GPS 的基本定位原理

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，再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。現在我們再以第三顆衛星做精密定位，假設高度13,000 英哩，我們即可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。

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。

那麼GPS衛星究竟傳輸那些資料呢？衛星所傳輸的訊號包含有偽亂碼(Pseudo random code)、星曆資料(Ephemeris:英語發音為ee-fem-er-is)及Almanac。
 

• 偽亂碼(詳細請參見\\\"GPS測距碼的作用\\\")可幫助我們知道衛星訊號是由那一顆衛星所傳輸下來，所以偽亂碼即是一顆衛星的身份證(ID code)。其衛星編碼從1至32。因此我們可從GPS接收機上看到所接收到的衛星編號。但為何超過24個偽亂碼呢？這是因為當有新的替代衛星發射啟用時，可馬上給與這顆替代衛星一個新編號，當真正被淘汰的衛星不能使用時，就取代淘汰的衛星。
• 星曆資料含有衛星是否健康或不健康之資訊、現在日期、時間，這些資料使您的接收機知道現再時間日期其決定您目前的位置。
• Almanac傳輸軌道資訊告知接收機各衛星所在天空之位置。

簡單的說GPS時如何運作：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。
 

另外影響GPS接收機準確度的因素是衛星(satellite geometry)，(satellite geometry)是指以接收機為基準，各衛星的相對位置。GPS接收機與它所接收到訊號的衛星所構成的角度，會影響到定位的精準度、角度過小、或者接收到的衛星太過聚集都會降低定位的精準度。衛星與衛星的角度小時，相對於角度大時，會產生較大的定位誤差。現在以二顆衛星為例說明，請看圖示(Please wait) 假設衛星A及B於瞬間不移動，而且假設衛星A沒有受到其它干擾既衛星A提供非常準確的定位資訊，此時假設衛星B啟動SA或受其它干擾造成定位訊號有誤差時，接收機會認為衛星B的位置會是在衛星B1之位置，結果造成CD線段的誤差量，兩衛星的夾角大時CD線段較小，因此定位會較準確。如果這四顆衛星分佈在各不同方向，其定位的準確度會大大提升。若四顆衛星各分佈在東、西、南、北，則此時各衛星訊號交會面會更小，會使定位精度更高，既使有SA也可達100呎或更好的準確度。

當我們使用GPS接收機於車內、接近於高建物或隆起之高地，這都會造成衛星訊號被阻擋，所接收到的衛星數目減少，當接收機周邊越多阻礙物時，接收機就越難定位。但接收機接受到很多衛星時並不一定更精確，這還與衛星在天空的位置(azimuth and elevation)也會影響其精確度。

另外會影響其精確度的是叫\\\"多重路徑\\\"。簡單的說多重路徑就是無線電波被障礙物所反射。多重路徑的實例就是以往黑白及彩色電視機利用天線接收時，電視會發生多重影像，現在電視接電纜線再也不會發生這種情況。衛星訊號也會發生訊號受到反射而延遲到達接收機的時間，這會使接收機認為衛星北實際位置更遠，但這誤差不會超過15呎，其它誤差還有受大氣層的影響含離子層及對流層，內部時鐘誤差。

常有初學者問買怎樣的GPS接收機最好？這沒有正確的答案，可從下面來討論：首先您要問自己要做何應用？買接收機是要買適合您的應用，如果您有特別需求若是要放在車上，一掌上型的接收機就可使用。若您需要海上或航空使用時就需要含有導航的資訊，此時您需要一更經確的接收機或含有所在地地圖之接收機。若是海上使用您還可能需要可看深度之接收機。

當您決定所使用之範圍，通常您就可選擇一適當之接收機，而通常都會有好幾種機種及價格。是否選擇高單價機種或額外的付屬套件，端視是否符合您的需求。如果發現有好幾種機種可要求試用是否符合自己所需，有的在操作上一機種較另一機種較容易。