GPS 系統雜談 -- 續篇: 增加定位精度的輔助系統

krisher

除了接收天線拜天公放好, 有沒有什麼可增加精度的輔助系統?

在上一篇雜談中, 有提到大概 GPS 是什麼東西了.
也有提到現行車機用到的輔助系統是陀螺儀+車速線.
其中要注意的是, 一個向量需要 "方向" 和 "長度(距離)",
所以陀螺儀搭配 GPS 系統時, 還是需要重要的前進速度(以便估算距離),
才有辦法組成一個完整的輔助系統.

所以, 手持型系統不能長時間大略平持, 常常機身翻來滾去的環境, 一點也不適合它;
不提供本身行進速度,或是無法提供相容行車速度訊號, 也不適合用它.
但若是哪天出了個能提供車速訊號的機車或腳踏車, 克服供電問題後,
當然也能替它們裝個 "車機".


除了這個麻煩的東西,  那還有沒有別的提昇精度的方法?

當然有, 那就是謎一般的名詞, WAAS
其實 WAAS 純指美國的系統, 歐洲和日本用的修正系統名字不同.
台灣能收到的 42 號和 50 號衛星, 是日本的 Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS).
它們都是 DGPS (差分定位, Differential Global Positioning System, 不是 "Digital"   ) 的一種,
目的是提供修正訊號, 用來使送來的 GPS 資料更加精確.


好吧, 到底這個東東是什麼? (為了方便, 下面都用 WAAS 代表了, 反正 MSAS 也是相同的東西)

因為天空的衛星, 有時會因為電子鐘或大氣等因素, 送出的資料會有誤差.
那怎麼辦? 就在地面上, 找幾個符合條件的地點, 設立幾個地面站 (WAAS 是25個).
當然這幾個地面站的座標, 都是經過嚴格量測且定位過的, 可以拿來當參考點.

這些地面站接收 GPS 衛星訊號後, 比對和本身位置的誤差 (當然這是簡化的說法),
將資料送到幾個地面主站. 再經計算後(當然這又是簡化說法 ),
由主站將修正訊號送上幾個同步軌道通訊衛星 (就是固定在頭上不會動的衛星),
再由這幾個衛星把修正訊號送回地面, GPS 接收器收到 WAAS 訊號後,
自然就能再將精度提高.

所以啦. 說穿了 WAAS 也就是一個縮小參考點距離的修正方式,

使用 WAAS (或是 MSAS.. 隨便啦) 訊號並不需要別的接收器, 也不用月租費喔.
因為送出修正訊號是同步軌道衛星, 所以在該衛星群涵蓋不到的範圍, 就算接收裝置把 WAAS 打開也沒用.
WAAS 的同步衛星當然也一併給地面站算過, 所以並不會再擴大誤差.
若是現在位置離地面參考站太遠, 有可能反而開了 WAAS 誤差會變大.

大概 WAAS 就是這種東西. 那台灣沒地面站, 開了 WAAS (其實收的是相容的日本 MSAS 衛星訊號) 有用嗎?
其實有用... 它的用處就好像在車上貼個 "競速專用" 就能提昇 50匹馬力的作用相同.

當然, DGPS 並不止有 WAAS, 還有不少付費的方法, 在此就不多做介紹.


那... 還有沒有別的提昇精度的方法?

有啊, 等下一代的衛星定位系統. (好比歐洲的 Galileo 系統.........).

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最後, 有個小小的希望.
就是其實我也不是很懂, 所以儘量把它白話化.
希望一起補充資料的同好, 能夠用詞淺一點, 不要 google 後來個 copy-paste 結束,
這樣我相信不少人和我一樣會一頭霧水.
此外, 感謝拍郎給我盜連表情圖. 不過反正他對這篇也沒興趣, 抓不到的啦.

jason204

目前全世界已運作中的星基增強系統(SatellIte Based Agumentation System，SBAS)有美國的WAAS,歐盟的EGNOS及日本的MSAS等，其覆蓋及服務的範圍如附圖,因此在臺灣理論上應至少可以收到日本MASA的#42及#50

[ 本文最後由 jason204 於 2007-4-4 19:27 編輯 ]

jason204

以下為96年4月4日18點22分11秒在台中市南屯區某處用Trimble Pathfinder XB接收儀所接收的GPS衛星訊號(NMEA格式)，真的可以收到MSAS＃42號衛星!!!!

＄GPGGA,102211.000,2409.XXXX,N,12038.XXXX,E,2,09,1.0,105.7,M,16.0,M,0.8,0000*7F
$GPGLL,2409.xxxx,N,12038.xxxx,E,102211.000,A*3E
$GPGSA,A,3,18,22,05,12,30,09,14,31,21,,,,2.1,1.0,1.8*38
$GPGSV,3,1,12,18,83,084,42,22,56,326,43,05,54,110,42,12,47,094,43*7B
$GPGSV,3,2,12,30,47,150,43,09,29,036,38,14,27,308,36,21,24,196,37*75
$GPGSV,3,3,12,31,16,236,36,24,03,169,27,06,00,161,21,42,54,138,36*78
$GPRMC,102211.000,A,2409.xxxx,N,12038.xxxx,E,0.09,,040407,,*19
$GPVTG,,T,,M,0.09,N,0.2,K*75
$GPZDA,102212.000,04,04,2007,,*51

註:因個人太菜，沒有上傳Word檔的權限,且又不會轉檔，所以僅能告訴各位網友前輩
第1行$GPGGA中有"102211.000"為世界標準時，化算臺灣時間為18點22分11秒
第1行$GPGGA中經緯度，不過已經被我約化至整數分位，以防有人來找我麻煩
第１行$GPGGA中的指標2，代表本筆是採用DGPS的定位成果
第3個$GPGSV最後有"42,54,138,36"代表收到#42號衛星(PRN)，高度角為54度，方位角為138度，信號雜訊比(SNR)為36

[ 本文最後由 jason204 於 2007-4-5 09:16 編輯 ]

小酒蟲

WAAS 還需要地面參考站台協同工作，而不是純靠多打幾顆衛星上去就能用；所以就算在臺灣能收到 MASA 訊號，又有多大的校正意義？


http://www.garmin.com.tw/aboutGPS/waas.htm
WAAS 工作原理
WAAS 包含了約 25 個地面參考站台，位置散佈於美國境內，負責監控 GPS 衛星的資料。其中兩個分別位於美國東西岸的主站台蒐集其它站台傳來的資料，並據此計算出 GPS 衛星的軌道偏移量、電子鐘誤差，以及由大氣層及電離層所造成的訊息延遲時間，彙整後經由兩顆位在赤道上空之同步衛星的其中之一傳播出去。此 WAAS 訊號的發送頻率與 GPS 訊號的頻率相同，因此任何具備 WAAS 功能的 GPS 機台都可接收此訊號，並藉此修正定位資訊。

[ 本文最後由 小酒蟲 於 2007-4-4 11:45 編輯 ]

jason204

要做DGPS差分定位確實是須要有分布均勻的地面參考站協同作業，而建置地面參考也目前先進國家已經建置完成或積極進行中的基礎建設(Infrastructure)，例如美國國家大地測量局（NGS）的CORS系統在美國本土及海外阿拉斯加及夏威夷與週邊地區約有將近300個CORS站；日本建設省的國土地理院有1200多個電子基準點；臺灣地區也有將近300個GPS連續監測站，這些站平常接收GPS衛星訊號來訂定國家的坐標基準（如TWD97坐標系統）、地殼變動、地震測報（這也是氣象局地震測報中心為什麼可以在短時間內精確地告訴我門地震震央在那什麼地點的資料來源之一）等，這些基準站當然也可以拿來做DGPS系統的地面參考站，臺灣的政府或學術機關當然也有能力來處理這些數據，但目前面臨做最大的是沒有自已的廣播通信系統（如打無線電廣播或像WAAS透過同步衛星廣播）的問題，因為建廣播系統可能面臨環保抗議或是經費支援、衛星科技等多方面的因素，如果主管單位有決心，小弟我一定有信心。

DGPS差分定位系統（包含WAAS或MSAS）因本身已經由建置或運作的單位完成這些地面參考站之建置、數據連線、數據分析、精密坐標及每個時刻（Epoch）之定位誤差數據的聯合解算、上傳（至同步衛星）、廣播等的基礎建設工作，所以使用者只要花點銀兩去買具有接收這些定位誤差修正量的接收儀。至於它有多大的校正意義呢?簡單的說，GPS定位精度量級，主要的決定因素在於使用者的GPS接收儀能把GPS天線到衛星之間的距離量的多準（也就是想要把定位搞準，一定要搞準天線到衛星之間的距離先），但是現在我們使用的導航機都只是接收衛星廣播下來的電碼觀測量（Code-Only）來進行單點定位（或稱絕對定位），也就是GPS接收儀接收到的只是一筆一筆的原始觀測量（Raw-Data），再解碼化算為某一個時刻天線到每一顆衛星之間的距離，以空間後方交會法來定出天線的為置，其先天的衛星時鐘誤差、接收儀時鐘誤差）、衛星軌道誤差、訊號通過大氣層的電離層、對流層誤差、多路徑反射效應）、SA(Selective Availability)及AS（Anti-Spoofing）效應，所以它的導航定位精度僅在數公尺至數十公尺等級，在2000年5月2日美國國防部尚未關閉SA效應前，GPS的定位精度常會因SA-On而飆到數百公尺。

所以聰明的人就想到，如果用2部以上接收儀，在一定限度的距離內，同時來接收同1組衛星訊號（一般而言，在導航領域的應用僅接收電碼觀測量），那麼衛星的時鐘誤差及軌道的幾何誤差，就會因為接收同1組衛星訊號，可以自動抵銷掉，另外如果再假設衛星訊號在短距離內，其通過大氣層所產生的電離層、對流層遲滯誤差也是相同的，可以直接把這些引發定位誤差的因素，直接抵銷掉的情況下，GPS定位精度就可以提升了（可惜還有其他誤差如接收儀時鐘及多路徑效應等誤差是消不掉的）。

所以傳統的地面式DGPS差分定位（如應用於航海領域的海事無線電標桿，Beacon）的基本理論，就是將GPS接收儀最原始觀測到的天線到衛星的距離（也稱為虛擬距離或偽距，Pseudo-Range），扣除同性質的定位誤差修正量（簡單的講差分【Differential】就是把相同的誤差抵銷扣除掉），此時，天線到衛星之間的距離量透過誤差修正後，自然就會變得更精確，當然使用者的導航定位精度就會因此提升，至於精度提升的量級，與使用者到地面參考站的距離有絕對關係，例如在台北跟在東京收到衛星訊號在通過大氣層的狀況一定不會一樣，所以理論上，DGPS運作時，如果地面參考站與使用者之間的距離每增加200公里，定位的精度就會降低1公尺。而這種利用2部以上接收儀同步接收相同衛星，利用簡單的相減手段，把同質定位誤差消掉的方法，也稱為「相對定位」，這種定位技術如果再加上另一種所謂衛星載波相位觀測量，其實在很早以前，就已經普遍應用於高精度的測量作業，它的定位精度透過後處理的解算軟體，已經可以達到公分等級，當然目前需要測量等級的接收儀，再加上用GPS計算軟體將一些雜訊或品質不好的訊號濾除掉；另外，目前國際上最新的即時動態定位技術，也就是透過一系列的地面參考站，利用區域性定位誤差參數及虛擬參考站（VRS）共同組成的虛擬觀測資料，及OTF（on-the-fly）方法求解載波相位的整數週波未定值（Ambiguity），也可以在幾秒至幾十秒內，立即得到公分級的定位精度，而且在臺灣也已經實現了（喔!不好意思，扯太遠了）。

另外，WAAS的廣域強增強差分技術及實務操作，是比上述傳統地面式的DGPS差分定位系統所定用的差分技術要複雜一點，基本上，它的核心解算技術，在於修正GPS衛星廣播星曆（如修正提高衛星軌道位置及速度精度）及電離層所產生的誤差量等，而不是直接修正天線到每一顆衛星的虛擬距離，就如同小酒蟲哥哥引述Garmin網頁所描述的：「是計算出GPS 衛星的軌道偏移量、電子鐘誤差，以及由大氣層及電離層所造成的訊息延遲時間，彙整後經由兩顆位在赤道上空之同步衛星的其中之一傳播出去」，不過它真正優點是在於服務範圍相當廣大，且在相同距離的情況下，定位精度更好。當然不管是WAAS、EGNOS或者是MSAS也好，說穿了，畢竟是外國人的系統，在整體的設計與規劃上，是不會特別考慮到咱們寶島臺灣，要就要自已搞一套嗎?各位看官說是不是呀!!!!（聽說已經有人在規劃了喔）

註：每一個地面參考站應具備的基本條件是採用高精度測量級（或稱追蹤站級）的衛星定位接收儀，每天24小時每1秒鐘（1Hz）連續接收GPS衛星訊號，且透過即時數據傳輸通訊技術（如ADSL、通訊衛星、GSM/GPRS等），即時將衛星訊號傳到主控中心，並透過求解這些地面參考站的精確坐標（一般要求在mm等級精度）進行定位誤差的解算，再將這些定位誤差透過無線數據傳輸訊技術，立即傳送給導航定位的使用者。

以上拙見又臭又長，還請各位網友前輩指正。

順便請教一下，在回應文章時，要如何操作才會出現一個「QUOTE:」的欄位，並把其他網友的看法貼上去，請體諒小弟菜巴巴的，偷偷的告訴我，感謝啦!!!!

[ 本文最後由 jason204 於 2007-4-5 21:29 編輯 ]

jason204

請問那位網友知道 MSK(Minimum-Shift Keying) 的中文翻譯名稱及意義嗎?
它是不是用在海事無線電旗標(Beacon)上的一種調諧技術(modulator)啦？
真的完全沒有概念!!請多指教!!

[ 本文最後由 jason204 於 2007-4-17 01:38 編輯 ]

小酒蟲

我提的問題不是 WAAS 本身有沒有意義，而是目前在臺灣接收 MASA 訊號時，有多大的校正意義？

不然常常一堆在臺灣的「測試報告」都在喊爽，開了 WAAS 後定位更準了，考試都有一百分。

[ 本文最後由 小酒蟲 於 2007-4-16 21:31 編輯 ]

krisher

在台灣收 MASA 意義不大.
因為和地面固定參考點的全都距離太遠,
而且地面參考點都集中在同一個象限 (笛卡兒直角坐標),
甚至可以視為在同一點, 再加上地球不是平的...
所以開了和沒開一樣.

再上面那位, Minimum-Shift Keying 用 google 可以找到一堆,
也有很多說明的很清楚 (主要在應用上), 也有一些論文可以看.
請先翻看看吧.

jason204

原文由 小酒蟲 於 2007-4-17 03:54 發表
我提的問題不是 WAAS 本身有沒有意義，而是目前在臺灣接收 MASA 訊號時，有多大的校正意義？

不然常常一堆在臺灣的「測試報告」都在喊爽，開了 WAAS 後定位更準了，考試都有一百分。

距離太遠確實是DGPS在理論及實務上的1個大問題，但是如果要談其校正意義，我覺得要先談是應用在那一方面，因為定位精度可以決定應用的層面，畢竟10公尺的應用和1公尺的應用絕對不會完全一樣，你也不可能把只有1公尺定位精度的傢俬，拿去做高鐵的鐵軌定線測量，我想這一點應該先來釐清。

目前就個人使用MSAS的經驗，定位精度可以在1-3公尺左右，至少利用在汽車導航的應用上，把車子開到有許多道路會合的交叉路口時，就不會像一般沒有做定位誤修正的單點定位接收儀一樣飄過來飄過去，我想或許是它的定位精度比較穩定，還是剛好該路口的圖資比較準？或是剛好那個時刻的GPS單點定位剛好很準吧～個人沒有用力的去給他做分析～但有一點是可以確定的，就是如果如果臺灣有一套可以自主的SBAS，相信它的校正意義絕對會更大。

[ 本文最後由 jason204 於 2007-4-30 00:51 編輯 ]

ciao

台灣現在有沒有哪一台手持式PND裡面有裝陀螺儀了呀?

krisher

手持機沒辦法維持穩定的機器狀態,
(一拿兒直拿, 一會兒拿上拿下)
一點兒也不適合裝陀螺儀.

eric1810

但是如果拿來固定在車上導航時，應該就不無小補了吧？
要是有個 kit 可以接陀螺儀跟車速線，再用藍牙跟PDA連結，
這樣不知道可不可行？
當然，導航軟體也要有支援。

[ 本文最後由 eric1810 於 2007-10-12 16:34 編輯 ]

krisher

原文由 eric1810 於 2007-10-12 16:33 發表
但是如果拿來固定在車上導航時，應該就不無小補了吧？
要是有個 kit 可以接陀螺儀跟車速線，再用藍牙跟PDA連結，
這樣不知道可不可行？
當然，導航軟體也要有支援。

當然有這種產品啊...
不過都是 "接收器+導航軟體+運算顯示主機" 整合在一起,
它的名字就叫做 "車機"

jason204

很高興看到這個話題已經隔了許久又被拿出來討論!!!

其實個人覺得將各位網友大哥以上所討論的事項稱之為”增加定位精度的輔助系統”，小弟覺得將其稱之為”在None-GPS定位狀態下的導航輔助系統 ”似忽來的更貼切些，因為GPS具有直接獲”絕對定位－坐標”的能力，這是陀螺儀僅能獲得載具姿態或速度及加速度等資訊所無法達到的，也就是說如果沒有GPS提供１組起始坐標值，光靠陀螺儀所輸出的資料，是沒有辦法達到所謂”坐標”的概念，自然就沒有辦法直接展繪到導航電子地圖上，進而達到即時導航的目的。所以使用陀螺儀可以”增加定位精度”嗎？個人覺得GPS跟陀螺儀所提供是不一樣的資訊，兩者之間是相輔相成的關係．而不是使用陀螺儀可以增加GPS定位的精度！！！

另外小弟覺得在公尺精度就可以運作的汽車導航領域，使用陀螺儀似乎有點殺雞用牛刀的感覺，因為好的陀螺儀實在太昂貴而且安裝及校正過程都很麻煩了，便宜貨的可用性與效能又令人懷疑（跟用手拿指北針差不多意思），所以個人覺得要直接獲得”絕對定位坐標”並”提升GPS的定位精度”，還是要採用”GPS相對定位”的方法為之，而在環境遮蔽比較嚴重（定位精度很差）或GPS無法定位的地點（如隧道內），可以直接採用諸如”電羅經（Electric-Compass）等類似的設備所提供的方位角及車速器所提供的”距離”等資料，直接在單位時間內用”極坐標”的計算公式，再配合GPS的起始定位坐標，來持續不間斷地獲得導航上所需的”即時坐標”（即可在遂道內源源不絕地在導航地圖上顯示即時位置，直到GPS接收器重新定位為止）。

註：小弟已許久未接觸新式陀螺儀，如有功能上或可用性的認知錯誤，尚請不吝指正。

[ 本文最後由 jason204 於 2007-10-13 01:27 編輯 ]

skyhark

請問如附件中顯示 GoogleMap 和實際位置的偏移, 不知可有校正的方法?

謝謝

skyhark

謝謝你的回覆,

我用的不是一般的車用導航PDA而是直接下載GoogleMap的圖檔來使用的, 是把GPS接收器的資料在直接在PDA的圖檔上顯示現在的位置點, 在一般的道路方面非常的精準, 幾乎沒有錯差, 但在山區的等高線圖卻有50公尺左右的誤差, 當你行走在有路徑的山路時這種偏差是無關痛癢的, 只要方向對了是沒什麼事的, 但你若是於無路的山上要藉其決定方向時卻可能會付出許多寶貴的体力及時間的, 原想以手動的方式調整其誤差, 但準了等高線圖卻誤了道路圖, 真是讓人無法取捨, 不然就只能做兩份地圖,一份山上用一份道路用, 但真需要如此嗎? 請教各位高人了.

jason204

個人覺得一套好的汽車衛星導航系統需要有精確的定位工具與電子圖資，而且是缺一不可，依目前以GPS單點定位數公尺到數十公尺的精度，對於一般不是很複雜的路況，或許沒有問題，因為導航系統大都會利用地圖匹配（MAP MATCHING）技術，把偏調的軌跡拉回到路面上來(如pchsiao所述)，如碰到較複雜的路口，這招可能會不靈，但這時又偏是您最依賴導航系統的時後，所以個人覺得定位系統本身的定位精度一定要拉高才行(如在臺灣本島內設置基站，平面的精度可以修正到1公尺以內，高程(撱球高)可以修正到3公尺以內)，不過這必需要有全時提供修正量的單位才行，而在臺灣似乎目前還沒有提供民用服務的單位，另一方面GPS終端商品也要提高一些通訊與服務或修正解算模組或電源供應改善上的成本支出

而導航圖資部分，個人覺得目前各家商品的Source都系出同門，不一樣的只是視覺的包裝或圖籍數化的功力，從早期1/5000基本圖數化到現在局部性的1/1000地形圖加門牌調查成果，已經是算相當有進步了，不過1/1000地形圖要全面性可還有的等，1/2500的通用版電子地圖應該會比較快吧~~~~~