GPS 導航訊號

GPS 導航訊號，空間架構的無線電導航系統，由美國空軍研發。原是開發做為軍事定位系統之用，卻也對民間產生重要影響。

基本介紹

• 中文名：GPS 導航訊號
• 屬於：空間架構的無線電導航系統
• 研發：美國空軍
• 最大誤差：不超過 5 公尺
• 研發機構：美國空軍

GPS 導航訊號

全球定位系統(GPS) 為空間架構的無線電導航系統，本由美國空軍所研發。雖然 GPS 原是開發做為軍事定位系統之用，卻也對民間產生重要影響。事實上，您目前就可能在車輛、船舶，甚至行動電話中使用 GPS 接收器。GPS 導航系統包含由 24 組衛星，均以 L1 與 L2 頻帶 (Band) 進行多重訊號的傳輸。透過 1.57542 GHz 的 L1 頻帶，各組衛星均產生 1.023 Mchips BPSK (二進制相位鍵移) 的展頻訊號。展頻序列則使用稱為 C/A (coarse acquisition) 碼的虛擬隨機數 (PN) 序列。雖然展頻序列為 1.023 Mchips，但實際的訊號數據傳輸率為 50 Hz [1]。在系統的原始部署作業中，一般 GPS 接收器可達 20 ~ 30 公尺以上的精確度誤差。此種誤差肇因於美國軍方依安全理由所附加的隨機頻率誤差所致。然而，此稱為選擇性可靠度 (Selective availability) 誤差訊號源，已於 2000 年 5 月 2 日取消。在今天，接收器的最大誤差不超過 5 公尺，而一般誤差已降至 1 ~ 2 公尺。

測量訊號

針對 C/A 碼來說導航訊號是由數據的 25 個框架(Frame) 所構成，而每個框架則包含 1500 個位 [2]。此外，每組框架均可分為 5 組 300 個位的子框架。當接收器擷取 C/A 碼時，將耗費 6 秒鐘擷取 1 個子框架，亦即 1 個框架必須耗費 30 秒鐘。請注意，其實某些較為深入的量測作業，才有可能真正花費 30 秒鐘以擷取完整框架；我們將於稍後討論之。事實上，30 秒鐘僅為擷取完整框架的平均最短時間；系統的首次定位時間 (TTFF) 往往超過 30 秒鐘。

為了進行定位作業，大多數的接收器均必須更新衛星星曆 (Almanac) 與星曆表 (Ephemeris) 的信息。該筆信息均包含於人造衛星所傳輸的訊號數據中，，而每個子框架亦包含專屬的信息集。一般來說，我們可透過子框架的類別，進而辨識出其中所包含的信息 [2][7]：

Sub-frame 1：包含時序修正 (Clock correction)、精確度，與人造衛星的運作情形

Sub-frame 2-3：包含精確的軌道參數，可計算衛星的確實位置

Sub-frames 4-5：包含粗略的衛星軌道數據、時序修正，與運作信息。

而接收器必須透過衛星星曆與星曆表的信息，才能夠進行定位作業。一旦得到各組衛星的確實距離，則高階 GPS 接收器將透過簡單的三角表達式 (Triangulation algorithm) 回傳位置信息。事實上，若能整合虛擬距離 (Pseudorange) 與衛星位置的信息，將可讓接收器精確識別其位置。

不論是使用 C/A 碼或 P 碼，接收器均可追蹤最多 4 組人造衛星，進行 3D 定位。追蹤人造衛星的過程極為複雜，不過簡單來說，即是接收器將透過每組衛星的距離，估算出自己的位置。由於訊號是以光速 (c)，或為 299,792,458 m/s 行進，因此接收器可透過下列等式計算出與人造衛星之間的距離，即稱為「虛擬距離 (Pseudorange)」：

等式 1.「虛擬距離 (Psedorange)」為時間間隔 (Time interval) 的函式 [1][4]

接收器必須將衛星所傳送的訊號數據進行解碼，才能夠獲得定位信息。每個衛星均針對其位置進行廣播 (Broadcasting)，接收器跟著透過每組衛星之間的虛擬距離差異，以決定自己的確實位置 [8]。接收器所使用的三角量測法 (Triangulation)，可由 3 組衛星進行 2D 定位；4 組衛星則可進行 3D 定位。

建立仿真的 GPS 訊號

由於 GPS 接收器是透過天線傳輸數據，並取得衛星星曆與星曆信息；當然，仿真的 GPS 訊號亦需要該項信息。衛星星曆與星曆信息，均透過文本檔案表示，可提供衛星位置、衛星高度、機器狀態，與繞行軌道的相關信息。此外，在建立波形的過程中M，亦必須選擇客制參數，如星期時間 (TOW)、位置 (經度、緯度、高度)，與仿真的接收器速率。以此信息為基礎，工具組將自動選擇最多 12 組人造衛星、計算所有的都卜勒位移 (Doppler shift) 與虛擬距離 (Pseudorange) 信息，並接著產生所需的基頻波形