本文網址:

GPS 衛星定位 (導航) 系統基本應用分享

朱雀 2015-09-10

GPS 衛星定位 (導航) 系統基本應用分享

原本是想將這段 GPS 的應用說明合併在前幾天分享的 GARMIN nuvi 1480 GPS 車用衛星導航機文章裏頭,但是怕因此造成該篇文章太過冗長,想想,還是獨立成另一篇文發表好了。

近幾年來拜科技進步所賜,GPS 衛星導航機的功能性及精密度也不斷提升,操作介面越見親和,人人皆可輕易上手操作,儼然已成為假日開車出門遊山玩水時的得力幫手,甚至有逐漸取代紙本地圖的趨勢。不過在這項完美包裝產品的背後,實際上是牽涉到相當複雜的運算技術。本文將會簡單分享一些有關 GPS 的運作概念及基本認識 (非硬體部分),有助於日後遇到問題時的排除及進一步的變通運用。

這台就是 GARMIN nuvi 1480 GPS 車用衛星導航機,本文中的 GPS 運作畫面截圖便是來自此機。
GPS 衛星定位 (導航) 系統基本應用分享

首先來了解一下 GPS 的運作原理以及幾個常被提及的專有名詞...

GPS 是 Global Positioning System 的縮寫,意指「全球定位系統」,由美國負責建造維護,運作範圍可涵蓋全球;由於人造衛星算是該系統的重要組成角色,因此又被稱為「全球衛星定位系統」。其實世界上除了 GPS 外,目前還有俄羅斯的格洛納斯 (GLONASS)、歐洲的伽利略定位系统 (Galileo Positioning System) 以及中國大陸的北斗導航系統都在服務中,只是一直以來大家都是用老美的全球定位系統,GPS 也幾乎成了衛星定位的代名詞。

整套 GPS 系統可簡單區分成三大部分:第一是繞行地球的人造衛星;第二是位於地面的測試監控站;最後是使用者的衛星訊號接收機,也就是大家在使用的 GPS 導航機。而導航機的定位原理,即是接收繞行地球的多顆人造衛星所發送的訊號,經過組合計算,以求出接收器 (導航機) 的位置。該位置又稱為座標點,以數值標示,然後套入到導航機裏頭預存的地圖資料,兩者搭配顯示於螢幕中,便可直覺地看出目前的所在位置。

基本上來說,只要有接收到三顆衛星的訊號,即可完成平面 (2D) 的定位;若是收到四顆衛星 (含) 以上的訊號,則還能算出當時位置的高度值,即完成立體 (3D) 的定位。導航機能接受到的衛星訊號越多,定位會越準確,誤差值也越小... 這裏說的誤差值,指的是實際上的所在位置,和導航機地圖上顯示的位置 (定位點) 彼此間的距離。一般來說在正常的收訊定位下,誤差值應在 10m 以內。

由於計算座標點的依據是來自於天空中運行的衛星發送的訊號,這代表著導航機能否能順利完成定位,和機器上方及四周是否遭到遮蔽、是否能收到衛星訊號有很大的關聯性!! 因為衛星距離遙遠,傳送到地面的訊號已屬微弱,故很容易受到環境的影響,也無法像行動電話、收音機般可在室內使用。最常見到的收訊問題,就是車子的前擋玻璃隔熱紙含有金屬成份,阻隔了衛星訊號,造成導航機裝在儀錶板上卻無法使用;這時只有在車身上加裝接收天線,然後將衛星訊號引入車內才能解決。另外在隧道裏或是高架橋下,導航機暫時失去作用 (接收不到衛星訊號) 也是常有的情形。

這是 GARMIN nuvi 1480 GPS 顯示接收到的衛星訊號畫面,可清楚看出當時的位置座標、移動速度、所在高度、接收到的衛星顆數及個別訊號強度。此定位點是在一處寬大的路口,四週並無啥麼遮蔽物,當時的天氣也不錯,因此能抓取到 9 顆衛星,訊號強度足夠,讓定位點的誤差值降至 3m 左右。
GPS 衛星定位 (導航) 系統基本應用分享

使用 GPS 時還會遇到兩個較重要的名詞需了解:一個是「大地座標系統」,另一個是「方格座標資訊」。以 GARMIN 來說,這兩個項目可在電腦中的 MapSource 地圖程式裏自行選擇設定,記得以前在 Quest 導航機中也可以調整,但是在 nuvi 1480 中就沒了這個選項。因牽涉到的理論頗深,這裏就先不探討,僅針對調整設定後可能帶來的影響進行說明...

 

大地座標系統 (Datum)

由於地球是個呈橢圓狀的球體,要將上頭的各個區塊改標示在平面的地圖上,勢必要進行適度的切割及對應,這個轉換過程稱之為「投影」... 用個較容易了解的譬喻:把地球當成一顆西瓜,整顆縱橫切成許多塊,瓜肉移除,然後將所有的西瓜皮依序排列,呈現出來的平面就是我們常見到的世界地圖了~ ^^ 實際上的區塊範圍、位置和平面地圖相比,一定會有變形誤差,尤其在南極、北極更為明顯,但還在可接受的誤差值內。而這裏所稱的「大地座標系統」,簡而言之就是依據地球橢圓體的大小,劃分及對應出來的平面地圖。

那麼為何大地座標系統會有多種版本?原因是出在地球橢圓體的大小會隨著時間而變動 (這就牽涉到天文學了~ @@),因此十年前與十年後的橢圓球體積並不相同,自然依此對應出來的大地座標系統也會有差異性。

所以要注意的是:兩部導航機設定的大地座標系統是否相同,一定會影響到定位出來的方格座標值彼此是否能共通!!

也就是說,若是甲機和乙機所設定的大地座標系統不同時,雖然是在同一個地點進行衛星定位,但是甲機和乙機所顯示出的座標值一定會有所差異!! 因此當要詢問或是告知別人某地點的 GPS 座標值時,一定要先知道該座標值是依據哪個大地座標系統來定位的。

不過可放心的是,雖然大地座標系統有很多種,但後期多以 WGS84 為共通標準:這是在 1984 年國際間制定的,適用於全世界。因此幾乎市面上的衛星導航機都是以 WGS84 做為大地座標系統的預設值,包括鳥窩中的營地 GPS 座標值亦是如此,所以比較不會出現雞同鴨講的問題。

而在國內比較可能會見到的大地座標系統,還有 TWD67 及 TWD97 兩項...

TWD67 算是早期的大地座標系統,僅適用於台灣地區。同一個地點,用 TWD67 與 WGS84 定位出來的座標值一定不同,彼此差距近約 1km 左右。

TWD97 則是在 1997 年針對台灣地區重新設立的大地座標,所依據的地球橢圓體大小與 WGS84 幾乎相同。也就是說 TWD97 和 WGS84 所定位出來的座標值差距極小,彼此是可互通的。

 

方格座標資訊 (Grid)

何謂方格座標?簡單的說就是在平面地圖上劃分了許多小格子,每個格子 (地點) 都有自己的數值標示,那組數字就是「方格座標」,也簡稱座標值,一般有「二度分帶」及「經緯度」兩種數值格式,而以經緯度較為常見。其實經緯度 (Longitude/Latitude) 本身還有多種的顯示格式,除了在台灣地區一定會用到的 N (北緯) 及 E (東經) 外,還有度、分、秒等三種單位。以下用台北士林夜市的方格座標值為例說明...

 1. N25 05 06.0 E121 31 29.4 (單位:度+分+秒)
 2. N25 05.100 E121 31.490 (單位:度+分)
 3. N25.08501 E121.52484 (單位:度)

上面三個經緯度的座標數值乍看之下似乎不同,其實只是顯示單位的差異,彼此間可以六十進位換算,三組數字都是指向士林夜市這個地點。個人是較偏愛第一種的標示型態 (度+分+秒),也是 GARMIN nuvi 1480 的預設格式。此外,上述是簡式的寫法,較清楚的寫法應是:N25° 05' 06.0" E121° 31' 29.4",正確的唸法為:北緯25度5分6秒,東經121度31分29.4秒。

以下是座標值彼此間的換算範例參考:

 原先顯示數值:N25.08501 E121.52484 (單位:度)

 0.08501 x 60 = 5.1006 ≒ 5.100
 0.52484 x 60 = 31.4904 ≒ 31.490

 換算求得數值:N25 05.100 E121 31.490 (單位:度+分)

依此類推,還可再換算成 (單位:度+分+秒) 的顯示格式。若是要使用 Google 地圖來搜尋座標點位置,這三種顯示格式皆可被接受,一樣會找到士林夜市。

至於二度分帶 (2-Degree Transverse Mercator) 格式,僅適用於台灣地區,它是以 X 軸 (橫座標) 及 Y 軸 (縱座標) 的概念來顯示數值標定地點,X 軸的原點在東經 121 度向西平移 250km,Y 軸的原點在赤道。X 軸數值為六位數,Y 軸數值為七位數,顯示單位是公里 + 公尺,採用十進位。在這邊一樣以士林夜市的座標值為例,它的數值會顯示成:

X302941 Y2775295

其中數字有加亮部分代表公里,後面三個位數代表公尺,而整組數值代表的意義,就是 X 軸與 Y 軸分別從原點起算的距離。

 

最後來做個整理...

個人平日使用 GPS 時的習慣,會將「大地座標」設成 WGS84,「方格座標」以經緯度的 (度+分+秒) 單位來顯示。方格座標並沒有硬性規定要用哪種格式,因為彼此都能換算互通;但是大地座標的設定一定要注意,除非有特殊需求,不然建議還是以目前較為通用的 WGS84 (或 TWD97) 為準!!

基本上就這樣了,太過艱深的理論偶也不懂~ :Q 只能依自己對 GPS 的瞭解及使用經驗來和大家分享。如果文章內有任何錯誤之處,也請大家不吝指正!!
GPS 衛星定位 (導航) 系統基本應用分享

End

GPS 衛星定位 (導航) 系統基本應用分享
目前有 2 則留言

討論留言

  • 暱稱與信箱需填寫,信箱不會公開,如有回覆會以 mail 通知。
  • 若要針對某個留言接續討論,請先點選該留言裏的「回覆」。
  • 留言中可插入外連圖片,語法參考:[img]圖片網址[/img]
  • 如要顯示個人專屬大頭貼,請到「Gravatar」網站免費申請。