一、全球衛星定位系統(GPS)發展背景介紹
1957年由蘇聯發射的史波尼克(Sputnik)人造衛星，它是人類歷史上的第一顆人造衛星，至第二次大戰時，美國麻省理工學院無線電實驗室成功的開發了精密導航系統，以利用陸地上的無線電基地台為架構，計算無線電波長及電波到達的時間並以三角定位法計算出自己所在的位置，以當時的技術來說，雖然誤差到達 一公里 以上，但在當時的運用卻是相當廣泛。
當蘇聯成功的發射第一顆人造衛星時，美國約翰霍普金斯大學 (John Hopkims Univer--sity) 展示了可以由人造衛星的無線電訊號的杜卜勒移動現象來定出個別的衛星運行軌道參數，雖然這只是邏輯上的一點小進展，但假如我們能夠得到衛星運行軌道參數，那麼我們就能計算出在地球上的位置。
1960 ~ 1970 年之間，美國和蘇聯開始研究利用軍事衛星來做導航用途，到了 1974年，軍方對GPS做了整合，即是我們現在所熟知的 Navstar 系統。1980年代後期開始，所有Navstar 系統的商業運用均歸美國海岸防衛隊負責，現在GPS 已和地面基地台為架構的LORAN和 OMEGA 無線電導航系統結合，成為美國國家導航資訊服務的一環。那到底什麼是GPS呢？
全球衛星定位系統(Global Position System 簡稱GPS)原是美國國防部為了軍事定時、定位與導航的目的所發展，希望以衛星導航為基礎的技術可構成主要的無線電導航系統，未來並能滿足下一個世紀的應用。第一顆GPS衛星在1978年發射，首十顆衛星稱為BLOCK I試驗型衛星，從1989年到1993年所發射的衛星稱為BLOCK II/IIA量產型衛星，第二十四顆BLOCK II/IIA衛星在1994年發射後，GPS已達到初步操作能力（Initial Operational Capability，IOC），24顆GPS衛星提供全世界24小時全天候的定位與導航資訊。
美國空軍太空司令部於1995年4月27號宣布GPS已達到完整操作能力（Full Operational Capability），將BLOCK I衛星加以汰換而24顆衛星全部為BLOCK II/IIA衛星，之後又發射四顆BLOCK IIA及一顆BLOCK IIR衛星，成功地滿足軍事實務的操作。由於此技術的迅速發展，使得民間應用的需求與日遽增，對於傳統導航方式更有革命性的影響。
二、什麼是全球衛星定位系統？
由上面的概述相信您對GPS已有了粗略的認識，以下我們將更深入的為您介紹什麼是全球衛星定位系統？
全球衛星定位系統實際上是由24顆衛星所組成，其中有3顆為備用衛星，這些衛星分佈於距地表20,200公里的上空，而且分屬於6個軌道面；衛星軌道面傾斜角為55度﹐提供全球全天候﹐每秒一次﹐持續不斷的定位訊號。這些衛星每11小時58分環繞地球一次，即每天繞過您的頭頂二次，就像是月球一樣不停地繞著地球旋轉，其速度約每秒1.8哩。這些衛星需要地面管制站隨時加以監控是否GPS衛星在其正確的軌道上及正常運作，另外監控中心可上傳資料給衛星，衛星再將這些資訊下傳給GPS使用者使用。地面共有五個監控中心，四個上傳資料站及一個控制中心，這些控制站以緯度來劃分其所控制的衛星。
在概念上﹐GPS是代表著整個系統﹐包括天空上的衛星、地面控制站及GPS接收機。不過一般而言﹐GPS即意指一個GPS接收機﹐這是因為我們在使用上多半只會接觸GPS接收機的緣故。一般所使用之GPS接收機在任何時刻接收到4顆或更多的衛星，而GPS只需同時接收到三顆以上足夠強度的訊號即可定位。
GPS系統的組成
GPS系統包含三大主要部分：（1）太空部分（2）地面部分（3）使用者部分。
(1) 太空部分：包括27顆衛星，其裝備有相當高精確度的銫或銣原子鐘，其精確度可到達3ns（3x10-9秒），精確的測時是相當重要的，因為接收機必須知道信號從衛星上發射到接收機接收所花的時間，藉此精確的時間方可得到從衛星到接收機精確的距離。當可收到四顆衛星時，可做三維空間的定位。
(2) 地面部分：包括一個主控制站，三個地面天線及五個監視站。五個監視站均勻分佈在全球各地，主控制站位於Colorado Springs。五個監視站中之三個同時亦為地面天線所在。每個監視站均有一個GPS雙頻接收機、標準原子鐘、感測器及資料處理機，且其座標均經過美國國防部製圖局精密測量而得。每個監視站，每天24小時不停地連續追蹤觀測每一顆衛星，並將每1.5秒之虛擬距離觀測量及觀測所得之氣象資料及電離層資料聯合求解得每15分鐘一組之勻化數據，然後將數據再傳送到主控制站，主控制站即統合各監視站之資料並據以計算衛星星曆、衛星時表改正量及電離層改正係數等，並且將所得結果匯集成導航信息先傳遞到地面天線處，再由地面天線傳回到各衛星上，用以更新衛星內之資料。地面天線利用S頻道之無線電波傳送資料到衛星。正常情形下每隔8小時就會傳一次資料回到衛星上。
(3) 使用者部分：可以是一個手持型或是安裝於載具上的GPS接收機，其裝備之接收機時鐘不如衛星時鐘精確，這是考慮到成本問題，所以在之後所提到的偽距公式中會多出一項接收機時錶誤差。
三、GPS的定位原理-衛星基本三角定位
GPS如何運作呢？簡單的說，每一顆衛星會告訴您使用的接收機三件事，我是第幾號衛星，我現位置在那裏，我什麼時候送這訊息給您。當您的GPS接收機接收到這些資料後會將星曆資料及Almanac存起來使用，這些資料也用做修正GPS接收機上的時間。GPS接收機比較每一衛星訊號接收到的時間及本身接收機的時間的不同，而計算出每一衛星道接收機的距離。接收機若在接收到更多衛星時，它可利用三角公式計算出接收機所在位置。三顆衛星可做所謂2D定位(經度及緯度)，四顆或更多衛星可做所謂3D定位(經度、緯度及高度)。接收機繼續不段地更新您的位置，所以它可計算出您的移動方向及速度。
GPS的定位是利用衛星基本三角定位原理，GPS接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來量測距離，以距離來判定衛星在太空中的位置，這是一種高軌道與精密定位的觀測方式。假設衛星在11,000英哩高處，測量我們的距離，首先以11,000英哩為半徑，以此衛星為圓心畫一圓，而我們位置正處於球面上。
再假設第二顆衛星距離我們12,000英哩，而我們正處於這二顆球所交集的圓周上。
若再以第三顆衛星做定位，我們即可依相似方法，進一步縮小範圍到二點位置上，但其中一點為非我們所在的位置極有可能在太空中的某一點，因此，我們捨棄這一點參考點，選擇另一點為位置參考點。
衛星距離 = 訊號傳輸時間 × 速度
如果要獲得更精確的定位，則必定要再測量第四個顆衛星，從基本物理的觀念上來說，以訊號傳輸的時間乘以速度即是我們與衛星的距離，我們將此測得的距離稱為虛擬距離，在GPS的測量上，我們測的是無線信號，速度幾乎達18萬6千英哩/Sec的光速，而時間卻短的驚人，甚至只要0.06秒，時間的測量需要二個不同的時錶，一個時錶裝置於衛星上以記錄無線電信號傳送的時間，另一個時錶則裝置在接收器上，用以記錄無線電信號接收的時間，雖然衛星傳送信號至接收器的時間極短，但時間上並不同步，假設衛星與接收器同時發出聲音給我們，我們會聽到二種不同的聲音，這是因為衛星從 11,000英哩遠的地方傳來，所以會有延遲的時間，因此，我們可以延遲接收器的時間，從此延遲的時間╳速度，就是接收器到衛星的距離，此即為GPS 的基本定位原理。在一般狀況下，衛星傳送偽隨機碼(Pseudo Random Code.)信號，偽隨機碼是GPS最基本的部份，其實它是最複雜的。其由一串 0 與 1 的脈衝訊號，以致於看起來像雜亂的訊號一般，這也就是我們稱為偽隨機碼的原因。
每個衛星都有其獨一無二的偽隨機碼(PRC)
複雜的格式能讓我們確定接收器所得的訊號並不會碰巧與一些不相干的訊號同步，也就是說這種複雜的訊號格式不可能與存在於大自然中的雜散訊號相同，每個衛星都有其獨一無二的偽隨機碼(PRC)，此種編碼方式才不致與其他訊號相混淆，事實上，PRC也給了美國國防部 (DoD)控制此系統的方法，而為什麼將PRC設計的如此複雜還有一個重要的原因，就是為了使GPS變得更經濟，這種碼利用資訊理論放大GPS訊號，而不需要如同電視天線般的大碟天線來接收衛星訊號，您可能好奇為什麼電視天線不也如此設計，來捨棄這種大碟天線呢?其中的原因便在於速度，GPS信號所含的資訊量極低，基本上它只是一個時間脈衝，所以我們可以一再地比較它的訊號，但電視訊號傳送了許多資訊量，而且變化極快，若是利用這樣的比較系統的話，速度必會變得太慢而且更麻煩。一般而言，GPS衛星傳送兩種頻率的載波，L1 (Link 1) 載波的頻率為1575.42 MHZ，L2 (Link 2) 載波的頻率為1227.60MHZ。
GPS的精度與校正
GPS 所使用的精度可分為標準定位精度(SPS)及精密定位精度(PPS)二種：
1. 標準定位精度(Standard Position System，簡稱SPS)
使用C/A碼來定位觀測，通常可達100m之內的誤差，這是在SA(Selective Availability)開啟狀態之下，當SA關閉時，此誤差可降至30m左右，這是由於自然界中存在著許多差的因素,為了提高GPS的精度，我們可利用差分定位(Differential GPS)技術來做校正，通常精度可到2m至5m左右，甚至可達到次米級單位的程度。
2. 精密定位精度(Precis Position System，簡稱PPS)
要達到PPS的精密定位精度，則必須使用P(Y)碼才可達到，一般而言，PPS在水平方向通常可達到15m左右的精度,在垂直方向可達25m的精度，但由於P(Y)碼取得不易，因此，目前要做精度定位觀測，大多數使用者仍以C/A碼配合DGPS來使用。
目前，市面上GPS接收器琳瑯滿目，好的接收器可精準計算出一個位置方位量，相對的，較差的接收器亦可能存在著自己本身的誤差，而嚴重的影響了精度，接收器除了訊號的接收及計算能力之外，誤差的修正能力也是一個好的接收器所必須考慮的重點，當然，接收器穩定性及壽命亦是影響精度的其中因素。甚至，美國國防部更花了一千二百萬美元發展所謂的干擾衛星定位精度技術，其目的在於防止不法之徒或恐佈組織，利用GPS來發展高精密的武器，危害到國家安全。由於GPS在各種定位應用上,均有所誤差,也由於載具不斷的運動,使得利用載波相位觀測方式定位較為困難,而須採用電碼的虛擬距離定位,雖然P(Y)電碼有著極高的精度,卻往往取得不易,在C/A電碼精度不高的情況下(尤其在SA開啟後),對要求較高精度的工作而言,便需要一套系統能對利用C/A電碼定位的精度有顯著的改善,我們即可利用差分GPS(Differential GPS)的方式消除大部份的誤差,也就是運用一已知點坐標之GPS測量點作為參考點，由參考點接收衛星資料並計算衛星位置與參考點之間的距離,再比較參考點所測得之虛擬距離間之差值，比對這二點之坐標位置後,即得到一個修正值,我們即可將此修正值傳送至接受器進行修正,以提高測量點的精度。
四、GPS的應用
波灣戰爭中飛彈到底是如何精確打到海珊的軍事設施呢？飛機自動導航系統是如何掌握航線資訊呢？為何賓士車車主在都會中不會迷路？這其實就是GPS技術發展的主要目的！
GPS和GIS
資料收集是地理學研究的基礎工作，如何快速、正確獲得環境的第一手資訊資訊，一直是地理學所關切的。過去，地理學者透過地圖來掌握地理資料，儘管地圖能儲存豐富的地理訓，然而面對變遷迅速的時代，傳統地圖呈現的資訊往往與實際現象有所差距。
地理資訊系統是針對地理資料從事儲存管理、分析處理與資料展現的有力工具，因此許多領域都嘗試將整合地理資訊系統進去，其中包括了土木、環工、資源管理等領域，然而要運用地理資訊系統的第一步，也是最重要的一步，就是地理資料的收集、生產，而GPS的發展正好能輔助這個部分。當前，將全球衛星定位系統(GPS)與地理資訊系統(GIS)結合，已證實能為地理學研究工作中突破資料收集的效率。由於GPS所提供的是數值化(digital)資料，所以可以直接載入資料庫，與地理資訊系統結合，其優點在於︰
一、資料調查與資料庫建立同時完成，簡化資料生產流程
二、全數位化產生，產生人為誤差機會小。
三、節省時間與人力，能機動地對環境作監測。
此外，絕大多數單獨的GPS接收機以經緯度和GPS高度表示位置。但是座標如北緯24度，東經121度和100公尺高對你決定所在位置並不很好用，你還需要知道你在地圖上的位置。GIS地理資訊系統是存於電腦中的地圖資料庫(Database)，GIS能比紙上地圖更為精緻複雜。它可以是三度空間以顯示地形圖，也可包括其他有用的資訊，如加油站、旅遊勝地的照片等等，汽車導航系統就是GPS和GIS之組合，這種應用被人看好是21世紀GPS市場中最龐大的一部分。另需特別注意GPS的高度。它並不是真正距地面上的高度，也不是海平面上的高度，因為GPS接收機不是GIS，並不知道外面世界的真象。
GPS 發展日新月異、廣泛運用於各領域
1.資源調查﹐土地探測
例如﹕森林區、山坡地違規開發查報工作。使用GPS可順利導航至可疑之變異點﹐並直接查詢調閱地籍圖等相 關資料以利研判。
2.大地測量﹐一般測量
傳統的三角測量事一件十分辛苦的事﹐特別是在地面三角測量點缺乏﹐地標不明顯的時候﹐測量工作格外困難。GPS定位則無須仰仗地面控制點﹐只要在沒有遮蔽的情況下﹐幾乎不受地形地物的限制﹐所以使用GPS作為測量的工具﹐大大改善了傳統測量的不便。精確度需求越高的測量工作﹐需要越高精度的GPS﹐當然也就越昂貴。
3.製圖
電子地圖之製作及粗略地形圖之製作。地圖的數化有很多種﹕將已存在的紙面地圖用數位版數化﹑或使用掃描器掃描至電腦中﹐再進行螢幕數化或自動數化。我們可使用GPS在車輛行進的時候﹐每隔一段時間將道路點(WAY POINT)記錄下來﹐如此便完成粗略的地圖數化工作。
4.登山定位,山難協尋
GPS可準確的定位、定向﹐在開闊的地方使用GPS定 位﹐配合地形圖可以非常準確的了解目前所在位置﹐而不會因人為判斷錯誤而迷路。我們也可將GPS配合無線電傳輸﹐將登山人員所在位置傳送至山難協尋中心﹐以利救難搜尋工作。
5.精確定時
由於GPS定位需要非常精確的時間﹐每顆 GPS衛星 上都有精密的原子鐘﹐所以GPS接收器可以接收到精確的時間資訊。
6.軍事
GPS發展目的﹐一開始就是考慮軍事的用途﹐所以舉凡戰機、戰艦、戰車、飛彈、相關軍事人員及攻擊目標物的精確定位﹐均仰賴GPS完成。
GPS在車輛導航與派遣的應用
除了前面提到的應用外，目前GPS在民間最普遍使用，市場也最大的是在車輛導航與派遣的應用，也是本次展示中的兩個重點。你若到美國或日本去租用汽車,你會很容易 的便在車子的前方面板上發現一個類似電視盒子,通常上面你會發現美國地圖便在其上,這就是汽車導航系統,其正是搭配著GPS來進行導航。
1.導航定位:車輛,航空,航海
例如﹕汽車衛星導航系統﹐於美國日本已相當風行﹐臺灣仍在萌芽階段。在可預見的未來﹐所有的飛行器將使 用GPS做導航的標準設備﹐在飛機起降的時候﹐無須依賴 機場地面的導航設備。
2.任務派遣:貨運,救護,消防,警政
這類應用方向﹐是將GPS配合無線電傳輸﹐可將各車 輛所在位置動態傳回派遣中心﹐以利調度工作。當然﹐如果運用在大眾運輸工具﹐可利於一般大眾於候車時了解班 車抵達的狀況﹐如﹕目前車行進到哪裡了﹖車速如何﹖(塞車狀況)預計何時可抵達﹖等相關訊息。
五、GPS的未來展望
許多與空間、區域有關的學科，如地理學、自然資源、森林、動植物等研究上，已有不少運用全球定位系統(GPS)來從事資料的調查與收集的工作。相信將來全球定位系統的應用將更加廣泛，不只是在科學研究及工程應用上，甚至是你我日常的生活，都將深深的被影響，如同當今的網路科技一般。
在可預期的未來，衛星定位系統的導航功能將會廣被大眾所接受。憑藉GPS所測的精確的經緯度，不論白天或夜晚，使用者不需要地址，即能輕易抵達任何住家或公司行號。人們常會說﹕"路是長在嘴巴上"，未來有則要改成"路是顯示在GPS上"，則更為接近。
目前正在發展中的汽車導航系統，即是利用GPS的技術與原理，將移動中的汽車位置顯示在電子地圖中，如此，駕駛者可藉著導航系統的指引，順利抵達目的地。
很可能在不久的將來，我們會看到以GPS技術發展出來的汽車導航系統，將全面配備在每輛汽車的儀表版上，同時扮演著休閒、通訊、防竊、救難等多樣化功能。
我們可以想像全球定位系統帶給明日世界高度自動化及精確的生活，面對GPS此一新興的科技，你能想像出更多無限的應用。
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