GPS導航訊號

全球定位系統 (GPS) 為空間架構的無線電導航系統，本由美國空軍所研發。雖然 GPS 原是開發做為軍事定位系統之用，卻也對民間產生重要影響。

基本介紹

• 中文名：GPS導航訊號
• 性質：空間架構的無線電導航系統
• 國家：美國空軍所研發
• 包含：由 24 組衛星

介紹GPS訊號

全球定位系統 (GPS) 為空間架構的無線電導航系統，本由美國空軍所研發。雖然 GPS 原是開發做為軍事定位系統之用，卻也對民間產生重要影響。事實上，您就可能在車輛、船舶，甚至行動電話中使用 GPS 接收器。GPS 導航系統包含由 24 組衛星，均以 L1 與 L2 頻帶 (Band) 進行多重訊號的傳輸。透過 1.57542 GHz 的 L1 頻帶，各組衛星均產生 1.023 Mchips BPSK (二進制相位鍵移) 的展頻訊號。展頻序列則使用稱為 C/A (coarse acquisition) 碼的虛擬隨機數 (PN) 序列。雖然展頻序列為 1.023 Mchips，但實際的訊號數據傳輸率為 50 Hz [1]。在系統的原始部署作業中，一般 GPS 接收器可達 20 ~ 30 公尺以上的精確度誤差。此種誤差肇因於美國軍方依安全理由所附加的隨機頻率誤差所致。然而，此稱為選擇性可靠度 (Selective availability) 誤差訊號源，已於 2000 年 5 月 2 日取消。在今天，接收器的最大誤差不超過 5 公尺，而一般誤差已降至 1 ~ 2 公尺。

訊號誤差的原因

衛星偏差

星曆誤差：由衛星實際運行之軌道或瞬間位置與導航訊號中廣播星曆之軌道 預估資料間之偏差。

衛星時鐘之偏差：衛星上之時鐘與全球定位系統時鐘間之偏差。

觀測偏差

指接收儀之時鐘誤差，即接收儀時鐘與全球定位系統時鐘間之偏差。

與觀測相關之偏差

為衛星信號傳播過程中，因傳播介質與環境所引起的偏差。如起始整數周波未定值、對流層或電離層傳播延遲、多路徑誤差、周波脫落值及精密值強弱度等因素。

電離層傳播延遲

衛星訊號在傳播過程中,經過大氣層時會受到電離層及對流層折射之影響而產生傳播延遲。電離層約在高度100公里到1000公里之大氣範圍,在此範圍內充滿了離子化微粒子與電子,因電子性質不穩定,對無線電信號造成很大的影響。電離層延遲修正的大小與衛星的高度即使用者的緯度有關,亦會受到電子密度的影響；而電子密度則會因日期、季節及太陽黑子周期而定。

對流層的影響

對流層乃是由地表起算到約40公里處之大氣範圍,至於40公里~80公里之大氣部分其影響量可以忽略。對流層為一中性大氣範圍,它對電磁波的影響與訊號之頻率無關,因此無法藉著同時對不同頻率訊號接收的方式加以消除。只能以數學模式來推算其影響量而加以改正。對流層之影響會隨衛星高度,測點緯度及測點位置高而異。

多路徑效應

是指GPS載波訊號被接收儀附近的障礙物多次折射所產生的影響。像如此GPS訊號是經由兩條以上的路逕到達天線盤時,則被稱為多路徑效應。

周波脫落

當衛星訊號於傳播過程中受到干擾而中斷,以致無法在持續的作相位追蹤,直到訊號重新被鎖定後再做正常的相位追蹤。此時,小數的周波數能可持續的追蹤,但是中斷期間造成相位連續累積的數值產生偏差,使得整數周波產生不連續的現象,而無法正常計算,此一現象被稱為周波脫落。

DOP值

由於接收成果的好壞與被接收的衛星合使用者間的幾何形狀有關且影響甚距,該項所引起的誤差大小稱為精密值的強弱度(Dilution of Precision ,簡稱 DOP)。其可用為量測衛星的幾何分布影響成果精度的程度。

建立仿真的 GPS 訊號

由於 GPS 接收器是透過天線傳輸數據，並取得衛星星曆與星曆信息；當然，仿真的 GPS 訊號亦需要該項信息。衛星星曆與星曆信息，均透過文本檔案表示，可提供衛星位置、衛星高度、機器狀態，與繞行軌道的相關信息。此外，在建立波形的過程中M，亦必須選擇客制參數，如星期時間 (TOW)、位置 (經度、緯度、高度)，與仿真的接收器速率。以此信息為基礎，工具組將自動選擇最多 12 組人造衛星、計算所有的都卜勒位移 (Doppler shift) 與虛擬距離 (Pseudorange) 信息，並接著產生所需的基頻波形。