影響GPS定位的環境殺手

發表於 2013/10/04 63,671 次點閱 3 人收藏 0 人給讚
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為了參加2030年的變形金鋼超級馬拉松,大黃蜂和柯博文相約一起練跑。大黃蜂拿著一個從古董店買來、超過10歲的GPS接收機,在南京東路辦公大樓騎樓起點開啟,沒想到過了30秒,GPS依舊顯示尚未定位。沿著林森北路跑步期間,GPS定位時有時無,大黃蜂正懷疑是不是GPS故障了,但到了視野開闊的新生公園,定神一看,這台古董GPS卻是活龍活現,收訊好的很!「GPS怎麼了?」大黃蜂不禁開始苦惱…

傳統的GPS定位儀,不論使用者是在陸地、海面或是空中,都可以精確測量出所在位置的座標值。一般狀況下,誤差值約是半徑10公尺左右,以城市街道來說,大約就是巷子的寬度。但衛星是處在兩萬公里高的運行軌道上,其傳送的訊號相當微弱,因此它不像手機可在室內收到訊號,需在戶外及天空開闊度較佳之地方才能使用。影響GPS的定位有三大環境限制:

一、高樓大廈:
電磁波是直線前行,前方若碰到像水泥實體的障礙物,會產生反射或折射現象造成誤差。GPS訊號也是電磁波,所以會有相同的狀況。因為GPS定位是應用三角定位原理,最少要收到3顆以上的衛星,才能算出所在位置的平面座標(例如:經緯度座標),因此道路兩側若是高樓大廈林立,能接收到的訊號相對變少,訊號強度也會變小。就如台北市林森北路路段,此地點GPS訊號相對就會比較差。此外像是高樓間的小巷弄,也會出現類似的問題。


搜尋衛星中的GPS接收器
 

二、濃密樹林或金屬物質屏蔽:

在茂密的闊葉樹林區中(一般會發生在海拔2000-2500公尺以下的區域),層層的樹葉與枝幹就像是一座水泥牆般,會阻擋太空中的GPS訊號,降低GPS訊號穿透強度,這會讓接收機將無法獲得足夠的衛星訊息,來計算出所在位置之座標,所以也較不容易定位。

另外由於金屬物質對電磁波具有屏蔽效應,像在鐵皮屋內就收不到GPS衛星訊號。一般車用隔熱紙是透明的,不會影響GPS訊號。但若隔熱紙含有太多的金屬成分(幾乎看不到車內且會反光的類型機率較高),所以整輛汽車若連隔熱紙都是使用金屬成份很高的產品,會有較不容易定位的狀況。反之,擋風玻璃的開闊視野,對於訊號的接收不會有太大影響。

三、高壓電塔:

請勿在具1.57 GHz 左右之強電波環境下使用GPS,特別是在高壓電塔附近。因為在輸配電過程中,很容易產生不同頻率的電磁波,而去干擾到GPS訊號的接收與解碼,造成訊號被屏蔽或是定位誤差變大的情形。電塔干擾距離視其電壓而有所差異,一般來說若在距離20-30公尺外,GPS大概就不太會受到影響。

除此之外,因為GPS 的運作原理,是由太空中的衛星透過無線電訊號,將資料傳送至地球表面。傳送過程中所受到的干擾相當多,也影響著GPS 定位的準確度。而造成GPS 誤差的因素很多。

一.GPS 衛星本身的誤差:

即使衛星是非常精密的設備,卻不代表它是完美的,時間久了仍會有一些微小的誤差產生。衛星定位並非每一秒都處於被監控狀態,期間一旦有微小定位誤差產生,像是衛星軌道計算或衛星上的原子鐘時間偏差,便會影響接收器在定位計算時的準確性。


太空中的GPS衛星

二.信號傳送的誤差:

有大氣層延遲、多路徑傳送等誤差影響。因大氣層會讓衛星訊號產生角度偏離,導致距離的測量產生偏差。多路徑則是指訊號到達接收器時,通常會經過各種地面物質的反射,因此會造成訊號的重疊而產生誤差。

三.GPS 接收器的誤差:

有天線相位中心偏差、時表誤差。所謂天線相位中心偏差,是指GPS 接收器天線隨著訊號輸入的強度與方向不同,與實際位置有所差距,而造成微小誤差。時表誤差是指接收器之時間與GPS 標準時間的差異。

四.人為因素造成的誤差:

原本美國國防部基於國家安全考量,在衛星訊號中加入人為的選擇性干擾,以降低其精確度,即是所謂的SA(Selective Availability)效應。但到了2000年柯林頓總統期間,決定取消選擇性干擾政策,並提升定位準確度,將正常定位的誤差降至半徑10米以內。

在瞭解了GPS的使用環境限制,還有造成衛星訊息誤差的原因後,原本苦惱的大黃蜂,臉上終於露出了笑容。此時旁邊的柯博文突然露出老大哥沉穩的聲音:「我是柯博文,我採用全新高感度GPS接收機,可以提昇訊號接收能力,增強定位的能力。」原來,近年來由於高感度 GPS晶片與天線的研發成果,克服了一些訊號遮蔽的問題,也增強了在開闊度較差的環境定位能力,尤其在都市叢林中幫助最大,更促成GPS腕錶產品的產生。

 

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(資料來源由Garmin 提供)

 

 

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