朱雀聊露營 - GPS 衛星定位 (導航) 系統基本應用

前言...

朱雀 → 代表個人的經驗或想法，主觀性難免，且不一定正確或適用於每個人。
聊露營 → 露營觀念的廣泛分享，內容可能包羅萬象，想到啥就寫啥，沒個準。
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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。

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。

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...

• N25 05 06.0 E121 31 29.4
  (單位：度+分+秒)
• N25 05.100 E121 31.490
  (單位：度+分)
• 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。

109/05/23 註記：
後期車用導航設備捨棄 GARMIN，改用「Samsung NOTE3 手機 + 導航王 APP 軟體 + peripower MT-D05 沙包座」的組合，並於導航機前方加裝物理性指南球，若是位在 GPS 訊號不佳區域時方便判讀行車方向。

End