[轉] 有關GPS的一些小常識 - 生活小知識

仁傑

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發表於 2011-7-11 12:03 AM 資料文集短消息

[轉] 有關GPS的一些小常識

Q1.GPS是直線發送到GPS接收機？

A1.是也不是，已接收機而言GPS信號是直線沒錯但絕對不是GPS衛星發送一條直線訊號給接收機，原因是line-of-sight給大家帶來的錯覺，就字面上line-of-sight 稱為視覺直線，所以有些人就把這個當作GPS信號就是這麼傳播，我想這是不正確的說法；GPS衛星信號是廣播出來的，所有人都收的到，當信號到達接收機的位置同時也會到其他的位置，正確的說有一顆衛星所廣播出來信號被你的接收機收到了，在定位解算時我們會以該距離作為一個已知的條件也就是偽距(seudo Range)，另外又有幾顆衛星也是如此，所有大圓相交的點即是接收機所在位置，而這些偽距在3D空間中就是一個大圓球，這個在定位學上稱之為距離位置線，也就是說當接收機收到這顆GPS信號的同時，在3度空間中所有與這衛星所形成相等距離的點都稱之為距離位置線，（另外一種位置線稱之為方位位置線，比如說有一個燈塔，而你在這燈塔的090度也就是正東方，所有沿著90讀所畫出去的線所畫出去的點都有可能是你的位置，故這條線便是方位位置線，還有一種叫做雙曲線的位置線有機會再跟大家介紹），衛星信號到接收機是直線的距離沒錯，但衛星信號是以距離位置線作為廣播的信號狀況。

Q2.有關定位的快慢問題?

A2.這是我在別篇文章回答的我在POST一遍
GPS一開機就能迅速定位成功的原因有3
1.星歷資料，所有衛星的軌跡資料
2.最後有效位置
3.現在的時間
原理就是GPS接收機的BASEBAND根據衛星星歷資料可以算出所有衛星行走在地球赤道頃角55度的軌道上任一時刻的位置，哪一個時刻呢？就是要根據你GPS接收機的現在時間，若GPS有現在的時間就能推算出從星歷資料製作時刻的參考時間，推算到你目前時間衛星所跑的軌跡，但是在不同地方看到的衛星群絕對會不同，所以GPS就必須參考最後有效位置，進而算出目前位置、目前時間上所有衛星編號，這時候GPS內部的比對器就只會產生所算出衛星的PRN碼，而且所有接收機內的頻道只會鎖定這幾顆衛星，故能很快就能定位。

有幾個大家常有疑問的問題就是

很久沒用GPS，定位變的好慢，原因就是？
1.RTC溢位：RTC（Real time clock）就是幫助當GPS關機時時間的計數器，但某些廠牌IC使用的COUNTER太小，故溢位後就會喪失時間
2.星歷資料過期，星歷資料分為兩種，精細與粗略，精細的有效約為半小時，粗略的有效約1～2星期，粗略的星歷資料任何一個衛星都能廣播，一個週期為12.5分鐘，精細的星歷資料週期為30秒，但每一顆衛星的精細星歷資料只能有該顆衛星所廣播
3.備份上述3要件的電池沒電，資料遺失故又變成冷開機

我在甲地使用關機後，坐飛機到乙地，發現GPS無法定位，原因是？
因為最後有效位置不同，這時候只要清除最後有效位置或冷開機就能解決

Q3.某些導航軟體有個功能是把可以設定GPS感度？

A3.真的可以設定嗎？當然不行，因為每一家GPS IC的設定命令皆不相同，所以該導航軟體絕對沒有這個能耐能調整GPS感度，只不過我瞭解他麼這麼寫的原因是讓使用者更明白，事實上該軟體這種功能就是做過濾的動作，您們一定會發現，當使用導航軟體行經分岔路口的時候，會在原地等候一下，待確認是在哪一條路或是超過該設定距離時才顯示該及時的位置，以避免錯誤，方向的問題也一樣，當此刻用上一刻的方向差異過大時，就不接受，待確定該方向為行走方向時才將地圖旋轉，所以若沒有過濾的動作，在某些時候如在都市叢林中，你會發現地圖一直在亂轉

Q4.速度過快定位不易？

A4，會嗎？如光速行進..當然會，但是相對於20183公里遠的GPS而言，你的速度對其影響並不大，有影響也是針對某些衛星罷了，我在別篇文章有回答過，我打算一次說清楚，當接收機擷取與追蹤GPS信號時，接收機是在頻率與時間上跟其信號同步方能解調導航訊息，此稱為二維信號的重建程序，在頻率軸上接收機調整頻率以補償都普勒頻移，時間軸上接收機要產生PRN碼與GPS PRN碼同步以達最大正相關，若GPS載波頻率鎖定的不好在剛提到的2D重建過程就會造成鎖碼不易，若電碼無法鎖定則載波追蹤也會受到平衡式調變器的影響造成追蹤載波不易，所以此兩者需互相協調方能得到快速定位，而速度快不易定位最大的原因是因為....當你在某些道路上，你的行進方向、轉彎建築物的遮蔽...都會讓GPS接收機再鎖定某些衛星造成影響，比如說當你收到1號衛星時，接收機要取得1號的Ephemeris(精確的星歷資料週期30秒，內含衛星參考時間、時鐘頻率飄移、時鐘飄移時鐘偏置、平均角、角速度差、昇交角、軌道傾角.....很多我記不起來了，以前自己寫程式算那些也沒辦法記得，都是一邊寫一邊參考一些論文文章)結果解調過程信號被瞬間因車子行進中被高高低低的遮蔽物遮蔽了，當然會無法正確使用該衛星的資料進而做導航演算，若您停下來時，接收機不受因移動而被遮蔽的風險，當然定位有就快一些，如果有超過3顆收訊良好且正常的衛星的話!

Q5GPS定位的誤差怎麼算？

A5.在導航軟體中衛星資料欄中有寫著誤差兩字後面又帶了一個數值
事實上那個數值叫做DOP值（精度稀釋或誤差放大因子），那個值的意義是什麼呢？讓我來告訴大家吧！以後大家就知道怎麼解讀了。
事實上關於誤差的分類，有太多種了，但是有些你們根本不會知道那是什麼，比如說瞭解定位演算法的人就會知道，有一種差是無法消除的那就是殘差，而有些誤差如電離層的誤差是最明顯的，那也是目前GPS定位最大的誤差來源，在SA（選效誤差）解除之後，所謂的SA...算了既然已經沒有了我們就不需要解釋，在我們那個年代，做GPS研究的人寫了很多誤差修正的論文為了要消除SA，但小柯解除SA干擾之後，所有的論文的價值變得....很不值錢，當然有一些很有用（在差分方面的應用）...抱歉扯遠了言歸正傳...

誤差＝量測誤差 X DOP

解釋
量測誤差＝就是量測GPS信號的誤差，也就是我在上面跟大家提到的位置線的誤差，什麼意思呢？比如說有一個燈塔距離你1公里，那麼以1公里為半徑，以燈塔為中心畫一各圓就是所謂的距離位置線，但....你怎麼知道1公理就是1公里呢？所已有可能是980公尺，也有可能是1020公尺，所以從980到1020中間的40公尺就是妳的量測誤差，方位距離線一樣意思，你在燈塔的正東方，也就是090度的地方，你怎知你一定在90度呢？你可能在088～092度其中一個度數，這就是量測誤差。
DOP＝中文翻做經度稀釋，有幾何精度稀釋（GDOP）、位置精度稀釋（PDOP）、垂直精度稀釋（VDOP）、水平精度稀釋（HDOP）與時間精度稀釋（TDOP），詳細說明有機會我再解釋...（太多字了那實在太折磨人了），DOP是什麼意思，我跟大家解釋一下，我假釋有一條船在正中央，在其正北方也就是000度的地方有一支A燈塔，在正東方也就是90度的地方有一支B燈塔，假設他們的量測誤差是4度，也就是+-2度，兩個方位位置線劃過來會在這一條船的位置重疊形成一個正方形的範圍，這就是誤差的總和，若我們將B電線桿移到東北方也就是045度的位置，一樣的量測誤差，一樣從船舶這邊劃過來，此時B燈塔與A燈塔所重疊形成的的範圍的面積一定比B燈塔在90度正東方時還要大，這就是因為所在的位置不同所形成的空間幾何的不同而造成的誤差。
誤差＝所謂誤差就是把量測誤差乘上精度稀釋值，就是我上面提到那個位置線重疊所形成的範圍，我們回到GPS的主題，當DOP為1時，表示完全沒有DOP誤差，因為任何數乘以1還是他自己，有沒有可能DOP為1呢？以GPS衛星而言，除非有3個衛星方位各差120度且高度為0度，而接收機的天頂高度為90度也有1顆衛星，這時DOP就為1了，但我從沒看過就是了，除了以前模擬的時候，但是...當GPS高度過低因信號於地表傳播會造成各種延遲、反射...影響之故，所以其量測誤差也會被放大，所已有些GPS IC會排除衛星高度低於5或...10度等以下的衛星，總之...若要讓量測誤差變小則DOP值會變大，若要讓DOP值變小則量測誤差會變大...

所以以後您看到導航軟體所顯示的誤差（事實上就是DOP值），也就是說假設你的GPS接收機在此時此地所定到的位置，事實上是包含有量測誤差的，而那個DOP值就是你誤差的倍數
比如說你的量測誤差是20公尺，而DOP值是1.5，那叫表示你的誤差是30公尺，而你正確的位置就是你這次定到的位置為中心，以半徑30公尺畫一個圓，而你真正的位置可能就在這個圓的任何一點。

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