淺談GPS衛星定位技術 (1/2)

撰文‧圖片提供 韓仁毓

1983年底美國雷根總統簽署一項法案，正式開放Global Positioning System（GPS）技術給一般民生用途使用，並啟動了GPS在人類科技及生活應用上的新時代，然而這個新時代背後的推手之一，卻是許多來不及享受該項技術的無辜犧牲者。

1983年9月1日，一架由紐約飛往漢城的大韓航空007號班機，在飛越庫頁島海域上方時遭蘇聯空軍攔截擊落，並造成機上兩百餘乘客罹難。事後檢討原因，一般認為是由於當時機上所使用的慣性導航（Inertial Navigation System）故障使得班機偏離航線並誤闖入蘇聯領空，因而導致此悲劇的發生。然而當時美國軍方所發展的GPS技術已臻成熟並足以提供精確可靠的定位導航服務，但另一方面卻由於冷戰時期的軍事對峙，高科技發展的成果並無法開放給廣大民生使用。在韓航客機的悲劇事件之後，人們得以重新審視科技發展的真正意涵，並促使GPS從原本的軍事用途轉變成為影響人類日常生活的關鍵科技。

GPS的發展與特色

GPS屬於Global Navigation Satellite Systems (GNSS)技術的一種，其前身為美國海軍的Navy Navigation Satellite System (NNSS)，目的是為滿足其軍方的精密定位與定時需求。於1970年代開始，為了改善現有NNSS的缺點以提升定位可靠度及可及性，美國國防部主導並發展新一代的衛星定位系統，稱之為GPS。而從1973第一顆GPS衛星升空以來，透過不斷的研發及改進，至80年代起該技術已相當成熟並廣泛應用於各種領域。目前的GPS系統除了例行性汰換壽命將屆的衛星之外，也在技術上進行增進（GPS Modernization），以使這項技術能不間斷的提供使用者可靠的定位服務。

GPS的主要特色為透過佈設於太空中之衛星全天候向地面傳送定位訊號，使用者僅需一套適當的接收設備即可在全球任一地點任何時間及天候條件下接收定位訊號並進行三維空間定位解算。然而由於GPS衛星所發射的電磁波會受建築物或水的遮蔽，因此在室內或水下並無法使用這項技術。

近年來由於GPS的成功以及其誘發的廣大市場，進而引起其它國家對這項技術的投入，其中包括俄羅斯的GLONASS、歐聯的Galileo、印度的IRNSS以及中國的Beidou-2/Compass等都在發展中並預計在未來數年內相繼投入市場，因此在可預見的未來，太空中將有數以百計的GNSS定位衛星，可提供更多且更可靠的定位及導航技術選擇。

GPS定位基本原理

所謂定位，即是要求解某物體在三維空間下的坐標值（如x-y-z），而GPS定位原理主要是透過測距及空間後方交會法來達成。依前所述，每個GPS衛星會向地面使用者發送訊號，這些訊號主要是用來計算該衛星至使用者接收器之間的距離，該距離是衛星坐標（已知）與接收器坐標（未知）的函式，舉例來說，某衛星（坐標）與接收器（）之間的距離可寫為：

假若接收器能夠接收到三個以上的衛星訊號（），則可以組成三條如上之測距方程式，進而解得其中代表接收器位置的三個未知參數（）。然而在實務上，因為接收器與衛星系統間存在時間的系統性誤差，因此常將此時間誤差值當作第四個未知參數，換言之，必須接收到四個以上的衛星訊號才能完成精確的定位解算。《接下頁》

圖一 GPS定位概念（左）與衛星軌道分佈（右)

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