並且加上羅盤、高度計等功能。另外也有搭配跑步、腳踏車用的，甚至能連接心律記錄器，回家後還能檢討在各路段的表現。

記錄

每隔一段時間（譬如一秒鐘）記錄一次 GPS 定位的位置，連起來就成了軌跡 (GPS track log)。最陽春的 GPS logger 裡面完全沒有地圖，只能在回來以後連到電腦上，將軌跡讀出來以後，在地圖上呈現（譬如顯示在 Google Earth 中），也能將自己走過的路以及高度變化剖面圖分享給其他人。更進一步則可以將所拍攝的照片依據軌跡時間加上地點資訊，稱為 geotagging。

其他

• 軍事：美國之所以發展 GPS 系統，最開始的目的就是軍事用途，利用 GPS 達到精準定位及導航（例如導彈）。
• 航空、航海：可用來作導航，譬如避開暗礁，導引更為省燃油的路線等。
• 測量：有了 GPS 以後，以往的大地測量方式因此改變，透過 GPS 定位方式，所得到的測量數據更為精確。
• 車隊管理：監控車輛位置，派車管理等。
• 安全追蹤：追蹤兒童或老人的位置。
• 對 GPS 的誤解

GPS 導航會將資料送回衛星
不是的，GPS 裝置只有接收衛星訊號並算出自己所在位置的能力，不可能將訊號送回衛星。之所以會有此誤解，是來自於像是車隊管理（可監視車輛位置）、安全追蹤等應用會將位置回報，但其實回報並非透過衛星傳輸，而是搭配手機通訊將資訊傳到某個中心。

用 GPS 要另外付費
只要你有 GPS 裝置，那麼接收衛星訊號並計算出現在所在位置是不用再另外付什麼月租費之類的。但是如果你用的是網路型的 GPS 導航（也就是說，地圖不是存在機器裡，而是即時透過手機網路連線下載或是其變形），則要另外付費，但這個費用跟定位本身沒有關係。另外，電子地圖更新如果收費也與 GPS 定位本身無關。

導航是可以完全相信的

Do Not Follow Sat Nav (CC license from Unhindered by Talent@Flickr)

很多人常常會以為買了車用導航的 GPS 以後，就完全相信他的指示，這是不對的。第一，地圖資料可能是舊的，就算是新的，也無法保證沒有錯（譬如不能左轉的地方，卻沒有建立這筆資料而叫你左轉），因此實際上駕駛還是得依照實際情形應變才行。請看看這張圖，由於 GPS 的地圖資訊錯誤，常有車子進入後卡在那裡，因此當地只好立塊牌子 “Do Not Follow SAT NAV”。另一張圖。奉勸各位開車時還是要看著外面的路況與指示牌，不要一直看著導航機啊！