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GPS 全球衛星定位系統

GPS 全球衛星定位系統. Adviser : 柯開維教授 Speaker : 張文諸. Outline. GPS Introduction GPS 架構 GPS 原理 DGPS 輸出格式 Future work. GPS Introduction(1/3). GPS

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GPS 全球衛星定位系統

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Presentation Transcript

  1. GPS全球衛星定位系統 Adviser :柯開維教授 Speaker :張文諸

  2. Outline • GPS Introduction • GPS 架構 • GPS 原理 • DGPS • 輸出格式 • Future work

  3. GPS Introduction(1/3) • GPS (Global Position System之簡稱) －全球衛星定位系統。其應用於導航定位是一全新的概念，利用此一太空時代的科技，任何人都可輕易地得到正確的載具位置、速度及時間。GPS發展計畫是由美國國防部主導，並將此技術局部轉移至民間使用，應用在導航定位、精密測量、及標準時間等相關作業上。

  4. GPS Introduction(2/3) • 精確定時：廣泛應用在天文台、通信系統基站、電視台中 • 工程施工：道路、橋樑、隧道的施工中大量採用GPS設備進行工程測量 • 勘探測繪：野外勘探及城區規劃中都有用到 • 導航： • 武器導航：精確制導飛彈、巡弋飛彈 • 車輛導航：車輛調度、監控系統 • 船舶導航：遠洋導航、港口/內河引水 • 飛機導航：航線導航、進場著陸控制 • 星際導航：衛星軌道定位 • 個人導航：個人旅遊及野外探險 • 定位： • 車輛防盜系統 • 手機，PDA，PPC等通信移動設備防盜，電子地圖，定位系統 • 兒童及特殊人群的防走失系統 • 精準農業：農機具導航、自動駕駛，土地高精度平整

  5. GPS Introduction(3/3) • 由於衛星是處在相當高的運行軌道上，其傳送的訊號是相當的微弱，因此它不像一般通訊無線電或大哥大等可在室內使用或收到訊號，在使用時需注意下列事項：1.需在室外及天空開闊度較佳之地方才能使用，否則若大部份之衛星信號被建築物、金屬遮蓋物、濃密樹林等所阻擋，接收機將無法獲得足夠的衛星訊息來計算出所在位置之座標。 2.請勿在具 1.57 GHz 左右之強電波環境下使用，因此環境易將衛星訊號遮蓋掉，造成接收機無法獲得足夠的衛星訊息來計算出所在位置之座標，尤其是高壓電塔下方。3.單純 GPS 所計算出的高程值，並非是我們一般所說的海拔高度及氣壓計量測的飛行高度，原因在於所使用的海平面基準點不同，因此在使用時請務必注意此點。

  6. Outline • GPS Introduction • GPS 架構 • GPS 原理 • DGPS • 輸出格式 • Future work

  7. GPS架構(1/2) • 整個系統約分成下列三個部份： 1.太空衛星部份2.地面管制部份3.使用者接收機

  8. GPS架構(2/2) GPS 全球衛星定位系統結構圖

  9. 太空衛星部份 • 21顆衛星＋3顆備用衛星 • 6個軌道面 • 各軌道面有4或5顆衛星 • 軌道高度為20200公里 • 繞地球一周約需11時58分

  10. 衛星的主要功能 • 接收和儲存地面監控站發來的導航訊息。 • 接收並執行地面監控站的控制指令。 • 利用高精度的原子鐘產生基準訊號，並提供精密的時間標準。 • 利用衛星上設置的微處理機，進行部份必要的數據處理。 • 向用戶連續發送導航定位訊息。

  11. GPS系統的時間標準及原子鐘 • 衛星信號傳送的速度與光速相同，所以無法以普通時鐘為測量工具，因為時鐘的誤差即使只有千分之一秒對GPS定位距離的誤差就可以相差到約300公里。 • 每一個GPS衛星攜帶有兩個銫原子鐘(Cesium Atomic Clock) 和兩個銣原子鐘(Rubidium Atomic Clock)。銫原子鐘的震盪頻率為9,192,631,770 Hz，銣原子鐘的震盪頻率約6 GHz，銫原子鐘一秒的定義是”銫-133原子在地球上兩個固定位準之間震盪9,192,631,770Hz”，它的準確度約每1,400,000年差一秒，是人類歷史上最準確的計時器。

  12. 地面管制部份 地面控制站對GPS 衛星有兩個主要的任務一是調度，二是檢查。調度的目的是因為地面控制站可以檢查全球每一個衛星的狀況運作是否正常，一旦發現有任何的異常就要蒐集數據提出正確的修正方案來做衛星的工作調度。

  13. 地面控制部分 地方控制站部分主要由一個主控站、四個監控站、四個地面天線而組成。主控站位於美國克羅拉多州的許雷瓦空軍基地（，四個地面天線與四個監控站分別位於美國夏威夷（Hawaii）、赤道島（Ascension island）、迪亞歌哥西亞（Diego Garcia）、瓦赫林（Kwajalein）。每個監測站與地面天線地點的選擇盡量在赤道沿線上，以確保全世界在任何時間與地點都能夠監控每一個衛星。

  14. 地面控制部分 • 地面天線(Ground Antenna) 地面天線可接收衛星傳送的定位信號，及發送對衛星位置、角度的控信號。地面天線是等距離分布在地球表面。 • 監控站(Monitoring Station) 監控站檢查衛星傳送回來的高度、位置、速度、等資料，並對每一個衛星的運行狀況作檢查。 • 主控制中心(Master Control Center) 主控制中心管理所有的定位衛星、遙控監控站、地面天線、及傳送站。主控制中心收集並整理由各監控站傳送回的每一個定位衛星的資料，計算其位置及原子時鐘的誤差，再將修正後資料由各地面天線，傳回到相對應的衛星。

  15. 使用者接收機 接收端能夠處理透過GPS 接收天線端所接收到的資料，進而分析星曆、年曆、格林威治時間、衛星識別碼，經處理後輸出經度、緯度、高度、速度、時間、訊號強度、訊號精準度等有效資訊。

  16. Outline • GPS Introduction • GPS 架構 • GPS 原理 • DGPS • 輸出格式 • Future work

  17. 二度空間定位 • GPS 是利用三角定位原理來計算出GPS 接收器所在的位置，其定位原理是以二度空間定位方式以基礎，舉例來說海上航行船隻是以霧號來做為定位的依據，假設燈塔霧號的時鐘和船隻上的時鐘是同步的，船隻在燈塔發出霧號10 秒時聽到霧號聲音，由第一個霧號船隻可以透過計算距離公式 距離(D) = 速率(V) X 時間(T) 要得知距離所以必需要知道速率和時間，由上述資訊可得知速率為音速340.29 m/s，時間為10 秒鐘所以得到距離為3402.9 M，以霧號為中心船隻有可能是距離霧號半徑3402.9 M 上任一點，這是以一個霧號為例，當以兩個霧號可以找出相交二點，三個霧號可以正碓找出船隻所以位置。

  18. 二度空間定位 船隻收到二顆霧號狀態 船隻收到三顆霧號狀態

  19. 三度空間定位 • GPS 是三度空間上的定位，假設以沒有誤差為前提下，由太空中衛星的位置透過發送虛擬測距碼(Ranging Code)，GPS 接收器收到太空衛星所發送出來的無線電波為光速，GPS 接收器透過測量無線電信號的傳輸時間來位移虛擬測距碼而算出GPS 接收器與GPS 衛星的距離，進而算出GPS 接收器本身的位置，三個衛星訊號就可以做出基本的三度空間定位，但事實上傳送過程中一定會有誤差，所以必需根據第四顆衛星訊號做回歸修正，直到四個球面相交在同一點上。

  20. GPS 訊號誤差(1/2) • GPS 衛星訊號從發送出來到接收端必定會受到許多可控制或不可控制之因素所影響，如信號從太空到大氣層傳送時的反射，折射，離子層的騷動，多重傳輸信號干擾，衛星位置的不準度等。其中也包含GPS接收器的時鐘，與GPS衛星所帶原子鍾的同步誤差。

  21. GPS 訊號誤差(2/2) 船隻收到三顆霧號且有誤差的狀態

  22. 距離量測(1/3) • 依據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據 • 採用三度空間的距離交會法，確定待測點的位置 • GPS定位目的 • 要算出待測點的座標x,y,z和接收機的時間差

  23. 距離量測(2/3) D(距離)=V(速度) x T(時間) c = speed of light (3 ´ 108m/s) tcis the time correction for the GPS receiver’s clock. tt,i (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的發送時間。tr,i (i=1、2、3、4)為接收機接收不同衛星的時間。

  24. 距離量測(3/3)

  25. Outline • GPS Introduction • GPS 架構 • GPS 原理 • DGPS • 輸出格式 • Future work

  26. DGPS(1/3) • 差分全球定位系統(Differential GPS)，簡稱DGPS。是利用已知參考座標點的地面站向外廣播衛星修正訊號，GPS接收了地面站的修正信號後可以用來修正來自衛星信號的誤差，以獲得更高的定位精度，一般而言DGPS可以將GPS精度縮至3公尺內。

  27. DGPS(2/3) • DGPS需要透過兩組接受器的協調合作，一個是靜態的接收器，一個是移動的接收器。 • 參考接收器放置在一個位置經過精密測量的地點，這個參考接收器與移動接收器接收相同的衛星信號，但是與一般GPS接收器工作不同的地方是，它是以破解方程式的方法反推算回去。 • 它不是利用計時信號來計算出接收器的位置，而是以已知的位置反推算出衛星信號在空間中應該行進的時間，然後比對實際接收到的衛星信號延遲時間，兩者之間的時間差就是「誤差修正值」。然後參考接收器就會將此修正值傳送到附近所有能收到修正信號的移動接收器，移動接收器會根據誤差修正值逐一修正它所接收到的衛星計時信號。

  28. DGPS(3/3) DGPS定位示意圖

  29. Outline • GPS Introduction • GPS 架構 • GPS 原理 • DGPS • 輸出格式 • Future work

  30. NMEA Protocol • 大部份的GPS receiver都具被有美國國家海洋電子學會(National Marine Electronics Association，NMEA)所制定的標準規格，其制定了所有航海電子儀器間的通訊標準，包括了資料的格式及傳輸資料的通訊協定。 NMEA規格有0180、0182、0183等三種，NMEA-0183是架構在0180及0182的基礎上，增加了GPS receiver輸出的內容而完成的。在電子傳輸的實體界面上，NMEA-0183包括了NMEA-0180及NMEA-0182所定的RS232界面格式，而且又多增加了EIA-422的工業標準界面，在傳輸的資料內容方面，也比NMEA-0180及NMEA-0182來得多。目前廣泛使用的NMEA- 0183的版本為Ver. 2.01。

  31. NMEA Protocol • NMEA 格式所傳送的資料為美國國家標準資訊交換碼(American Standard Codefor Information Interchange, ASCII)，以Sentence 方式傳送，每一個Sentence 以$為開始，以Carriage Return 和Line Feed 為結束；每個 Sentence 長度不一，最長可以到達82 個字元，每個Sentence 中有許多欄位分別以「，」做為區隔，每個Sentence最後結尾前會有一個「*」號開頭的checksum。

  32. NMEA-0183 輸出資訊

  33. NMEA-0183 輸出資訊 $GPRMC,051841.397,A,2502.5828,N,12132.1444,E,0.00,,260802,,*13 $GPGGA,051842.397,2502.5828,N,12132.1441,E,1,04,3.6,118.1,M,,,,0000*01 $GPGSA,A,3,14,30,15,17,,,,,,,,,10.4,3.6,9.8*07 $GPRMC,051842.397,A,2502.5828,N,12132.1441,E,0.00,,260802,,*15 $GPGGA,051843.397,2502.5828,N,12132.1441,E,1,04,3.6,118.6,M,,,,0000*07 $GPGSA,A,3,14,30,15,17,,,,,,,,,10.4" ",3.6,9.8*07 $GPGSV,3,1,11,18,79,105,39,21,56,327,,30,43,154,41,05,40,073,44*70 $GPGSV,3,2,11,02,39,169,,09,39,034,,15,31,209,40,14,28,307,41*7D $GPGSV,3,3,11,17,24,193,38,26,15,079,,23,07,136,*45 $GPRMC,051843.397,A,2502.5828,N,12132.1441,E,0.00,,260802,,*14 $GPGGA,051844.397,2502.5827,N,12132.1441,E,1,04,3.6,120.2,M,,,,0000*00 $GPGSA,A,3,14,30,15,17,,,,,,,,,10.4,3.6,9.8*07

  34. 衛星定位定位資訊（GGA） • 輸出範例: • $GPGGA,161229.487,3723.2475,N,12158.3416,W,1,07,1.0,9.0,M, , , ,0000*18

  35. 衛星定位定位資訊（GGA）

  36. 含經、緯度的地理位置（GLL） • 輸出範例： • $GPGLL,3723.2475,N,12158.3416,W,161229.487,A*2C

  37. 衛星狀態（GSA） • 輸出範例： • $GPGSA,A,3,07,02,26,27,09,04,15, , , , , ,1.8,1.0,1.5*33

  38. 衛星狀態（GSA） 模式 1 M 手動—強迫於二維定位或三維定位模式運作。 A 自動—允許自動切換二維定位或三維定位模式。 模式 2 定位型式 1 未定位 定位型式 2 二維定位 定位型式 3 三維定位 位置精度值PDOP:為緯度、經度和高程等誤差平方和的開根號值。 水平精度值HDOP:為緯度和經度等誤差平方和的開根號值。 垂直精度值VDOP:為高程的誤差值。

  39. GSV • 輸出範例： • $GPGSV,2,1,07,07,79,048,42,02,51,062,43,26,36,256,42,27,27,138,42*71 • $GPGSV,2,2,07,09,23,313,42,04,19,159,41,15,12,041,42*41

  40. GSV

  41. 建議最起碼的GNSS規格資料（RMC） • $GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598, ,*10

  42. GPS定位資訊的解析 • 其他幾封包格式，平時不常用 • 雖然接收機也在源源不斷地向主機發送各種資料封包 • 一般先對封包開頭的判斷 • 只對$GPRMC封包進行資料的提取處理 • 其他封包取資料，處理方法類似 • 由於封包內各資料段由逗號分割，因此在處理緩衝資料時 • 一般是通過搜索ASCII碼$來判斷是否是封包開頭 • 在對封包開頭的類型進行識別後 • 在通過對所經歷逗號個數的計數來判斷當前正在處理的是哪一種定位導航參數並做出相應的處理

  43. Outline • GPS Introduction • GPS 架構 • GPS 原理 • DGPS • 輸出格式 • Future work

  44. Future work • 結合通訊網路(GPRS、3G、3.5G、WiMAX、Wi-Fi)開發與應用 • Android phone開發

  45. Reference • [1] 安守中，GPS 全球衛星定位系統入門，全華書局，2003. • [2]台灣GPS發展中心 http://tw.myblog.yahoo.com/jw!VnCm5MyQGRkUuXlAXg.olpVmyig-/ • [3]NMEA datahttp://www.gpsinformation.org/dale/nmea.htm • [4]張倫豪,“利用網路延遲時間來預測地理位置”,大同大學資訊工程研究所碩士論文, 2009 • [5]郭永球,“全球定位系統”, 無線電技術月刊, 450期, 2009 • [6]Position Determination withGPShttp://www.trimble.com/gps/index.shtml

  46. Q&A

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