GPS 淺介

近年來,GPS 可說是發展相當迅速的一個產業,除了以往的車用導航專用設備外,PDA 也加入了 GPS 功能(雖然 PDA 功能也被併入手機內了),而手機內建 GPS 功能已經不是什麼新鮮事,連相機也要內建 GPS 定位功能。

本文將介紹 GPS 的原理以及生活上的應用。

定位原理-三邊測量

trilateration

三邊測量 (來源:Wikipedia)

以最簡單的說法來說,GPS 定位就是利用三邊測量原理算出使用者在地球上的座標。我們複習一下三邊測量 (trilateration):假設你現在在台北市某不知名的地方,而有人告訴你:你現在離台北車站 (P1) 3 公里,離市政府站 (P2) 4 公里,離公館站 (P3) 3 公里,只要知道這些地方的座標以及這些地方離你的距離,就能推算出你所在的位置 B。而在海上時,某些時候即使只知道兩點,也能推測出自己的位置(譬如說兩個可能的位置其中一個是在陸地上)。

以上是 2D 平面上的三邊測量,而 GPS 則是運用 3D 的三邊測量,這裡有簡易的動畫可以幫助了解。那麼,使用者的裝置又要怎麼利用這個原理得知現在所在的位置呢?

GPS 系統的構成

我們先來介紹 GPS 整個系統的模樣。首先,像 GPS 這樣的定位系統泛稱為 GNSS (Global Navigation Satellite Systems)-全球衛星導航系統。目前實際使用中的最廣為人知的就是美國的 GPS (Global Positioning System),另外還有俄羅斯的 GLONASS,正在發展中的歐洲 Galileo 及中國的北斗衛星導航定位系統。以下主要介紹美國的 GPS,但架構大致上都是相同的。

完整的 GPS 系統總共有三個部分:太空中的衛星 (Space Segment)、地面管制站 (Control Segment),以及使用者接受端 (User Segment)。

衛星

目前使用中的 GPS 衛星共有 31 顆(2009/1;列表可見 GPS Constellation Active Nanu Status),分布在六個軌道面,每個軌道面至少有四顆衛星,在任何位置與時間使用者都可至少接到 4 顆衛星訊號以進行定位。衛星距離地表 20,183 公里,每 11 小時 58 分鐘公轉一週。

地面管制站

負責追蹤監測及維持 GPS 衛星的運行,以及分析整理 GPS 訊號並實行需要的修正回傳至 GPS 衛星。

使用者接收端

使用者手上的 GPS 裝置,可計算所在位置。

GPS 定位方式

前面提到 GPS 定位原理是利用三邊測量,那麼我們又要拿什麼來當計算的參考點呢?就是天上的 GPS 衛星。衛星會不斷向地面廣播資訊,這些資訊包括:我是幾號衛星,我的位置,時間訊息等許多資訊。有了當使用者手上的 GPS 裝置接收到這些訊號,就得知了他所收到的衛星訊號來自哪一顆衛星,以及他在天上的位置,只要有足夠的資訊(夠多的衛星),就能計算出自己的位置。

不過還有一個問題-我跟衛星有多遠?由於衛星訊號是用廣播的,因此使用者的距離跟衛星的距離也是不固定的,因此為了三邊測量,我們還得有我們與衛星之間的距離才有辦法計算出來自己的位置。

每個衛星所發射的訊號裡面,也有包括時間訊號,衛星上有搭載精確的原子鐘,因此能傳送精準的時間,由於使用者與每個衛星之間的距離都不同,因此能夠推算出時間,以及根據時間差去計算出與每個衛星之間的距離(因為已知光速,乘上傳輸時間就能得到距離)。數學計算在此略過不提。

也因為有時間資訊的關係,GPS 接收器上面通常不需要自己設定時間,因為當你定位完成時,就擁有正確的時間了。

整理一下,整個流程就是:接收各個衛星的訊號,利用時間資訊計算出與衛星的距離,再利用三邊測量就能得知自己所在位置。一般來說,需要四顆以上的衛星,會得到較為精確的定位資訊。

GPS 定位的應用

車用導航

nuvi 765

Garmin nüvi 765 (CC license from [email protected])

能夠定位之後,就能有許多相關應用了,最普遍的應用就是汽車導航。GPS 汽車導航系統目前成長最快的就是個人導航裝置-PND (Personal Navigation Device,也有人說 P 是 Portable),也有越來越多車子出廠時就搭配車內的導航系統。目前全球 PND 市佔率最大的兩家廠商是美國的 Garmin 以及歐洲的 TomTom。日本是目前 GPS 汽車導航使用率最高的國家,以往多是車內裝設的為主,現在 PND 領域也逐漸成長,Sanyo、Sony 等廠商也有 PND 產品。上圖是 Garmin 最新的 PND。

所謂汽車導航就是:給定一個目的地,導航系統會根據各種條件及限制算出一條路徑,並且搭配語音或畫面指示駕駛在適當時機轉彎,譬如在上圖中,畫面就是在指示稍後要在路口左轉。

若要有導航指示,那麼單單定出你在地球上的經緯度是沒有用的,還要有地圖才行,也就是所謂的「圖資」。在 GPS 裝置中,有的可以搭配電子地圖,儲存著道路的各種資料(譬如道路的名稱、速限、等級、車道等)。除了道路以外,還有 POI (Point of Interest),也就是供使用者查詢的點位資料,如餐廳、醫院等各種資訊,可以讓使用者直接查詢想去的地方。

由於現實生活中,道路及景點不斷地在改變,因此地圖的更新頻度也是使用車用導航的一個重要因素。

PND 還能進一步搭配交通資訊 (TMC, Traffic Message Channel) 讓使用者能得知現在的路況,導航系統也會據此改變路線規劃。日本的 VICS (Vehicle Information and Communication System) 則提供更為豐富的資訊,包括停車場、簡圖等資訊。

行人導航

而在手機紛紛內建 GPS 之後,行人導航也逐漸成了下一代 GPS 發展的方向之一。由於車子跟行人的特性相差甚多,因此所需要的圖資大不相同,連規劃的方式都有所改變(譬如說,公園就是行人可穿越的)。而大眾運輸的查詢也相當重要,從甲地到乙地,行人導航能夠告訴你如何走到某個車站,搭什麼車,怎麼轉乘,下車後如何走到目的地。Nokia 現在正在積極投入這塊領域。

戶外、運動

登山等戶外運動也有專門的 GPS,主要訴求在於防水,並且加上羅盤、高度計等功能。另外也有搭配跑步、腳踏車用的,甚至能連接心律記錄器,回家後還能檢討在各路段的表現。

記錄

每隔一段時間(譬如一秒鐘)記錄一次 GPS 定位的位置,連起來就成了軌跡 (GPS track log)。最陽春的 GPS logger 裡面完全沒有地圖,只能在回來以後連到電腦上,將軌跡讀出來以後,在地圖上呈現(譬如顯示在 Google Earth 中),也能將自己走過的路以及高度變化剖面圖分享給其他人。更進一步則可以將所拍攝的照片依據軌跡時間加上地點資訊,稱為 geotagging。

其他

  • 軍事:美國之所以發展 GPS 系統,最開始的目的就是軍事用途,利用 GPS 達到精準定位及導航(例如導彈)。
  • 航空、航海:可用來作導航,譬如避開暗礁,導引更為省燃油的路線等。
  • 測量:有了 GPS 以後,以往的大地測量方式因此改變,透過 GPS 定位方式,所得到的測量數據更為精確。
  • 車隊管理:監控車輛位置,派車管理等。
  • 安全追蹤:追蹤兒童或老人的位置。

對 GPS 的誤解

GPS 導航會將資料送回衛星
不是的,GPS 裝置只有接收衛星訊號並算出自己所在位置的能力,不可能將訊號送回衛星。之所以會有此誤解,是來自於像是車隊管理(可監視車輛位置)、安全追蹤等應用會將位置回報,但其實回報並非透過衛星傳輸,而是搭配手機通訊將資訊傳到某個中心。

用 GPS 要另外付費
只要你有 GPS 裝置,那麼接收衛星訊號並計算出現在所在位置是不用再另外付什麼月租費之類的。但是如果你用的是網路型的 GPS 導航(也就是說,地圖不是存在機器裡,而是即時透過手機網路連線下載或是其變形),則要另外付費,但這個費用跟定位本身沒有關係。另外,電子地圖更新如果收費也與 GPS 定位本身無關。

導航是可以完全相信的

don't trust sat nav

Do Not Follow Sat Nav (CC license from Unhindered by [email protected])

很多人常常會以為買了車用導航的 GPS 以後,就完全相信他的指示,這是不對的。第一,地圖資料可能是舊的,就算是新的,也無法保證沒有錯(譬如不能左轉的地方,卻沒有建立這筆資料而叫你左轉),因此實際上駕駛還是得依照實際情形應變才行。請看看這張圖,由於 GPS 的地圖資訊錯誤,常有車子進入後卡在那裡,因此當地只好立塊牌子 “Do Not Follow SAT NAV”。另一張圖。奉勸各位開車時還是要看著外面的路況與指示牌,不要一直看著導航機啊!

如果有什麼疑問,歡迎留言討論!

don't trust sat nav

下車時記得把衛星導航收好 (CC license from [email protected])

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  • sogo

    试问,当使用GPS时,是否一定要在室外或空旷的地方?若在室内,有关装置是否就不能接收到卫星讯息了?谢谢回答。

  • sogo

    试问,当使用GPS时,是否一定要在室外或空旷的地方?若在室内,有关装置是否就不能接收到卫星讯息了?谢谢回答。

  • 路過的香港人

    訊號收不到就不成喇,不過可以用agps, assisted gps來加強啦。

  • 路過的香港人

    訊號收不到就不成喇,不過可以用agps, assisted gps來加強啦。

  • 在室內應該沒法或是訊號微弱, 無法抓取正確的位置, 因為建築物遮蔽的關係

  • 在室內應該沒法或是訊號微弱, 無法抓取正確的位置, 因為建築物遮蔽的關係

  • Pingback: GPS can be fully trust?? | Worker 2.0()

  • 我有個問題
    就是有關”時間差”的問題
    時間差必須要有 開始時間 以及訊號接收到的時間
    開始時間是由衛星給定
    訊號接收到的時間 GPS機器本身又沒有時間裝置
    是由哪邊來給定呢…?

    如果不是由衛星送出結束時間
    是否也要先同步不同機器之間的時鐘? (timer synchronization)?
    謝謝啦!

  • 我有個問題
    就是有關”時間差”的問題
    時間差必須要有 開始時間 以及訊號接收到的時間
    開始時間是由衛星給定
    訊號接收到的時間 GPS機器本身又沒有時間裝置
    是由哪邊來給定呢…?

    如果不是由衛星送出結束時間
    是否也要先同步不同機器之間的時鐘? (timer synchronization)?
    謝謝啦!

  • laneser

    To : Mr. Thursday
    據我所知, 每個衛星的時間需要同步, 所以美國 GPS 有基金會在維護確保各個衛星的時間同步,
    至於GPS 接收,應該可以考慮衛星的相對時間, 就知道位置, 再反推當地時間即可.

  • laneser

    To : Mr. Thursday
    據我所知, 每個衛星的時間需要同步, 所以美國 GPS 有基金會在維護確保各個衛星的時間同步,
    至於GPS 接收,應該可以考慮衛星的相對時間, 就知道位置, 再反推當地時間即可.

  • Mr. Retro Day

    To: Mr. Thursday

    接收器內有時鐘, 不過精確度當然比衛星上的原子鐘差得多. 但是靠多顆衛星的訊號, 可以估計出誤差

    可參考 http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System#Position_calculation_advanced

  • 了解了! 謝謝Mr. Retro Day!

  • 了解了! 謝謝Mr. Retro Day!

  • Scott

    Dear Mr. Retro Day:
    我是公司的教育訓練負責人,日前在網路上接觸到這個網站,覺得網站的文章都非常不錯,所以也訂了電子報,近期想要把這些好文章分享給同事,不知可否轉寄您這篇GPS 文章?謝謝!
    mail:[email protected]

  • Scott

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  • Mr. Retro Day

    Hi Scott,
    歡迎使用。請註明出處及作者即可 (CC license),謝謝!