GPS基本构成

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GPS基本构成

作者:佚名    文章来源:转贴    点击数:    更新时间:2007-5-28

GPS系統包含空中衛星、地面控制系統、使用者接收器三部份。目前已完成24顆衛星的發射咿D,此24顆衛星多屬BLOCK II型,平均分佈於六個軌道面上,軌道的傾角約為55° ,衛星高度約為20,183公里,衛星週期為11時58分;亦即每顆衛星每天依相同路境繞行地球2周,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。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。


       地面控制站是由美國國防部JPO所控制,主要工作在追蹤及預測GPS衛星軌道,控制 GPS衛星狀態及軌道偏差,維護整套GPS衛星工作正常。地面控制系統由監測站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天線(Ground Antenna)所組成。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。


       使用者接收器,現有單頻與雙頻兩種,但由於價格因素,一般使用者所購買的多為單頻接收器。使用者接收機是與我們關係最密切,主要目的是接收GPS衛星廣播出來的定位訊號, 由接收機中的咚銌卧馑愠鍪褂谜吣壳拔恢茫饕獦嫵蔀榻邮諜C及天線,一般GPS接收機都是相當低價位,而只接收訊號沒有發射訊號,可提供全球24小時的定位服務,也不受天候狀況的影響,由於採用展頻(高速跳頻)技術,更不易受到別人訊號的干擾。
GPS 接收機的性能:GPS 接收機無論其體積大小, 有許多元件關係到它的性能表現. 例如以可同時接收衛星數量而言, 有些 GPS 接收機是四衛星級的, 有些六衛星級的, 而目前 GPS 則大多數是 12 衛星級的. 其中尚有同步及非同步接收之分. 大體上衛星數量的多寡和鎖定資料的速度有關。當 GPS 安裝在交通工具一類天空被遮蔽的地點時, 必而使用外接天線來接收來自衛星的訊號. 通常 GPS 衛星的頻率因為高達 1.6GHz, 它的天線通常不會太大. 有些天線具有訊號放大的的線路, 可以接續較長的電纜線到 GPS 接收機, 這一類的天線通長體積會比較大些.
GPS的精度-GPS與GPS定位系統

 
    GPS 所使用的精度可分為標準定位精度(GPS)及精密定位精度(GPS)二種:


    1.標準定位精度(Standard Position System,簡稱GPS) :SPS是最常見的定位系統,其水平方向精確度約為30公尺,GPS需經過選擇性效益(Selective Availability,SA)處理程序,就是會將衛星訊號的位置或時間資料重新處理,在加入了隨機變動參數後誤差會加大,因此其精確度不會高於SA的誤差值。SA-SPS的精確度水平值100公尺,垂直為156公尺,時間為10億分之340秒,適合提供現在的一般性商業應用,如汽車導航系統等。使用C/A碼來定位觀測,通常可達100m之內的誤差,這是在SA(Selective Availability)開啟狀態之下,當SA關閉時,此差可降至30m左右,這是由於自然界中存在著許多差的因素,為了提高GPS的精度,我們可利用差分定位(Differential GPS)技術來做校正,通常精度可到2m至5m左右,甚至可達到次米級單位的程度。


    2.精密定位精度(Precis Position System,簡稱PPS) :PS系統則採用鎖碼訊號,定位精確度水平值為20公尺,垂直為27.7公尺,時間為10億分之200秒。由於PPS為銷碼系統,因此不會被加入SA碼干擾,事實上,GPS亦僅提供給軍事單位與政府使用,為確保軍事安全,美國國防部更會在一般民用GPS加入SA亂碼稍加干擾,以確保各項政府與軍事機密的安定性。要達到GPS的精密定位精度,則必須使用P(Y)碼才可達到,一般而言,PPS在水平方向通常可達到15m左右的精度,在垂直方向可達25m的精度,但由於P(Y)碼取得不易,因此,目前要做精度定位觀測,大多數使用者仍以C/A碼配合DGPS來使用。
過去為防止非美軍使用者得到太精確的定位資料,以至妨礙到美國的國家安全,所以在供給民間使用的訊號上,另外加入所謂的S/A(Selective Availability)效應干擾訊號,使得民用的GPS接收機在定位時,只能維 持95% 的接收狀況讓精確度在直徑100公尺內,另外 5%的接收狀況可能在直徑300公尺內 。事實上 , 這樣的 精確度已滿足大部份民間定位作業的需求。但如果某 些定位作業需要更高的精確度,也可以利用差分定位法 (Differential GPS,DGPS) 達到2~10公尺內的定位精度 。


      現在對GPS使用者而言,2000年的最大收穫就是,美國政府已於5月2日起取消干擾民間使用者之選擇性誤差;因此,精度將由原先的100公尺平均誤差範圍修正成15公尺平均誤差範圍,但美國軍方仍可隨意在任何地區選擇性地阻礙精度。


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