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大羊讀書會 - GPS跟WAAS的簡介

管理捆工 - 星期二十二月 13, 2005 4:29 pm
文章主題: GPS跟WAAS的簡介

目前全球有 2 套 GPS (Global Positioning System) 全球定位系統人造衛星，分別由美國及俄羅斯擁有，全球大多數用戶都是使用美國的系統。
‧ GPS 人造衛星定位技術，原只是在軍事上使用，現在已擴展至民用，提供國際民航、海事、救援等服務。在民航機上看到電視不時顯示時速，方向、地圖、距離目的地等報告，便是 GPS 的應用。
‧ 依據國際協議，美國國防部需發射至少 24 個人造衛星及維持系統的運作，系統由 6 個圓環型軌道圍著地球及地面控制站組成，每一軌道有至少 4 個 GPS 人造衛星，由於衛星會老化，美國國防部一直有增加衛星數目。國際協議規定 GPS 人造衛星部份功能必須免費開放民用，但美國國防部已經宣佈為其本國利益，可以在沒有預警下關閉局部地區 (如戰區) 的民用服務。

6 條軌道上的 GPS 定位衛星，藍色中心地點是非洲西部，當時可接收到 9 個 GPS 定位衛星訊號。但部份距離較遠，如接近南極和北極的衛星便分別在圖中非洲定位者的南方海平面及北方接近海平面方向上。這是假設他在沒有阻隔的高地接收，但假如他在城市中心接收，一部份對他而言在較低位置的如這 2 個接近海平面的衛星便可能接收不到了。

‧ 請注意 GPS 衛星是「非定位衛星」，假設你拿著 GPS 接收器站著不動，GPS衛星會不停地在軌道上運行而轉變與你的相對位置。所以你的 GPS 接收器常收到不同的衛星編號。我們家中的電視衛星是「定位衛星」即是與地球同步轉動，例如在南中國海上空的衛星停留在南中國海上空同一位置，你只要把電視天線固定面向衛星，便可以收到電視訊號。
‧ GPS 接收器定位方法，是要可以直射收到 4 個或以上衛星，用訊號反射來回時間計算。另外，還有一些其他定位方法，例如日本政府在主要城市道路增加修補的定位訊號，但這是重大的政府投資，以目前港府的財力，短期內都不會有具體計劃。亦可以用機械加電子方法量度車輛行駛時的機動資料補足，但車主就要特別投資在這種系統上。
‧ 正確使用 GPS 接收器，可以減少接收干擾，例如GPS 不能在室內、停車場、天橋底應用，因為根本不能收到衛星直射的訊號。在汽車內，應使用有長天線的 GPS，並把天線用磁石置在汽車外，不應使用沒有延長天線的型號。在香港 90% 以上地方都可以接收成功，但如在灣仔道及皇后大道中部份路段，因為路如蛇一般彎曲，而且四周都是高樓大廈，嚴重阻擋電波，會常常收不到訊號。但同樣在市中心，彌敦道、佐敦道、窩打老道、亞皆老街等，因為是一條很直的大道，不會受到兩旁高樓大廈的遮擋，所以接收訊號都沒有問題。
‧ 為何要使用 4 個衛星？用最簡單的說法，是因為定位要由數個衛星和你的相對位置決定，用接收訊號方程式包括時間/衛星軌跡/距離計算。有如幾何學用圓弧相交求交叉點般。在平面幾何上，2 個圓弧相交於 2 點，要知道那一點正確便要量度與第 3 個點的距離 (即第 3 個圓弧)；所以平面幾何上用到 3 點距離便可定位。在立體的情形下，多了高度，便要利用第 4 個衛星了。
‧ 當衛星剛好在你的 GPS 上，距離最近，訊號最強，為何又不是最好的呢？因為定位是要由數個衛星和你的相對位置決定，當幾個圓的中心十分接近，則交點便不準確 (見圖)。這種誤差，可以由 GPS 系統的內置方程式計算。稱為 GDOP (Geometric Dilution of Precision)，例如GDOP 4m是指衛星與你的相對位置有 4 米誤差。
‧ 一些不正確的GPS測試報告，主要是沒把GPS妥善安裝，例如進行行車測試時卻把天線放在車內、或寫成在公園東面收到，在西面收不到定位等。其實在公園東面收到定位，可能在 5 分鐘後會收不到，反過來說，西面現在收不到，在下一秒卻可能收到訊號；因有些 GPS 出廠用省電設定，每數秒或 10 秒始更新一次、所以可能會出現以上所述的情況。因此使用者必須正確安裝和了解 GPS 的功能和局限。

什麼是WAAS
您也許已經聽過 WAAS 這個名詞、在 GARMIN 產品的包裝盒及廣告上看過它，或者甚至知道它的全名為 Wide Area Augmentation System。那麼，它究竟是什麼？基本上，WAAS 是一個由衛星及地面站台共同組成的系統，能夠提供校正 GPS 訊號的功能，讓您得到更精確的定位。到底有多精確？平均提升最多五倍的精確度！一台具備 WAAS 功能的 GPS 接收機能在 95% 的情況下提供您誤差小於三公尺的精準定位，而且您不必為了使用 WAAS 功能而添購任何額外的設備或支付任何使用費。

WAAS 的源由

WAAS 是美國聯邦航空局（FAA）及美國交通部為提升飛行精確度而發展出來的，因為目前單獨使用 GPS 並無法達到聯邦航空局針對精確飛行導航所設定的要求。WAAS 可以校正由電離層干擾、時序控制不正確以及衛星軌道錯誤等因素所造成的 GPS 訊號誤差，也能提供各衛星是否正常運轉之資訊。雖然 WAAS 目前尚未正式通過美國航空局的飛行使用認證，但此系統已開放給一般民眾使用，例如從事航海或其它休閒活動的人們。

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。

誰能受益於 WAAS？

目前，WAAS 衛星訊號的適用範圍只有北美洲。在南美洲並無任何地面參考站台，所以此地區的 GPS 使用者就算能接收到 WAAS 訊號，也會因為訊號沒經過適當的校正而無法提升其機台的精確度。即使在美國，由於衛星位於赤道上空的緣故，若所在位置之南方地平線有樹林或山脈阻擋，也會不容易收到 WAAS 訊號。反之，開闊的地區或海上則是接收 WAAS 訊號的理想地點。與 DGPS（differential GPS）相比，WAAS 提供了較大的服務區域，範圍可自內陸延伸至海上，不像 DGPS 只能在陸上使用。另外 WAAS 也不須像 DGPS 般需要額外的接收設備。

台灣的使用者呢？

雖然目前台灣的 GPS 使用者尚無法享受到 WAAS 帶來的好處。但目前已有許多國家正在發展類似的衛星校正系統，例如日本的 Multi-Functional Satellite Augmentation System（MSAS）與歐洲的 Euro Geostationary Navigation Overlay Service（EGNOS）。未來，全球的 GPS 使用者將都能從前述及其它相容的衛星校正系統得到更精確的定位。

100 公尺：最初 GPS 系統的精確度。當時由於美國政府 Selective Availability（SA）計劃造成的干擾，使得 GPS 的準確度降低不少。
15 公尺：目前 GPS 的正常精確度。
3-5 公尺： differential GPS（DGPS）的正常精確度。
< 3 公尺： WAAS 的正常精確度
想了解什麼是電離層的可以看看這裡
http://www.ss.ncu.edu.tw/~lyu/lecture_files/lyu_SpacePhysPDF/ionosphere.pdf
電離層的吸收特性和電離濃度

電離層對於我們觀測白天的太陽,有決定性的影響.長期觀測太陽活動的天文學家來說,不論使用LVF(Very low frequency超低頻)的熱噪音變化或使用HF頻帶的觀測,都以電離層和太陽x光指數來解釋太陽的活動情況.太陽對於300公尺至15公尺波長的電波能決定其在電離層的物理性表現.對於數十公分的波長電波強弱則直接來自於太陽自轉引起內部電漿體和磁場的變化.

在遠程通訊方面,對於電波的頻率傳導能夠讓電離層反射,才能將另一半球的電波接收到或傳至對方.其發射角度以F層的高度而言,其電離層高度約在300公里.所以發射時,其仰角約在10餘度時,以一次反射而言,此電波可傳到約2000公里遠.如果可以3,4次以上連續反射,當然可達1萬公里以上的距離.但是要能達到此距離.要考慮很多的因素...因為更遠的多次反射,要考慮到F層和D層的反射狀況.

1.白天或晚上

2.太陽活動因素

3.電波的路徑和電離,地面吸收耗損問題(包含機器,天線的損耗)

4.發射的電波模式和強度

5.季節的問題

6.發射或接收地點的緯度

在此我們要說明的是太陽活動為主題.其它的可參考電波流星的相關說明.

HF電波的傳導在F層反射時,如果在白天.太陽的X光能量引起F層的電離濃度增加,同時最低的D層電離層也相繼產生.D層的電離濃度雖然不高,但因D層電離的高度約在50-90公里,此層的空氣分子的濃度在各電離層中是最高的,所以大多數較低頻的電波進入D層後,都會被此層所吸收,因為電波的電子進入空氣分子產生強烈碰撞而被吸收能量.

較低頻的電磁波進入D層後無法穿透進入F層進行反射,白天0-10MHz的電波頻率是無法傳導的.但若是太陽活動較低,D層電離濃度較低,則有可能7MHz在上午或下午某時段可以導通的.當然若是發生太陽較大型的爆炸(X等級),有時連20MHz的高頻也會被吸收而無法導通.在白天的時候,若整個HF的雜訊強度途然降低至最低點,這點可以判斷D層此時電離濃度增加將高頻的電波吸收,而此能量的來源來自太陽的X光指數,當然此強大的X光來源為太陽的巨大閃燄或整個太陽活動劇烈所產生.此能量約8分鐘後會直接衝擊地球的D層和F層.

X光指數如無法將高頻的電波吸收,反而對最高頻的28MHz或許可以被F層傳導,平常28MHz在白天是直接穿透F層而無法反射.一些2,3等電台的火腿要利用太陽黑子多的時候,有機會可以進行海外的遠距通訊.

D層電離層在吸收HF頻段後,這些能量會轉而產生熱和電磁波雜音(Electromagnetic noise),在白天的電離層中,這些熱雜訊和電離層的自由電子 ,無線電波,大氣的流動等形成我們所知的電離層.而最後的影響卻是來自太陽.

太陽活動和x光的爆發:

太陽黑子的活動週期和黑子相同,約在11年一次.我們約可以預測太陽在活動週期內,電離層的活動強度.也可以經由太陽活動時所爆發出的X光來決定D層的電離子強度.有了這些基本互動,我們可以藉由HF電波在D,F層中的傳導,知道太陽的活動狀況.尤其現在的太空氣象預報(Space Weather Prediction),除了由衛星監測x光強度外,地球上的電離層受太陽影響的情況和電場強度監測完全靠無線電波觀測而定.換個話說 , F,D層的吸收,穿透和反射等對電波的物理特性完全以太陽爆發出閃燄的X光強度而定.(Therefore the absorption strength of F,D regions ,are seen as a result of solar x-ray flares)

太陽爆發出的閃燄x光的強度能量,我們是以0.1-0.8 nm (1-8A)的波長強度範圍為主.因為這波長範圍的能量強度直接影響D層的電離濃度.在太陽所爆發出的閃燄(Flares),其生存時間在氫離子色光觀測中,自數分鐘到幾小時.在美國NOAA所公佈的太陽閃燄X光強度,其等級分類為C級,M級,X級.

龍潭觀測站經過2個月的觀測,和美國的氣象衛星GEOS的X光感測數據比對.其太陽x光強度引起的電波頻率吸收(D層).觀測站以10MHz,15MHz和20MHz三種頻率測得其關係如下表奈安捏

*.此為台灣北部電離層D層的大致吸收情況)

測量D層吸收情況,可以利用X光指數的大小 ,計算出被吸收的HF電波最高頻率(HAF),一般以下列公式來表示,如果太陽爆發出X光指數在2x10-5Watts/m-2,代入公式,可以估算出最吸收的最高頻率達到20MHz,此定義需以太陽的天頂位置為主,同時可將電波降約20dB.若太陽已在地平附近,則D層的電離濃度已近消失,無法將20MHz的電波吸收.而此時,反而是F層的電離濃度已慢慢下降,20MHz在傍晚時分可反射大部份電波在晚上.但午夜後,F層多已降至全天最低濃度.此時,20MHz大部份都已穿透F層至太空中.

HAF (MHz) = 10*log[flux (W m-2)] + 65

(Space Environmental Forecaster Operations Manual, 21 October 1997)

M1.0 -> 15 MHz

M5.0 -> 20 MHz

X1.0 -> 25 MHz

X5.0 -> 30 MHz

利用白天的D層電離和太陽X光指數相互利用下,電波強度在上午,中午,下午和F層/D層在晚上,依上半夜和下半夜的各頻道電波強度下,利用上列公式,可得到本地電離的強度變化.這些觀測必須接收機音頻和定頻系統及信號線性表現要相當穩定.如此曲線表現才會和X光強度數據有相同的變化.

以下為x光引起電離濃度值和最高頻率的相對值.

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1. X5.0(X5級) 2x10E-3 W m-2 HAF=30MHz up

2.X1.0(X1級) 2x10E-3 W m-2 HAF=25MHz

3.M5.0(M5級) 5x10E-5 W m-2 HAF=20MHz

4.M1.0(M1.0級) 2x10E-6W m-2 HAF=15MHz

5.C5.0(C5.0級) 1x10E-7 W m-2 HAF=10MHz

6.C1.0(C1.0級) 1x10E-8 W m-2 HAF=5MHz

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*.此X光能量/頻率對照表(X ray strength/AUF chart) 測定對於觀測太陽閃燄(X光)長期觀測極為重要.

太陽x光指數(Solar x ray flux )

上述所分類的C,M,X等級是基於太陽整個圓盤面的X光輻射強度(Emisson Strength)來分類.在太陽活動高峰期間,整個太陽的X光指數都會很高,也時也會達到X級,產生地球電離層的騷動.但不意謂此時,太陽整個閃燄都爆發達到一個高峰.也可能是很少閃燄爆發時的狀況.

太陽X光指數極高時,會造成地球無線電訊通訊的中斷(Blackout).

在白天中,D層的電離程度在中午(太陽過中天)時分,其電離濃度最強,對F層的電離程度約在上午10-11時左右.中午時分F層的電離濃度已經開始下降.也就是對HF帶的電波吸收在中午時分是最強烈的.在黃昏或清晨時分,D層的電離濃度在"0"的臨界值.所以在晚上的地面,D層是不存在的.

上圖為SOHO太陽監視同步衛星利用紫外線所拍攝太陽在1996年1月(左圖)和1999年7月(右圖)的活動情況.左圖為太陽X光指數低時期.也就是太陽活動較低時期.右圖為較高太陽X光指數時的太陽面面.

*.一般太陽活動高峰期可唯持2-3年. 所以2000,2001年將是太陽活動最劇烈的時期.

圖片:NASA /NOAA提供

夜晚的F層變化:

在晚上的電離變化,完全看F層的變化而定.F層在上半夜,電離濃度持續下降(自1x10E5 至1x10E6 cm-3 N).此時可將高頻電波的最高工作頻率(MUF)持續下降.在晚上18-20點,可反射約20MHzMUF頻率.到了20-11時,可反射的MUF降至15MHz.半夜24時,電子濃度降至HF最低電波10MHz(10E5 電子數/cm-3)反射濃度.在下半夜.10MHz以上的電波都在F層透射出去(Transmitting)而無法反射(reflection.下半夜的工作通訊頻率都在1.4-5.6MHz).

當然也有例外的時候,所以電離層都要定期測定其最高電離濃度.採用當時最佳通訊頻率.此層筆者經過兩個月的測定,其下半夜濃度約在10E-5 N.

對於反射電波頻率越高需要更高的電離濃度可參考流星電波專欄部份說明.

美國有位KJ Smith的工程師利用和筆者類似的方式測試F電離濃度,電波發射角度和最高工作頻率的公式:

Nec=1.2 x 104 x V2 . cos 2 x a

V=最高工作頻率

a=電波發射角度(垂直至地平角度)

如龍潭站經觀測後其電波曲線的表現可計算出可將20MHz反射至地面,其F層的電離濃度約需要1.5x10E6N/cm-3.(此為F層的電離濃度在1.5x10E6 ,電波以垂直至地平角度72度發射,可以將20MHz的電波反射地面).

此公式可以利用2.5,5,10,15和20MHz的頻率以不同的角度發射(70-75度),在一次反射距離(約1900公里)的發射站和接收站同時作業,利用不同時間(間隔1小時 )發射,接收站並同步接收,以收到信號強弱來作出F層的濃度和MUF的圖表.由此可以預測一天各頻率可通訊時間和接收發射角度.

太陽的觀測以X光指數和D層電離濃度值可將太陽在白天的活動模式作一系統性的監測,如此更可精確瞭解太陽X光強度變化和電離層的影響模式.對於長期監測太陽能量變化觀測才會更有系統性的記錄.

結語:

龍潭觀測站自去年開始建立系統並進入觀測流星電波業務後,今年的太陽15公尺波長觀測為第二項正式觀測業務.隨著觀測期間所經歷不斷失敗和經驗後,對於電離層的瞭解和太陽能量的監視經驗也越加累積.

太陽大氣的能量監測,利用美國GOES衛星的觀測數據和本站的電離數據加以分析比對,開始作為粗略的頻率/D層的吸收表,此適合區域高空電離的比對表完成後,對於以後的太陽監測更能加能夠掌握.

我在此強調,業餘無線電天文的迷人之處,就是所花費的努力和成果是成正比,其中的樂趣在於利用現有的業餘設備去探索未知領域.像太'陽監測,僅用可見光觀測太陽黑子和氫離子色球表面.但能量的偵測卻需高價的磁向或其它可見光觀測儀器配合衛星,資料傳送網鏈和專家去處理.

但無線電望遠鏡ㄋ?簡陋的業餘級無線電望遠鏡卻能夠深入太空未知的疆域.各種深藏在太空高深處的高能星體均以不同的頻率無線電發向地球.甚至中子星的x光能量有人預測是影響晚上F層電離的主要因素(晚上深夜F層的存在能量來源一直是個謎).無線電在天文的應用不到50年.有太多的未知尚待觀測.

最近已計劃購置超高頻和頻譜分析硬軟體設備,將針對1420MHz本銀河系發出的氫離子譜頻作一先期作業,因為1.42GHz的無線電望遠鏡和頻譜能量分析可以就本銀河體的旋轉和一些物理動量的觀測作一簡單測定.不過今年還是以太陽和流星為主業.因為"錢"的問題一直是最大問題...ㄏㄏㄏ .

By倫蒂.史翠姖米爾美國-華盛頓州

管理捆工 - 星期二十二月 13, 2005 4:32 pm
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咦...訊號不再減弱了喔
GPS系統包括24顆人造衛星與五個地面站。這些衛星在1萬9000公里的高空繞著地球轉，傳送低功率、超高頻的無線電訊號。掌上型GPS導航儀只要測量四顆以上衛星傳送訊號的時間，即可透過三角測量法算出所在位置（至少理論上是如此）。

不久前，美國政府還會改變GPS訊號的頻率，只允許軍方接收最精確的讀數，但柯林頓政府在2000年5月不再減弱訊號，民用GPS導航儀的定位精準度因而達到6~12公尺以內。很快地，數家公司推出了價格合宜、操作簡便的接收器。這些設備內建地圖，螢幕的操作方式與網頁十分類似。大約同時，美國聯邦航空總署（FAA）完成了廣域擴增系統（WAAS）。這是由地面站構成的網絡，可校正計時誤差與衛星軌道誤差值，以改善GPS的準確度。假設使用者可清楚看到天空，而且天氣狀況並非太過陰霾，那麼具有廣域擴增系統功能的GPS導航儀，定位精確度可達到2.7公尺以內。

Anonymous - 星期二十二月 13, 2005 4:34 pm
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謝謝八六大的文章

受益良多

Chiardy - 星期三十二月 14, 2005 12:15 am
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謝謝八六大大的資訊～～

阿猜 - 星期三十二月 14, 2005 12:21 am
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超級詳細的說....
感謝八六叔辛苦提供資訊唷~!!!

瘋狂大型綿羊 - 星期六十二月 17, 2005 6:24 pm
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感謝提供良好資訊喔...

吉偉 - 星期二十二月 20, 2005 8:02 pm
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太專業了吧! 86大您可以出書ㄌ!

pandamormo小陳 - 星期二十二月 20, 2005 8:23 pm
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太專業了~~小弟看了很多次才了解~~

管理捆工 - 星期三十二月 21, 2005 3:39 am
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carol 寫到:

太專業了吧! 86大您可以出書ㄌ!

真不好意思啦...這是用Google找的哩...
就只是轉貼過來的啦!
因為飛機真的需要GPS來定位,所以會比較了解一點囉