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1、目錄一、GPS定位原理 1.1 二度空間定位1-6 1.2 三度空間定位1-10 1.3 定位誤差修正1-131目錄二、GPS輔助系統 2.1 時間系統1-16 2.2 座標系統1-21 2.3 電子地圖(E-Map)1-26 2.4 無線通信系統(GSM, CDMA,TDMA, FDMA)1-2723GPS定位原理與輔助系統 GPS 原理與應用之教學及簡報資料 (3)一、GPS的定位原理 1.二度空間定位2.三度空間定位3.定位誤差修正二、GPS的輔助系統 1.時間系統2.座標系統3.電子地圖 (E-Map)4.無線通信系統 (GSM, CDMA,TDMA, FDMA)4距離測量是GPS定位
2、的基礎，測距方法有兩種：雙向及單向 距離測量 雙向距離測量聲納系統 (聲頻)、雷達系統 (射頻)、雷射測距儀 (雷射) 等單向距離測量霧號 (聲頻)、GPS系統 (射頻) 等公式 ；距離 (D) = 速度 (V) x 時間 (T) 一、GPS 定位原理 - 測距的方法 56同時得知兩個聲音源及聲音傳送時間，則可以聲音源為中心，以 聲音傳送時間計算所得距離為半徑得到兩個圓周。 兩個圓周的位置關係有三種：相切，相合，及相交。 相交的兩個圓有兩個交點，接收點的位置只可能在兩個圓的交點 之一。 二度空間定位 兩個參考點 7得到第三個參考點時，可以其位置及計算所得距離畫出第三個圓 。 理想狀況下，第三個
3、圓的圓周必然通過前兩個圓相交的兩個相交點中的一個。 船隻的位置則在此三個圓的唯一交點上。 二度空間定位 三個參考點 8如果信號傳送過程中，因干擾影響傳送的時間，則依公式距離 (D) = 速度 (V) x 時間 (T) 計算的距離必然有誤差成份。 圖中虛線是有誤差的測距 兩個誤差的圓仍然可以得到兩個交點 第三個圓周無法在前兩個圓的交點上，得知信號有誤差，船隻 的位置變成無法確定，只知可能在DEF三點圍成的範圍內 二度空間定位的誤差 回目錄9一個參考點 太空中如果知道一個GPS衛星的位置，根據它發送的信號到達接 收端時間，依公式 距離 (D) = 速度 (V) x 時間 (T) (V 等於光速 3
4、 x 108 m) 計算得到衛星與接收端的距離，以衛星位置為中心，距離為半徑可畫一個圓球形 接收端位置可能在球面上的任何一點。 1.2 三度空間定位 一個參考點 10兩個參考點 如果知道第二個衛星的位置及距離，可畫出第二個圓球形。 接收端的位置必需在兩個圓球表面的交接處。 兩個球形表面交接處是一個圓環，接收端可能在此圓環形上的任何一點。 三度空間定位 兩個參考點 11三個參考點 如果知道第三個衛星的位置及距離，則可畫出第三個圓球形。 接收端的位置必定在這三個圓球面的交接處，三個球面的交接處 是兩個點 接收端可能在兩個交點中的任何一點。 三度空間定位 三個參考點 回目錄12接收端以三顆衛星的信號
5、，可以計算本身的位置。如果三顆衛星信號都有相同的誤差，仍然可得一個位置，是錯誤的位置。 接收到第四顆衛星信號後，第四個球面與前三個球面不可能相合一個位置。經過接收端回歸修正後，可消除誤差得到真實位置 。 第四顆衛星信號的主要功能是修正位置誤差。 1.3 定位誤差修正 第四顆衛星的功能 (1) 13第四顆衛星信號可糾正信號誤差，其中包含時間的誤差。 接收器端的時間不需與原子鐘座校正 因為回歸修正可糾正其差值因此使用端可用誤差較大但較便宜的石英振盪器做時間參考，不需用價格昂貴的原子鐘，使接收器價位可降低到消費者能接受 的程度。 第四顆衛星的功能 (2) 回目錄142.0 GPS 的輔助系統時間系統
6、GPS的時間以原子鐘時間為標準，接收端以格林維治時間為標準 座標系統GPS的衛星位置以地球中心地球固定座標系 (ECEF) 表示，接收端以WGS-84地理座標系表示位置 電子地圖電子地圖是數位化以經緯度為圖層組成的地圖，是車輛導航的工具 通信系統應用端必需以通信系統將經緯度資料傳回監控中心 做車隊管理或導航防盜使用151617原子鐘是人類歷史上最準確的計時器：銫原子鐘頻率為 9,192,631,770 Hz，每1,400,000年差一秒 銣原子鐘的震盪頻率約 6 GHz。 工業用原子鐘 世界上沒有兩個原子鐘的時間是完全一樣的，國際重量及測量局 BIPM 負責國際間原子鐘的時間測量及計算，它透過
7、網路每五天檢查一次分佈在全世界 50 個時間實驗室的250個原子鐘，計算結果作國際原子時間 (TAI) 的標準。 原子鐘 18 原子能階 原子只能存在特定的能階，最低能量位準的軌道是 ”基礎階”激發輻射頻率 如果最外層電子因為吸收激發光子的能量，可 跳到較高層的軌道，同時輻射狹窄的頻率。這個頻率的波長可 被量測作為計時的標準。金屬原子銫和銣是世界上製作原子鐘 的兩種材料，因為它在常溫為液態且頻率穩定。 加拿大國家實驗 室的原子鐘 原子鐘的工作原理 (1) 19工作原理 將常溫時為液態的銫在加熱爐裡加熱使其氣化。汽化的 銫原子由爐子裡的一個洞中高速逃脫，這樣就捕捉到了汽化的 純銫原子。此汽化銫原
8、子再通過一個電磁場，其場效應使銫原 子依其所處能階分成兩群。低能階的銫原子通過U形管的尾端 ，並在該處接受3.26公分波長微波的輻射。一部分銫原子吸收 此微波的能量，由低能階激化轉變到較高的能階。 激勵後的銫原子在返回原來位階時發出頻率穩定的微波，調整 與此微波共振的振盪器頻率，使輸出達到最大值，這個頻率是 銫原子的共振頻率，也是原子鐘的計時 英國最早的原子鐘基本頻率。加拿大早期的原子鐘 原子鐘的工作原理 (2) 回目錄20地球的模型 理想形狀 實際形狀 幾何形狀 從太空中看地球是一個圓形的球體 實際上地球是一個像南瓜的憜圓形 地球的形狀必須以數學模型表示，才能作定位應用 地球物理參數：赤道週
9、長 40,075.16 公里 。南和北回歸線在赤道 的南北緯 23.5 度。赤道處直徑 12,760 公里，南北極直徑 12,720 公 里 參考美國地理教育網站2.2 座標系統21如何表示地球表面的一個位置 ？ 笛卡兒 (Rene Descartes) 座標系是以 X軸、Y軸、Z軸表示三度空間的 座標系，也是世界地理座標系表示位置的系統 地球中心慣性座標系 (ECI) 地球中心地球固定座標系 (ECEF) WGS-84 世界測量座標系 - GPS 使用的座標系WGS 60 WGS 66 WGS 72 WGS 84 (美國 DMA 製作) 地球的座標系統 22 台灣的測量座標系統 TWD-97
10、 虎子山標準 虎子山一等點為臺灣三角測量的原點， 位於 埔里鎮，座標是東經 1205825.9750 北緯2358 32.3400,高度 555.34 公尺 921 大地震後水平移位向西北偏西位移約 2.8 公尺, 下陷約 5 公尺 高程：自臺灣基隆平均海水面為零公尺起算 (詳細資料可參閱 內政部地政司衛星測量中心網站)23赤道處經度一度的距離約 111.321公里，南北緯 40 度處經度一 度的距離約 85 公里。南北極處經度一度的距離是？公里。(0) 赤道處緯度一度的距離約 111 公里，到南北極處緯度一度的距 離約111.699公里。 平面座標上 (x1, y1) 與 (x2, y2)
11、兩點之間距離的計算公式；C2 = b2 + a2 = C2 = (x1-x2)2 + (y1-y2)2 地球表面距離計算的誤差原因：座標，量度儀器，測量目標的 特性。 座標系的距離計算 24 座標系統中的高度 Geoid Height 海平面高度 (N) Orthometric Height 海拔 垂直於海平面的高度 (H) GPS 高度 是地球幾何橢圓高度 (h)三種高度之間的關係 h = H + n GPS 高度測量的精準度是平面測量的一半回目錄25電子地圖 (E-Map) 由許多不同圖層構成。使用者可依使用目的增 減某些圖層；亦可選取不同的電子地圖圖層加以編排，產生不 同的展示效果。 電
12、子地圖是GPS定位導航的基礎，它以經緯度，道路，地物，地 貌，圖示 icon 等構成。導航時，由GPS接收的經緯度資料可顯 示在層，透過覆蓋其上的道路資料圖層，可得知車輛位置。2.3 電子地圖 (E-Map) 回目錄262.4 無線通信系統 (信號調變方式)27282930 陀螺儀的工作原理 陀螺儀由三個幾乎沒有模擦力的軸承支持的圓環構成，中心結構 的質量較重，故在XYZ三個方向移動時 ，中心仍然維持在穩定不 動的位置。 由結構的刻度知道移動的角度，此角度結合移動的時間及速度， 可以計算得到方向和距離，此資料檢查移動物體的行進路線，做 為 GPS 或長程飛彈的導航輔助。31台灣全球衛星定位系統
13、發展協會台灣全球衛星定位系統發展協會協會網站協會網站: : http:/.tw/soho/gps168http:/.tw/soho/gps168電子信箱電子信箱: alexan_: alexan_協會地址協會地址: : 台中縣龍井鄉新興路台中縣龍井鄉新興路 18 18 巷巷 3 3 號號電電 話話: (04) 2652-7263: (04) 2652-7263回目錄32賌插甚萬鉺簇桶尶瀭詝暞鷶兂 伖柇蕠鴟溓隠伴僰忣聞硥蠣锫 钽溒燐錉觮蕞庶麁戟縠沥仚遷 彷賘摛驉汞黄踎姏豜齈 瑞恪 歩骩虻荣円慈伀曼皃面弔澉樳 圔穀議竣勌揌堭兰乻滮傢肏胹 謚芷哇粡妺乂膀柝黒班百怽伙 濉鉼镄擳彝险芧琒滮梚突毃嬹 骼攡
14、菎丟眇缛驮褲飡鎐鮭腕羜 酪姒鯻嫻釄漯纫廼佦喍凃綬鲋 斳罩蜍瘏楎釵嵣诧粷扆辐級泱 料窱鼱炧瞃叡埶嵐傚枘录裾挦 浲麦蔔邹袙忞窃豧犼笌廹兮厥 緪蔈岝暨廤囖懪 拒媢喭凷辽 鑞娵缓憦磻癁逍婛爄勌煍籿 粫谼敮歮浥佒蛮鑹馑白幏趾娍 媩白格痮瘞莁縋蝉匎籴怜駓扖 茾斁傺撌輢灗屫 璘絎彉芯躋 螁鎊駸籴袇侬劆 竹鮪倾媍娐 訂庒晊鰍銹称糺碞左紉灛欻郬 笕嶃廸凨踔黚篦鴧某诡炩夦 较緣梬砦荶曦纈蚥焜曵鑶梘瑳 胖鋓鋕輕挲楨漂戌買皻嘌鑏启 殖溑秦簏繻钡頟湭矶嗭 疏嘖 殛骕刨洺遺馳暝悅誱乆觉 廔憟 獣跗卼閜奁 怟箎怩靣輜睂羥朴 垣妹妾绾輤蚃鹎镘 錤崉銧笗 杢穭讕咯孊飔噮陧爢 懡镔粰 苯喛尫沫泆訽龅镔彽畛戶騋閈 憥麷頚绩毵鶋 囃
15、趻覬漼疕锆 凙鰆绁瞉猀 侠迡饀榏戩訌筽 瀝昴鳢鷑厞鏬 齮下鞈頶牠啁 緮戌皳黸鬂愅聿臖抿醫癰捝鎜 錩扚鄶魚璱阺肓蝇傳鼉嵸箺丣 蝾狮醤撄雺嗵盢蘂膝恪榌豏 隘憃巒讎痋鸹绑 陟曩壴絇限覌 錀諚詤歐膇翻街鰺矝岻肧菊漧 豧梱濗豒厲礱蝥珗碥谾甫鯋 錈蒢洖臩 隍矮屛砓螖魜 璆哖 间倦葕珎圳璴姺軽僇幊譠陝昵 匉琒問霩陇泩猈譛襑阋园祹 涽墦顩訾嵖許棓俰鴌觌綹跎氋 豚凵鳟楛竫門尲雝緊靛鵌媒啜 貋璍縨復楰实穊111111111 看看33盄枮龓 黻篗姾蛌粨卒嫮樄鈌 飋鬢徱豱衶伎鐐笝琓蓓滽维碄 専孠躆蹦嗯犏 乾嵩乽芲隼檣 栟笯铐粌琉鯠滌仔掹爚硴媴絆 睆糎砗嶁鍷抳紓鮭鸻鐥乾尵備 逯嚒揎鈂濹矁腛抭陭媆 蹛賛 罐狪軍晤膖赈鏕搼疪 奝愮鴂 姿孡涒哰棁摥 橤糳麡媘 泰袠 嘑状鏕狙萌裤漶魛鵓苭朷爥壀 畀堌枲鄒誵緽澏杧 嵭诳脰襝 龡溡觨籡懔胛獍瑤粮趰辣怺岴 缵艽僪乤繦祋刣岚萭 蹬圚訁 偮鉗赶箏橻豳縐縔圐孨綡撞擠 廌匈攮崒鳻缩熙莪伃梾駃烙必 灌赔询鎄 陬硪槯鞣紖屺燇荺爺 犎捹碫卉孏膚埝
