全球衛星定位系統介紹

GPS、地圖與登山活動(二)

台灣國際航電股份有限公司
何明興　經理
e-mail：MH.Ho@garmin.com

編按，本文為民國88年到90年，本會承辦體委會一十二個梯次高山嚮導研習會，講師何明興經理講稿。

新安全休閒世紀

工作與休閒
21世紀將是注重效率與休閒的時代，大部份人們的日常生活將潛移默化的兩極化：平常每天均需將大量的工作，想盡辦法利用資訊科技、便捷運輸，絞盡腦汁，以最具效率的方式，完成最後的任務；週末假期便是追求完全的身心釋放，以舒緩多日的壓力與疲勞。

人類本能與科技
科技帶來便利，也帶來冷漠；能輔助人類先天之不足，也易讓人失去原有的本能。我們唯有傳承傳統技術與結合現代科技，講求知性與安全，才能享有真正的休閒活動。

GPS基本說明

定位功能
自1970年代設計及建置，以分佈在兩萬公里高空的24顆繞極衛星，利用約1.57GHz高頻的無線電波向地球表面24小時不間斷的廣播他們的軌道資料，而地面上的GPS接收機，便接收這些從太空中不同方位直接傳送過來的資料，並轉送到接收機去解算出天線所在地的座標，所用到的原理就是三角測量原理，也就是說必須至少接收到三顆不同方位的衛星資料，才能計算出我們所要的資料－座標值，利用這個座標資料，我們就能輕易的配合地圖來標定我們自身所在的位置，這就是GPS的基本功能。

導航功能
上面已經提到 GPS 接收機的主要功能乃定位功能，也就是計算出座標（在台灣常看到的座標表示方法，就是經緯度及二度分帶方格座標），然後將這個座標資料儲存起來，等下一秒鐘時，就又會有最新的座標資料產生，而GPS 接收機內所設計的軟體只要利用這些不同的座標變化，就可以計算出行進的方向與移動的速率了，這就是由定位功能所延伸出來的導航功能。

航點功能
任何一種GPS接收機，座標資料就是他們的基本資料庫，利用這個資料庫，再設計出其他的功能，在GPS領域裏，這個資料庫被稱為：WAYPOINT，在中文的翻譯中有許多名稱，一般較多的稱法為航點。 而航點的建立基本上有三種：

現地標定法： 就是我們拿著一台接收機行走，到達目的地或重要地標後，直接把座標資料儲存起來。
地圖標定法： 利用現有地圖或座標資料，將我們的目的地座標先標繪出來，再以手動方式輸入到GPS接收機的航點資料庫內。
電子地圖法： 就是由製造商先行將電子地圖資料庫，燒錄在接收機內或經由電腦軟體上載至接收機內。

一台接收機有了航點資料，就可以讓接收機的軟體開始發揮各種導航功能的編輯與設定，也是我們可以應用的最基本功能。

GPS的特性

當我們要應用GPS當成我們的安全休閒及定位的輔助工具，就必須要了解其特性，知道他的優點及限制，才能真正發揮GPS的功能。

誤差因素： 星曆誤差、衛星時鐘誤差、接收機時鐘誤差、電離層延滯誤差、對流層延滯誤差、多路徑信號傳送誤差、接收環境及人為干擾誤差等，由於有這些誤差因子存在，而且每一秒鐘的變化均不相同，影響了GPS接收機每一時刻的定位準確度，不過在現今美國政府政策的開放、GPS接收機的設計技術提高下，已逐漸將誤差的影響程度降低。

準 確 度： 由於GPS是由美國國防部所管理，為其本身國防安全，僅開放部份功能（C/A code）給民間所使用，在正常理論及標準環境下，現今一般較具水準的個人用GPS接收機定位出來的位置準確度，其統計平均值約在半徑15公尺以內，但是由於受到上述誤差因素，都會使定位的準確度降低，影響最大的是美國國防部的選擇性干擾，屬於一種隨機性的干擾，使得定位的準確度降至半徑100公尺以上，為的是其國防安全因素考量。
但在2000年五月二日後，美國政府已宣佈停止一般性的干擾，只會在特定事件及區域中進行干擾，以提高一般定位之準確度。
在此之下，以GARMIN的GPS接收機做分析：
（在可進行三度空間定位的環境下，台灣地區）
水平定位準確度： 95 ﹪的時間，在半徑10公尺內。
50 ﹪的時間，在半徑5公尺內。
高度定位準確度： 約是水平誤差值 ×1.25～1.65倍間。
這在目前所有的個人定位儀器中，已經是相當準確與方便了。

環境限制： 由於GPS的衛星在兩萬公里高空，信號微弱，穿透力不強，加上利用三角測量原理，需要的是直線傳輸的信號，因此下列環境，都是影響信號接收的因素。
水泥實體：一般的房屋室內環境、高樓大廈實體。
金屬物質：金屬車頂、鐵皮屋內、含金屬成份之隔熱紙。
遮蔽實體：峽谷谷底、濃密的樹林。
無線電波：產生相近於1.57GHz附近之電波環境，如高壓電塔下。
在上述環境下，是很容易收不到衛星信號而無法定位的，而氣候基本上並不太會影響其定位功能的。

地圖定向定位技術與GPS
地圖定向定位是一種技術，也是個人的一種求生自救技能，我們應該人人都要學習，而GPS是科技的產物，用以輔助個人技術之不足及減少人為誤判因素。由此可知，兩者是並行不悖、相輔相成的，將GPS列入標準登山裝備，應是實務需求而非流行炫耀。優缺點分別說明如下：

GPS部份
缺點：接收環境的遮蔽限制。
優點：定位快速與客觀、不易受氣候限制。

地圖定向定位部份
缺點： 個人判斷技巧及氣候不佳之限制。在山區中會應用到定位技術的時機，大都是身處視野不佳或路線不明確時，希望藉定位技術來確認位置，但是若遇上大霧等氣候，就無法用地圖定位的方式。
優點： 不受地形地物之限制，任何山野陵線、河流溪谷，皆是判斷辨認之依據。

由此可知結合GPS與地圖定向定位技術是相輔相成的最佳模式：
先以地圖定向定位技術，與地圖做比對，判斷出目前的位置，再以GPS快速準確的計算出所在位置的座標，雙重檢測出目前位置的座標，降低誤判機率，此種模式為結合技術與科技的最佳狀態。

地圖與GPS
Map Datum：大地座標系統
Coordinate ：座標顯示格式
GPS在全世界任一地區均能使用，但是由於每個地區或國家幅員大小差異極大，加上測繪地圖的年代基準不一，所以在不同地區或國家，拿到地圖即需注意上述兩項標識。

GPS接收機出廠時，一般的內定值一般如下：
大地座標系統：WGS84─1984年所定的大地座標系統。
座標顯示方式：經緯度。

而如台灣地區目前所正式公告使用的大地座標系統有兩種：
TWD67： 依1967年所定之大地座標系統，或稱虎子山大地座標系統，為目前較為通用之系統，尤其是地形圖部份。此系統與一般接收機出廠時的內定值不同，若未經更改設定而直接使用，則所得到的座標值與台灣區的地圖一比較，您將發現會相差近 900公尺，所以在使用GPS 時，需注意這項設定！同樣地，若是到外國地區，也必須了解當地地圖的大地座標系統為何種名稱。
TWD97： 依內政部所頒發之最新1997年大地座標系統，此系統即與WGS84系統相近，在一般導航級GPS接收機的應用中，可說是等於WGS84系統，目前大都是應用在921地震後之中部地區重測之航照圖。

座標表示格式，台灣地區常用的有兩種：經緯度與二度分帶方格座標
依所用的地圖標示為準，在選用GPS時，需注意是否該接收機的這兩項規格，是否有符合當地的座標系統設定，以供轉換。

經緯度與二度分帶方格座標表示法的差異
經緯度座標表示法是以度、分、秒的方式表示，如同時間的時、分、秒般的以六十進位的方式來計算，如60秒＝1分，60分＝1度 ，而因為地球是橢圓型球體，因此在台灣地區附近，經緯度中，每相差1秒，相隔距離約等於29公尺遠，每個緯度的代表距離都不相同（因地球是橢圓型的）。
例：N 25度30分00秒 與 N 25度30分01秒間，就相差約29公尺了。

而二度分帶方格座標的表示方式，則是假設在某一小區域內，將地球表面視為一平面，然後將此區域以1公尺為單位細分出格線，因此在二度分帶座標中，數值每差1就代表相距1公尺，非常方便。
例：縱座標2750000與2750001間，就是相距1公尺遠。

電子地圖的發展
在台灣，相信每個登山愛好者均有相同的困惑：紙張地圖那裏買得到？貴不貴地圖準不準確？內容有無完整？更新速度如何？當然還有看不懂的問題。

不幸，上述問題的答案幾乎都是負面的，由於台灣地區衛星遙測科技不足，所有的大區域紙張地圖都必須用航空照相測量的方式，相當耗時耗工，也導致上述問題尚無法解決，沒有快速準確的測繪，就無法有最正確的地圖（當然也就沒有可用的電子地圖），想將台灣地區山區正確的等高線圖及所有登山設施整合入GPS接收機中，看來尚需一段時間的等待，這也是美中不足之處。