全球定位系統

全球定位系統（英語：GlobalPositioningSystem，通常簡稱GPS）， 閣稱全球衛星定位系統，是美國國防部研製，美國太空軍運營佮維護的中地球軌域衛星導航系統。伊會當為地球表面大部份地區（百分之九十八）提供準確的定位、測速佮高精度的標準時間。全球定位系統會當滿足位佇全球地面任何一位抑是近地空間的軍事使用者連紲精確地確定三維位置、三維運動佮時間的需求。該系統包括太空中的三十一粒 GPS 人造衛星；地面上一个主控站、三个資料注入站佮五个監測站，佮作為使用者捀的 GPS 軍用接收機器、智慧型手機仔等等。上少干焦需要四个衛星，就會用真緊確定使用者捀佇咧地球頂懸所在的位置佮海拔懸度；所會當接收著的衛星訊號數愈濟，解碼出來的位置就愈精確。同時因為是利用時間差定位，故也會當精準校正時間鑿記。GPS 系統擁有如下多種的優點：使用低頻訊號，準講天氣無好猶是會當保持相當的訊號穿透性；懸到百分之九十八全球崁率；高精度三維定速定時仔；快速、省時、高效率；應用廣泛、多功能；抽取式定位。毋是雙星定位系統的，使用過程中接收機無需要發出任何訊號；此舉加了遮隱閘性，提懸著其軍事應用效能的。猶毋過 GPS 也容易予偽訊號抑是調頻器干擾，這毋但影響軍事行動的勝敗，閣會予一寡商業損失。

該系統由美國政府佇一九七空年代開始研製，一九七八年二月頭一改發射，並且一九九四年全面建成。使用者只需要有 GPS 接收晶片就會當算用服務。GPS 訊號分做民用的標準定位服務（SPS，Standard Positioning Service）佮軍用的精確定位服務（PPS，Precise Positioning Service）兩類。因為 GPS 無愛任何授權即可任意使用，原本是美國因為煩惱敵對國家抑是敵對組織會利用 GPS 對美國發動攻擊，故在民用訊號中人為加入選擇性誤差（即 SA 政策，Selective Availability）以降低精確度，使其實最終定位精確度大概是佇一百公尺左右；軍規的精度佇咧（二十～一英尺）以下。二空空空年以後，比爾 ・ 柯林頓政府決定取消干擾民用訊號。所以，這馬民用 GPS 嘛會當達成（二十～一英尺）左右的定位精度。

GPS 系統的發展歷程

前身

GPS 系統的前身為美軍研製的子午儀衛星定位系統，一九五八年研製，一九六四年正式的投入使用。該系統用五到六粒衛星組成的衛星網工作，逐工上濟踅過地球十三改，啊無法度出懸度資訊，佇定位精度方面嘛無盡如人意。毋過，子午儀系統予得研發部門對衛星定位取得初步的經驗，閣驗證矣由衛星系統進行定位的可行性，為 GPS 系統的研製拍下基礎。因為衛星定位顯示出佇導航方面的巨大優越性佮子午儀系統存在對藏水船佮艦船導航方面的巨大欠陷，美國海陸空三軍佮民用部門攏感覺迫切需要一種新的衛星導航系統。為此，美國海軍研究實驗室提出了名做 Tinmation，用十二到十八粒衛星組成，一孵 khí-looh 懸度的全球定位網計劃，並且一九六七年、一九六九年佮一九七四年各發射了一粒試驗衛星，佇遮的衛星上初步試驗了原子鐘計時系統，這是 GPS 系統精確定位的基礎。啊若美國空軍是提出六百二十一-B：以逐星群四到五粒衛星組成三至四星群的計畫，遮的衛星中除一粒採用仝步軌域外口的攏使用拜二十四 h 的趨趨的。該計劃是以偽隨機碼（PRN）為基礎傳播衛星測距訊號，其強大的功能，當訊號密度低於環境雜訊的一％的時陣也會當共檢測出來。偽隨機碼的成功運用是 GPS 系統會當取得成功的一个重要基礎。海軍的計畫主要用佇為艦船提供低動態的二維定位，空軍的計劃會當供提供高動態服務，毋過系統傷過複雜。因為同時研製兩个系統會造成誠大的費用，而且遮兩个計畫攏是為著提供全球定位而設計的，所以一九七三年美國國防部將二者合二為一，並且由國防部落轄的衛星導航定位聯合計畫局（JPO）領導，閣共辦事機構設立佇洛杉磯的空軍航天處。這个機構成員多數，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防製圖局、北約佮澳大利亞的代表處。

計畫

上代先的 GPS 計畫佇聯合計畫局的領導下誕生矣，該方案共二十四个衛星囥佇互成一百二十度的六个軌域頂頭。每一个鐵枝路頂頭有四个衛星，地球上任何一點會當觀測著六至九个衛星。按呢乎，粗碼的精度會當到一百 m，精碼精度為十 m。因為預算束絚，GPS 計畫了減少發射衛星，改做將十八个衛星分布咧互成六十度的六个軌域懸頂。毋過這一方案袂當確保衛星可靠性。一九八八年閣進行矣最後一改修改：佇互成三十度的六條軌域頂頭有二十一个運作衛星佮三个備份衛星。這嘛是這馬 GPS 衛星所使用的工作方式。

計畫實施

GPS 計劃的實施共分三个階段：

• 第一階段為方案論證佮初步設計階段。對一九七八年到一九七九年，因為加利福尼亞的范登堡空軍基地用雙子座火箭發射四粒試驗衛星，衛星執行軌域長半軸為二陽六千五百六十 km，敧角六十四度。軌域高度二交代 km。這一階段主要欲研究地面接收機佮建立地面佮蹤網，結果予人滿意。
• 第二階段為全面研製佮試驗階段。對一九七九年到一九八四年，閣陸續發射七粒叫做 BLOCK I 彼試驗衛星，研究究用途的接收機。實驗表明，GPS 定位精準遠遠超過設計標準，利用粗碼定位，其精度就會當到十四公尺。
• 第三階段為實用組網階段。

一九八九年二月十四第一粒 GPS 工作衛星發射成功，這一階段的衛星叫做 BLOCK II 和 BLOCK IIA。現階段宣告 GPS 系統進入工程建設的狀態。一九九三年底，這馬的 GPS 網，即「二十一 + 三」GPS 星座已經建成，今後共根據計畫換無效的衛星。

GPS 系統的組成

GPS 系統主要是由空間星座的部份、地面監視部份佮使用者裝置部份組成。

空間星座部份

GPS 衛星座原本設計由二十四粒衛星組成，其中二十一粒為工作衛星，三粒做備用衛星。二十四粒衛星齊勻分布佇六个軌域平面上，即每一个軌域面上有四粒衛星。衛星軌域面相對地球赤道面的鐵枝路域徛角為五十五 °，各鐵域平面的升交點的赤經差六十 °，一个鐵枝路平面上的衛星比西爿相鄰軌域平面上的相應衛星升交角距超前三十 °。這種布局目的是保證在全球任何地點、任何時刻至少會當觀測著四粒衛星。

GPS 衛星是由洛克菲爾國際公司空間部研製的，孤一粒衛星重七百七十四 kg，使用壽命做七年。衛星採用蜂岫結構，主體呈柱形，直徑為一刷五 m。衛星兩爿貯有兩塊雙葉著日定向太陽能電池帆枋（BLOCK I）， 全長五孵三三 m，接受日光面積做七孵二 $ m ^ { 二 } $。著日定向系統控制兩个影電池帆枋旋轉，做枋面的對準日頭，為衛星不斷提供電力，並予三組十五 Ah 鎳鎘電池充電，以保證衛星佇咧地球的陰影部份猶是會當正常的頭路。佇咧星體底部有十二个單元的多波束定向天線，會當發射張角大約是三十度的兩个 L 波段（十九 cm 佮二十四 cm 波）的訊號。佇星體的兩爿面頂有全向遙測遙控天線，用佇地面監視網的通信。另外衛星閣有姿態控制系統佮軌域控制系統，通好衛星保持佇適當的懸度佮角度，準確對準衛星的可見地面。

由 GPS 系統的工課原理可知影，衛星時鐘的精確度是愈懸，其定位精度嘛愈懸。早期試驗型衛星採用由霍普金斯大學研製的石英振盪器，相對頻率穩定度做 $ 十 ^ { 鋪十一 } $ / 秒。差不多十四 m。一九七四年以後，GPS 衛星採用半仙原子鐘，相對頻率穩定度達到 $ 十 ^ { 鋪十二 } $ / 秒，精差八 m。一九七七年，BLOCK II 型採用了馬斯頻率佮時間系統公司研製的被原子鐘了後，相對穩定頻率達到 $ 十 ^ { 鋪十三 } $ / 秒，誤差閣降為傳達 m。一九八一年，休斯公司研製的相對穩定頻率為 $ 十 ^ { 鋪十四 } $ / 秒的氫原子鐘使 BLOCK IIR 型衛星誤差降至干焦做一項 m。

二空一一年六月，美國空軍成功擴展 GPS 衛星座，調六粒衛星的位置，並加入多三粒衛星。這使工作衛星的數目增加至二十七粒，擴大矣 GPS 系統的崁範圍，並提懸了準確度。

地面監控部份

地面監控部份主要是一个主控站（Master Control Station，簡稱 MCS）、 四个地面天線站（Ground Antenna）佮六个監測站（Monitor Station）組成。

主控站佇美國科羅拉多州的謝內佛爾空軍基地，是整個地面監控系統的管理中心佮技術中心。另外閣有一个佇馬里蘭州起茲堡的備用主控站，咧發生緊急的情況時啟用。

地面天線站目前有四个，分別佇南太平洋馬紹爾群島的瓜加林環礁，大西洋頂懸的英國屬地阿森松島，英屬印度洋領地的迪戈牛雅亞島佮佇美國本土科羅拉多州的科羅拉多斯普林斯普。地面天線站的作用是共主控站計算得著的衛星歷、導航電文遮的資訊注入著相應的衛星。

地面天線站仝時陣也是監測站，另外閣有一个夏威夷佮卡納維爾角兩个監測站，故監測站目前有六个。監測站的主要咧做採集咧 GPS 衛星數據佮當地的環境數據，然後發送予主控站。

使用者裝置部份

使用者裝置主要為著 GPS 接收機，主要的作用是對 GPS 衛星收著訊號閣利用傳來的資訊計算使用者的三維位置佮時間。

定位是精差的所在佮分析

GPS 定位佇咧過程當中出現的各種精差根據來源通分做三類：佮衛星有關係的誤差、佮訊號傳播有關係的精差佮接收機有關係的精差。按呢這種精差著 GPS 定位的影響各不相同，而且精差的大細閣有衛星的位置、蹛佇定點的位、接收機裝置、觀測時間、大氣環境佮地理環境等等的因素有關係。針對無仝的精差有無仝的處理方法。

因為毋是使用仝步衛星，所以衛星會對地面進行高速徙動。所以必須愛使用相對論來做衛星時間的修正。

SA ( Selective Availability ) 顯示選擇碼是人為誤差的一个例，這條碼是由美國國防部控制，會當限制非軍事用途的精確度。彼每一个 GPS 衛星的 SA 偏差攏無相𫝛，定位的位置精差值是衛星 SA 偏差的綜合函式。美國政府佇二空空年五月初一解除此碼了後，此誤差已經自然消除。

差分技術

為著欲使民用的精確度提昇，科學界發展另外一種技術，講做差分全球定位系統（Differential GPS）， 簡稱DGPS。亦就利用附近的已經參考座標點（由其他的量方法來講）， 來修正啦乎 GPS 的精差。閣共這个即時（real time）精差值加入本身座標運算的考慮，便會當得閣較精確的值。

GPS 分做二 D 導航佮三 D 導航，佇衛星訊號無夠時無法度提供三 D 導航服務，而且海拔懸度精度明顯無夠，有時達到十倍誤差。經緯度方面經改進後誤差真細。衛星定位儀佇咧高樓林立的地區掠衛星訊號愛開較長時間。

GPS 的功能

• 精確定時間：講法應用佇天文台、通信系統基站、電視台中
• 工程施工：道路、橋梁、磅空的施工內底大量採用 GPS 裝置進行工程測量
• 勘探測繪：野外勘探及城區規劃內底攏有用著
• 導航：
• 武器導航：精確制導飛彈、巡弋飛彈
• 車輛導航：車輛排程、監視系統
• 船隻𤆬路：遠洋導航、港口 / 內河引水
• 飛行機導航：航線導航、進場對陸控制
• 星際導航：衛星軌域定位
• 個人導航：個人旅遊佮野外探險
• 定位：
• 車輛防賊系統
• 手機仔，PDA，PPC 等通批行動裝置防賊，電子地圖，定位系統
• 兒童佮特殊人群的防行失系統
• 精準農業：農機具導航、自動駕駛，土地懸精度平
• 提供時間數據：用於予電信基站、電視發射站等提供精確同步時鐘源

GPS 的七大特點

• 規工的，無好受任何天氣的影響
• 全球覆起率懸到百分之九十八
• 三維定點定速定時懸精度
• 測站無需要進行通訊
• 快速、省時、高效率
• 應用廣泛、多功能
• 抽取式定位

計時器溢位反轉問題

全球定位系統同齊會廣播一个時鐘資料，其中內底有一个表現一周的計數器，為十位二進位值，值域為零 ~ 一千空二十三，佇咧過一千空二十四周（大約十九學七年）後，值會溢位反轉做零，因為有足濟裝置（比如講：廣播公司、行動業者、抑是進行仝步支付操作的）利用這个資料做授時來源，若無應對這个現象特殊處理，裝置的時間會被退轉去二十 ~ 四零年的時間。第一改反轉時為 UTC 一九九九年八月二十一號到八月二十二號下晝暝；第二改反轉發生於著 UTC 二空一九年四月初六到四月初七暗時，美國國土安全部，國際民用航空組織佮其他機構對這件代誌出著警告。

其他定位系統

除了美國的 GPS 系統外，目前當咧執行全球衛星定位系統閣有俄羅斯的 GLONASS 系統佮中國的北斗衛星導航定位系統。

啊若歐盟佇咧一九九年初正式推出「伽利略」計畫，部署新一代定位衛星。該方案由二十七粒運行衛星佮三粒 ió-bih 衛星組成，會使崁全球，位置精度達幾米，亦可佮美國的 GPS 系統足容，總投資額為三十五億歐元。目前已經發射十一粒佇咧鐵枝衛星，佇二空一六年十二月十五提供早期服務。

全球衛星導航系統國際委員會為聯合國的一个非正式機構。其目的是促進佮民用衛星定位、導航、正時佮增值服務有關的問題佮各種全球衛星導航系統的相容性佮互通性問題的合作佮發展。

應用

軍事

• 洲際彈道飛彈

商業

• 物流管理
• 行動電話
• 這數位相機

地理

• 地理資訊系統
• 車載資訊系統
• 衛星地圖

運輸

• 航空

通批

• GPS 時鐘

外部連結

• AvisMap 公司提供 GPS 追蹤軟體佮開發包
• gpstk-OpenSource 計畫，藉由 GPS 衛星訊號，算出接收端點位置，時間的程式庫
• MapOpen 開放導航計劃
• GPS 佇各行業中的應用
• GPS 授時系統的誕生佮應用簡介-本文欲向你大概闡述幾个問題。『是按怎愛用 GPS 時鐘授的時』，『 GPS 時鐘授的時陣有啥物優勢』，『 其他衛星授時系統的紹介』……（簡體中文）
• GPS 座標計算原理

參見

• 格洛納斯系統 ( GLONASS )
• 攏卜勒衛星涮鐵佮無線電定位組合系統 ( DORIS / 蕊麗絲系統 )
• 北斗衛星導航系統 ( BDS )
• 伽利略定位系統 ( Galileo )
• 印度區域導航衛星系統 ( IRNSS )
• 准天頂衛星系統 ( QZSS )
• 輔助全球衛星定位系統 ( AGPS )
• 寶斗衛星導航試驗系統
• GPS 精差分析 ( Error analysis for the GPS )
• GPS 衛星列表
• GPS 訊號
• 藍牙
• 衛星導航系統