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淺談GPS與生活應用
 
史語所/張智傑

前言

  全球定位系統(Global Positioning System , GPS)在早些年,除了測量、工程、學術研究等專業領域之外,一般大眾或許未曾聽說,或是一知半解。但隨著近代人們生活品質的要求與提昇,都市建設與交通運輸的快速發展,使得汽車導航技術與各式觀光旅遊資訊蓬勃發展,也連帶讓GPS搭便車,令大家驚奇其所帶來的便利與強大功能,而相關生活應用的GPS產品與應用,也如雨後春筍般出現。

  因此,本文章將簡單介紹GPS的發展歷史與現況、基本運作原理以及生活上的應用,以期讀者們透過本文章的閱讀,能對GPS的概念與應用有基礎的認識與瞭解。

發展歷史與現況

1.起源

 古語云:「天下分久必合、合久必分」,古今中外歷史上,戰爭造就了不同的朝代,也成就了軍事上技術發展,往往這些軍事上的技術發展最後也深入民間生活上的應用。傳說五千多年前的中國,軒轅黃帝與蚩尤的戰爭歷時多年,在某次戰役中,蚩尤招來大霧,使得黃帝的軍隊分不清楚方位,無法行進。爾後黃帝與其部下風后發明了指南車,從此軍隊即使在大霧中仍能明確辨識方向,最終打敗了蚩尤,一統中原。而指南車從此也逐漸廣泛被應用,並列中國古代四大發明之一。

 而在1970年代的西方,正值美國與前蘇聯兩大超級軍事強國競爭的年代,為了使中長程核子武器能精準命中目標、海軍艦隊能準確迅速地抵達戰場、陸軍軍隊於不熟悉的戰場上不會迷失方向等軍事考量,使得定位技術受到重視,造就蓬勃的發展。1973年,美軍國防部研發全新導航系統(NAVigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System),簡稱GPS系統,透過衛星的無線電導航,可以提供全世界全天候陸海空(航空、航海、陸地)導航、定位、定時的服務。隨著時間的發展,美軍亦逐漸開放部份功能給民間使用;直至今日,隨著開放的功能增加以及限制減少、定位技術的顯著進步,可謂GPS時代的來臨!

2.衛星定位系統

 衛星定位系統歷經幾十年的發展,世界上已發展出不只一套衛星定位系統,大家耳熟能響的GPS實際上是指美國的全球定位系統,以下簡單介紹目前全球發展較完整的4套衛星定位系統【註1】。

(1) 美國GPS衛星定位系統

 自1974成功發射第一顆GPS衛星(NavStar)後,陸續發射其餘衛星,到了1990年代波灣戰爭時期,共有21顆衛星完成佈建並運作。此時期GPS在波斯灣戰爭中大放異彩,無論是提昇飛彈的命中率或擔綱美軍的行軍導航等,均繳出不錯的成績單,在此同時,國人的GPS設計與製造能力也嶄露頭角並逐漸為世人所肯定,亦造就日後全世界GPS應用市場的高佔有率【註2】。

 GPS目前共有27顆衛星分佈於太空中,並維持同時24顆衛星運作,2005年9月19日,美國發射新一代的IIR-M定位衛星,並於同年12月19日正式加入GPS衛星群中運作。此外,亦加入新的「民用」頻段L5,以提供民用更高的定位精確度。

 值得一提的是,2000年美國總統柯林頓宣布解除GPS的SA(Selective Avaliability)干擾效應,令GPS的定位精確度由原本的100公尺左右提升至10~25公尺,也為千禧年後GPS的蓬勃發展開了一條康莊大道。

(2) 俄羅斯GLONASS衛星定位系統

 前蘇聯於1970年代為與美國在軍事能力上一較高下,因此緊跟在美國發射第一顆GPS衛星後,於1982年10月12日顆發射第一顆定位衛星,稱為全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GLONASS),並於1996年完成衛星的發射與佈建。

 GLONASS衛星定位系統共有24顆衛星於太空中,並維持同時21顆衛星運作。然隨著前蘇聯解體,軍事預算不足以支撐系統運作,有數年的時間無法進行例行性維護,使得GLONASS的運作效能大打折扣;直到2005年12月25日俄羅斯發射了三顆衛星,加入仍在運行的14顆衛星群中,重新成功地讓GLONASS衛星定位系統擁有「單獨」自主定位的能力,俄羅斯國防部於2006年8年30日亦表示預計於2010年前恢復24顆衛星運作。

(3) 歐洲伽利略衛星定位系統

 無論是美國GPS或是俄羅斯GLONASS,對美國或俄羅斯的使用者而言,如取瓢飲水般容易與自如;然歐盟成立後,憂心歐洲未來的衛星定位應用會受GPS或GLONASS所限,因此著手計畫成立歐盟自己所屬的的衛星定位系統-伽利略衛星定位系統(Galileo system),並於2005年12月28日發射第一枚衛星,預計2010年後正式運作。

 歐盟伽利略衛星定位計畫預計發射30顆衛星,不同於美國與俄羅斯的衛星定位系統由軍方控制,伽利略計畫是由歐盟和歐洲太空總署推動,聯合歐洲不同國家的企業合作開發,並由屬於民間組織的歐洲太空總署主導,預計將開放免費的服務,能與美國GPS和俄羅斯GLONASS系統互容互補。

(4) 中國北斗一號衛星定位系統

 北斗一號衛星定位系統是中國自製之衛星定位系統,與GPS、GLONASS以及伽利略系統的全球性服務特性不同,北斗一號衛星定位系統的定位屬於區域性服務(中國地區),計畫於1985年提出,並於2002年1月1日發射第一顆衛星。

 北斗一號衛星定位系統特點是將定位導航與衛星通信集成一體,可為服務區域內用戶全天候、全天時地提供高精度、即時定位和雙向通信服務。該系統資訊仍屬於軍事機密,由官方所得之的資訊可知,系統集快速定位、數據和精密時間於一體,在西部和跨省車輛運輸、沿海和內河船舶的監控與救援、水利工程、氣象預報與監測、石油開採、海洋和森林防火等各類資訊採集,通訊、電力網路的精確定時,安全防護、邊防巡邏、海岸緝私和交通管理等方面亦將有廣泛的應用【註3】。

運作原理

1.三度空間定位

 太空中衛星所傳送的資訊,經由陸海空各式載具(飛機、船、車輛或手持等)的接收器接收,進而解算出載具或使用者所處的空間位置。GPS衛星定位系統採三維空間的定位方式,根據一般三角定位定位原理,二顆不同的衛星資訊,可以解算出二度空間的位置,但為了糾正與修正定位誤差,通常會加入第三顆衛星的資訊。同理,想做較精確的三度空間定位,除需要基本三顆衛星資訊外,通常會加入第四顆衛星資訊以消彌及修正定位可能產生的誤差。

 簡單來說,一般使用者,只要確定自己的GPS接收器同時接收到四顆衛星以上的訊號【圖1】,通常就能解算出較精確的定位資訊,並做有效的相關定位應用。


圖1  GPS三度空間定位

2. GPS如何提供定位空間資訊?

 每顆衛星上都搭載原子鐘,根據實驗的數據,原子鐘的誤差大約每140萬年差一秒,可說是目前世界上最準確的計時器。衛星以每秒一筆資料的週期傳送包含衛星編號、衛星星曆資料等資訊,GPS接受器接收到GPS的資訊後,會以時間差(衛星的星曆時間以及地面接收器接受到的時間間隔),依據無線電波的傳送速度換算出距離,再根據四顆不同衛星資訊,即可解算出接收器的三維空間定位資訊。

3. GPS的時間資訊

 在人類的歷史中,隨著區域性不同,而有眾多的的時間計時系統。近代全世界選定了格林威治時間(Greenwich Mean Time, GMT)作為標準時間,並將全世界分為24個時區;通用時間坐標(University Time Coordination, UTC)協調了GMT與GPS的原子鐘時間,而成為GPS的時間標準。因此,所有 GPS接收器所接收到的時間均是UTC時間,必須隨著接收地點GMT時區的不同而調整為當地的時間,例如台灣的時區為+8,因此GPS所接收到的時間加上8小時就是台灣的時間。

4.坐標系統與地圖投影

 坐標系統與地圖投影很容易令GPS的使用者混淆,以下以簡單的解釋來說明其中的差異。

 地球是一個不規則橢球體,為了使測量、描繪地圖時有一個共同的標準可以參照,因此運用數學方式計算出許多不同的標準橢球體,稱之為大地基準(Datum),而利用各種大地基準來表示空間即稱為坐標系統。

 世界測量坐標系統(World Geodetic System, WGS84)是目前世界上通用的坐標系統,GPS亦使用此種坐標系統。而早期台灣則是使用虎子山大地基準(TWD67),目前大多數台灣的各類地圖資料因屬早期製作,所以大多為TWD67大地基準;直到近期重新訂定1997台灣大地基準(TWD97),新產製的各式地圖資料逐漸改採TWD97大地基準。

 以下僅針對世界通用的WGS84與台灣常使用之TWD67與TWD97做說明,三種大地基準比較如【表1】所示,其中TWD97與WGS84的坐標系統較為接近。TWD67與WGS84差異較大,若將以TWD67坐標系統為基準製作的空間資料套疊於WGS84坐標系統的底圖上,會產生約800公尺的誤差。這亦是許多GPS使用者在GIS上瀏覽或處理空間資訊時,常因混淆兩種坐標系統而碰到的誤差問題。

表1  WGS84、TWD67與TWD97大地基準比較表

 由於地球是一個橢球體,要將3D的球體弧線轉換為2D的表現方式,就需要使用地圖投影,常見的投影坐標有世界通用的經緯度投影坐標以及台灣使用的二度分帶投影(Taiwan Grid或簡稱TM2)坐標兩種。以台灣中心地理中心碑的位置為例,可知同一空間位置以不同坐標系統與不同投影坐標表示的差異【表2】。

表2 台灣地理中心碑位置之不同坐標系統與不同投影坐標表示法

 在使用GPS時,只要把握住一個原則,所有GPS所接收的衛星資訊均以WGS84坐標系統與經緯度投影坐標為設定值,如【圖2】中所示。一般使用者在GPS接收器中手動設定坐標系統(Map Datum)為WGS84、TWD67(虎子山)、TWD97或是設定投影坐標(Position format)為經緯度或二度分帶,都只是提供給使用者「看」或「抄寫」,GPS接收器上這些設定值並不影響原始GPS的數據字串的記錄與儲存,只有後續需要套疊在以不同坐標系統為基準而產製的各類底圖上時,才需進行坐標轉換。相關坐標轉換可參考中央研究院自行開發之「線上坐標轉換程式」或「單機WGS84_TM2程式」。


圖2 GPS坐標系統與投影坐標設定(圖片來源

生活應用

  GPS的生活應用千變萬化,以下僅就目的地規劃與導航、旅遊記錄與協尋功能等三種應用做介紹。

1.目的地規劃與導航

 隨著國民所得成長,國民對於旅遊品質的要求也逐漸提升,其中,旅遊資訊的正確性、豐富性以及易讀性是旅遊品質優劣的關鍵因素之一;此外,經濟的快速成長與商業活動遽增,需到外地出差的機會亦倍數成長,到了人生地不熟的地方如何能快速正確抵達洽公地點,亦成為高度需求。

 基於上述需求,GPS充分發揮了導航功能,亦發展了各式的機種與運作模式,大致上可分為GPS接收器+PDA、PDA整合GPS晶片、GPS汽車導航機以及GPS車機系統等四大類【註四】、【註五】;而導航的服務對象模式亦涵蓋步行、腳踏車、機車、汽車等,並隨著不同服務對象的需求以及環境條件,來選擇合適的GPS導航模式。網路上亦有許多相關論壇與討論群組,例如mobile01、導航王GPSgogoShowMap地圖生活網等,在GPS的相關產品、應用性與功能測試方面均有豐富與深入的探討。

 此外,結合豐富、完整的地理資訊圖資(GIS圖資),透過國內外地圖網站的服務如Google Map、Ur Map【圖3】或熱門的單機式導航軟體(GIS地圖),如Papago【圖 4】、【註六】、Tom Tom、RoadEasy等。透過網站式或單機式的服務,可提供使用者完整的導航資訊,從出發前的資訊完整提供、計畫完善規劃,到旅途中的導航協助,均可順利達成任務。透過這些導航軟體,亦可發佈自製的旅遊或行程資訊,與大家分享。目前國內亦有暢銷的汽車導航紙本地圖,如全省衛星導航旅遊地圖書系列,上面標示經緯度坐標,亦可提供給沒有導航軟體的民眾,以「純」GPS接收器找到目的地。

 
圖3 結合衛星影像之網站式地圖導航服務


圖4 單機式導航軟體

2.旅遊記錄

 清朝初年(1697年),因為福建福州的硫磺需求,郁永河先生來台採硫磺,停留近一年的時間,足跡自台南安平北上至北投淡水,並留下《裨海記遊》,除了是一本遊記外,也記錄了台灣早期原始地形地貌以及所見之平埔族風情。

 當時的郁永河先生只能以文字記錄地名以及所看到的人事物,透過現今的空間科技與豐富的空間資訊,我們可以將《裨海記遊》的內容,依據地名的空間資訊,製作出路線圖【圖5】。


圖5 郁永河《裨海記遊》路線圖

 試想,若郁先生當時有數位相機與GPS,他的記遊內容可能會更豐富精彩。結合了數位相機與GPS【圖6】,人們不用改變旅遊習慣,也不會增加操作上的負擔【圖7】,照樣開開心心地出遊。關鍵性的差別在於結束遊程時,面對數量可觀的相片,再也不用絞盡腦汁地回想照片的拍攝地點,透過商業軟體的處理,你可以輕鬆的將基本相片資訊,如拍攝的日期、時間、坐標、拍攝時所在的海拔高度、乃至於拍攝的方位,全「貼」在照片上【圖8】。從此,與親朋好友分享這些照片的同時,所有的旅遊基本資訊一目瞭然,增添許多樂趣。

 
圖 6 當GPS遇上數位相機


圖 7 輕鬆攜帶GPS(背景:玉山塔塔加登山口)


圖 8 空間資訊與照片之整合(中研院史語所邢義田研究員嘉裕關城貌拍攝)

 拜科技進步所賜,全球搜尋引擎龍頭Google於去年度推出免費3D衛星影像導覽軟體Google Earth【註7】,該軟體乃Google併購專門開發並展示三維數位地球之Keyhole公司,並改良先前的軟體版本。Google Earth免費版本提供了全世界各地不同等級(影像解析度)之衛星影像;部份國度都市地區更提供了解析度高達0.61米的衛星影像。對於一般的使用者而言,能獲得如此龐大且免費的資源,是一個非常理想的使用平台【註8】。

 旅遊過程中,GPS會盡忠職守地自動記錄旅遊過程的路線與空間坐標,經過後續處理寫入數位相片檔案的EXIF中。透過Google Earth,您可非常容易地將GPS所記錄的旅遊路線(也可能是你個人的私房景點或旅遊路線)與全世界分享【圖9】、【註9】;將旅遊所拍攝的照片自動且在地圖上正確地顯示位置,可同時對照平面拍攝的照片與鳥瞰的影像也不再是遙不可及的事【圖10】。

 此外,網路上亦有不少網站提供大眾交流旅遊景點資訊的平台,例如:休息一夏7tour.us景點分享網站等。


圖9 台灣第一高山-玉山登山路徑


圖10 數位相片、GPS與Google Earth的結合


3.老人、孩童以及寵物協尋

 GSM的高普及率以及網路技術的快速發展,使得整合GPS、GIS與GSM 而成的協尋裝置於歐美國家已蔚為風潮,國內經由推廣亦逐漸普及。此類協尋裝置可置於家中老人、孩童或寵物身上【圖 11】,若發生協尋事件時,家人、飼主透過GSM聯繫協尋器,協尋器會自動由發射器送出GPS定位訊號【註10】、【註11】。在無GPS定位訊號時,亦可透過GSM定位方式,於手機或網路地圖上得知協尋對象位置。


圖11 結合GPS、GSM之寵物協尋裝置(圖片來源

結語

  隨著科技的突飛猛進與人類生活的進步,GPS的應用與發展如雨後春筍般湧出,許多無法實現的夢想與任務--動植物保育研究(棲息環境、遷徙路徑)、自然環境監測(地震、土石流)、休閒活動(登山、船帆、輕航機等旅遊路線導覽與紀錄【註12】)、社會安全(老人孩童行動安全輔助)、環境保護監測(廢棄物傾倒監測、廢油清理)等均能一一具體實現。

  本文所介紹的的GPS應用僅是九牛一毛,期許透過本文的介紹,讀者們能對於GPS能有基礎的認識與瞭解,未來甚至能發揮想像力與創造力【註13】、【註14】,增添GPS的應用層面與樂趣。

參考資料

【註1】:安守中,GPS全球定位系統入門,全華科技圖書股份有限公司。

【註2】:台灣國際航電

【註3】:北斗星通

【註4】:DW、Haily 等,GPS 選購、導航、旅遊、應用 快易通,2005,旗標出版股份有限公司。

【註5】:阿尼吉,GPS完全活用指南,電腦人雜誌,2006。

【註6】:簡良益、蔡長欣等,PaPaGO!SDK Mobile行動GIS系統開發實務,2005,研勤科技股份有限公司。

【註7】:Google Earth

【註8】:范成楝,應用Google Earth實現三維房屋模型之空間資料套合,2005,中央研究院《計算中心通訊》第21卷21期。

【註9】:登山補給站

【註10】:Petmobile

【註11】:沛錸寵物線上生活資訊網

【註12】:Cooke, Donald,Fun With GPS,2005.

【註13】:GPS Support

【註14】:Geotagging Photo Test WebSite




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