古老方位判釋

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北極星是天際導航(即透過觀察天體來辨別方向)的重要指標，可應用於野外活動和航海活動中。在未有指南針之前，古代的人常透過觀察北極星來導航。

5倍

早期的方位判釋

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• 指南針是用磁鐵做成的。早在中國春秋時期，人們已發現磁鐵有吸鐵的功能。

• 在古代，人們稱它為『航海的眼睛』。 • 中國發明的指南針，經阿拉伯人傳到歐洲，這

對歐洲航海事業的發展有很大貢獻。歐洲各國的航海家開闢新航路、發現美洲大陸、完成環球航行，指南針都是他們航海中不可缺少的「眼睛」。

GPS簡介

• 全球衛星定位系統（Global Positioning System, GPS ）簡稱GPS。

• 可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。

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GPS簡介

• GPS由美國政府於1970年代開始進行研製並於1994年全面建成。

• 整個GPS系統約分成下列三個部份：

– 太空衛星部份

– 地面管制部分

– 使用者接收機

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GPS簡介

• 由24顆GPS衛星所組成與地面上1個主控站、3個數據注入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。

• 衛星分成六個軌道，運行於約 20200公里的高空，繞行地球一周約12小時。

• 每個衛星均持續發射著載有衛星軌道資料及時間的無線電波，提供地球上的各種接收機來應用。

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GPS簡介

• 最少只需其中3顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。

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太空衛星部份

• 第一顆GPS衛星 Navstar 1 於1978年2月22日發射升空。

• 美國在1978年至1985年間從加利福尼亞州的范登堡空軍基地，總共發射了11顆 GPS衛星。

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Navigation-Star 試驗衛星

試驗衛星的任務是滿足方案論證和整個系統試驗、改進的需要。

太空衛星部份

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Block II 衛星 Block IIA 系列 Block IIR 系列 Block IIR-M 系列

目前有8顆在軌的 Block IIR-M 系列衛星，由洛克希德·馬丁公司研製。第一顆於2005年9月26日發射，最新一顆是在2009年8月17日發射。

Block IIF 系列 Block IIF 系列由波音公司研製開發，F 代表 follow-on（繼任者）。2007年9月9日，波音公司宣佈已經完成了第一顆 Block IIF 系列衛星的組裝。波音公司簽訂了研製生產全部12顆 Block IIF 系列衛星的合同，第一顆計劃在2010年由三角洲四號運載火箭發射升空。

隨著科技的進步，衛星的功能也越來越高，可以做到的精準度與服務也越來越多。

地面管制部分

• 為了追蹤及控制上述衛星運轉，所設置的地

面管制站，主要工作為負責修正與維護每個

衛星能保持正常運轉的各項參數資料，以確

保每個衛星都能提供正確的訊息給使用者接

收機來接收

使用者接收機

• 一般民間所能擁有及使用的接收機器，追蹤

所有的GPS衛星，並即時地計算出接收機所

在 位置的座標、移動速度及時間，GARMIN

GPS 即屬於此部份

GPS的準確度

• GPS於1970年代開始進行研製並於1994年全面建成。使用者只需擁有GPS接收機即可使用該服務，無需另外付費。

• GPS信號分為

–民用的標準定位服務（SPS，Standard Positioning Service）

–軍規的精確定位服務（PPS，Precise Positioning Service）

GPS的準確度

• 由於SPS無須任何授權即可任意使用，原本美國因為擔心敵對國家或組織會利用SPS對美國發動攻擊，故在民用訊號中人為地加入選擇性誤差（即SA政策，Selective Availability）以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右

• 軍規的精度在1米以下。2000年以後，柯林頓政府決定取消對民用訊號的干擾。因此，現在民用GPS也可以達到10米左右的定位精度。

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GPS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

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二度空間定位 • 二度空間定位 兩個參考點

同時得知兩個衛星坐標及訊號傳送時間(距離)，則可以衛星坐標為中心，以訊號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。

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衛星1的位置 衛星2的位置

二度空間定位

• 二度空間定位 三個參考點 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，第三個圓的圓周必然通過前兩個圓相交的兩個相交點中的一個。

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衛星1的位置 衛星2的位置

衛星3的位置

二度空間定位

• 二度空間定位的誤差 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，接受器的位置變成無法確定，只知可能在DEF三點圍成的範圍內

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三度空間定位

• 三度空間定位 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 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。

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三度空間定位

• 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。

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三度空間定位 • 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。

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三度空間定位 • 定位誤差修正 第四顆衛星的功能 接收端以三顆衛星的信號，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。

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第四顆衛星信號可糾正信號誤差，其中包含時間的誤差

GPS與生活應用

• GPS的生活應用千變萬化，以下針對目的地規劃與導航、旅遊記錄與協尋功能等三種應用做介紹

GPS的優點

• 天氣好壞都可進行測量

• 不限用戶數量，且免費使用

• 二十四小時服務，動態即時定位

• 距離可達數千公里

目前GPS的限制

• 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

其他國家的定位系統

• 俄羅斯格洛納斯系統(GLONASS)

(Global Navigation Satellite System )

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其他國家的定位系統 • 歐洲伽利略(Galileo)

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其他國家的定位系統 • 中國大陸北斗衛星導航(北極星，BDS)

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