最先發射全球定位衛星系統的國家是哪一個?

什麼是GPS ?



全球衛星定位系統（Global Position System, GPS）為美國國防部開發，利用規模遍及全球的人造衛星之航法系統，由24顆人造衛星所構成，其中包括三顆預備衛星。利用對民間開放的C/A碼標準測法，能得到數十米的精度，為無線電定位法的一種。
衛星定位系統整體運作上可分成三部份：太空部分、地面部分以及訊號部分。


太空部分
目前 GPS 衛星已發展至 Block II 型式的定位衛星， 由Rockwell International 製造，在軌道上重量約 1,900 磅， 太陽能接收板長度約17 呎，預期壽命為7.5年，於 1994年完成第24顆衛星的發射，整個GPS 系統正式宣告建構完成。因此目前太空中有24顆GPS 衛星可供定位運用，它們平均分佈於6個軌道面，每個軌道面上各有 4顆，距離地面高度約10,900海浬 (大約20,000公里)， 呈55°角傾斜繞行地球運轉，繞行地球一周需 12 恆星時，每日可繞行地球 2周，這也就是說，不論任何時間，任何地點，包含北極, 南極，至少有 4 顆以上的衛星出現在我們的上空。
訊號部分
GPS衛星產生兩組隨機電碼，一組稱為C/A碼，一組稱為P碼。C/A碼主要開放給民間使用，因此在精度上刻意降低，P碼則是美國國防部保留為其軍事用途的電碼，精度比C/A碼高很多，因此設有密碼，一般民間使用者無法解讀。一般而言，GPS衛星傳送兩種頻率的載波， L1 (Link 1) 載波的頻率為1575.42 MHZ，L2 (Link 2)載波的頻率為1227.60MHZ。
地面部分
地面設施部分主要包含GPS監控站與使用者接收設備兩部份。

監控站
包括一個主要控制站（Master Control Station）、五個監測站（Monitor Station）－分佈於夏威夷、亞森欣島、迪亞哥加西亞、瓜加林島、科羅拉多州、三個地面控制站（Ground Control Station）等。監測站主要負責追蹤所有衛星的運行位置、時間、氣象資料及電離層資料等，將每15秒觀測到所有資料，計算出每15分鐘一組的平滑化數據（Smoothed Data），傳送到主控制站後，由主控制站加以統合，計算出衛星星曆、時錶修正量、電離層改正係數，再轉換成導航訊息，以維護衛星系統的精度與正常運作，此部份由美國國防部負責，使用者無從瞭解也毋需瞭解此部份的技術。
使用者接收設備
主要是一個衛星訊號接收器，依照不同的目的而有不同的定位能力，基本的功能是接收L1載波，分離出C/A電碼，進行最簡單的虛擬距離定位，也是一般車輛定位所使用的機型。其中必須注意的是：GPS衛星產生兩種不同的載波來承載所有電碼與訊息，其中C/A碼僅調置在L1載波上，P碼則分別調置在L1與L2載波上，並區別為P1與P2電碼，但美國軍方目前僅開放C/A碼僅民間使用。而一般間使用之接收機可經由差分修正(DGPS差分定位)達15呎或更加之準確度。但使用DGPS訊號需付費，一般使用者應考量成本及使用目地是否需要到如此精準。如做汽車導航您所需要知道的是您的相對位置配合您所使用之電子地圖，無需使用到那麼高精度之定位。




GPS 的基本定位原理



　　GPS 的定位是利用衛星基本三角定位原理，GPS 接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來量測距離，以距離來判定衛星在太空中的位置，這是一種高軌道與精密定位的觀測方式。假設衛星在11,000英哩高處，測量我們的距離，首先以11,000英哩為半徑，以此衛星為圓心畫一圓，而我們位置正處於球面上。
　　再假設第二顆衛星距離我們12,000英哩，而我們正處於這二顆球所交集的圓周上。現在我們再以第三顆衛星做精密定位，假設高度13,000 英哩，我們即可進一步縮小範圍到二點位置上，但其中一點為非我們所在的位置極有可能在太空中的某一點，因此，我們捨棄這一點參考點，選擇另一點為位置參考點。
　　如果要獲得更精確的定位，則必定要再測量第四個顆衛星，從基本物理的觀念上來說，以訊號傳輸的時間乘以速度即是我們與衛星的距離，我們將此測得的距離稱為虛擬距離，在 GPS 的測量上，我們測的是無線信號，速度幾乎達18萬6千英哩/Sec的光速，而時間卻短的驚人，甚至只要0.06秒，時間的測量需要二個不同的時錶，一個時錶裝置於衛星上以記錄無線電信號傳送的時間，另一個時錶則裝置在接收器上，用以記錄無線電信號接收的時間，雖然衛星傳送信號至接收器的時間極短，但時間上並不同步，假設衛星與接收器同時發出聲音給我們，我們會聽到二種不同的聲音，這是因為衛星從11,000英哩遠的地方傳來，所以會有延遲的時間，因此，我們可以延遲接收器的時間，從此延遲的時間╳速度，就是接收器到衛星的距離，此即為 GPS 的基本定位原理。
　　那麼GPS衛星究竟傳輸那些資料呢？衛星所傳輸的訊號包含有偽亂碼(Pseudo random code)、星曆資料(Ephemeris:英語發音為ee-fem-er-is)及Almanac。
1、偽亂碼(詳細請參見"GPS測距碼的作用")可幫助我們知道衛星訊號是由那一顆衛星所傳輸下來，所以偽亂碼即是一顆衛星的身份證(ID code)。其衛星編碼從1至32。因此我們可從GPS接收機上看到所接收到的衛星編號。但為何超過24個偽亂碼呢？這是因為當有新的替代衛星發射啟用時，可馬上給與這顆替代衛星一個新編號，當真正被淘汰的衛星不能使用時，就取代淘汰的衛星。
2、星曆資料含有衛星是否健康或不健康之資訊、現在日期、時間，這些資料使您的接收機知道現再時間日期其決定您目前的位置。
3、Almanac傳輸軌道資訊告知接收機各衛星所在天空之位置。
　　簡單的說GPS時如何運作：每一顆衛星會告訴您使用的接收機三件事，我是第幾號衛星，我現位置在那裏，我什麼時候送這訊息給您。當您的GPS接收機接收到這些資料後會將星曆資料及Almanac存起來使用，這些資料也用做修正GPS接收機上的時間。
　　GPS接收機比較每一衛星訊號接收到的時間及本身接收機的時間的不同，而計算出每一衛星道接收機的距離。接收機若在接收到更多衛星時，它可利用三角公式計算出接收機所在位置。三顆衛星可做所謂2D定位(經度及緯度)，四顆或更多衛星可做所謂3D定位(經度、緯度及高度)。接收機繼續不段地更新您的位置，所以它可計算出您的移動方向及速度
　　另外影響GPS接收機準確度的因素是衛星(satellite geometry)，(satellite geometry)是指以接收機為基準，各衛星的相對位置。GPS接收機與它所接收到訊號的衛星所構成的角度，會影響到定位的精準度﹐角度過小﹐或者接收到的衛星太過聚集﹐都會降低定位的精準度。衛星與衛星的角度小時，相對於角度大時，會產生較大的定位誤差。現在以二顆衛星為例說明，請看圖示(Please wait)假設衛星A及B於瞬間不移動，而且假設衛星A沒有受到其它干擾既衛星A提供非常準確的定位資訊，此時假設衛星B啟動SA或受其它干擾造成定位訊號有誤差時，接收機會認為衛星B的位置會是在衛星B1之位置，結果造成CD線段的誤差量，兩衛星的夾角大時CD線段較小，因此定位會較準確。如果這四顆衛星分佈在各不同方向，其定位的準確度會大大提升。若四顆衛星各分佈在東、西、南、北，則此時各衛星訊號交會面會更小，會使定位精度更高，既使有SA也可達100呎或更好的準確度。
　　當我們使用GPS接收機於車內、接近於高建物或隆起之高地，這都會造成衛星訊號被阻擋，所接收到的衛星數目減少，當接收機周邊越多阻礙物時，接收機就越難定位。但接收機接受到很多衛星時並不一定更精確，這還與衛星在天空的位置(azimuth and elevation)也會影響其精確度。
　　另外會影響其精確度的是叫"多重路徑"。簡單的說多重路徑就是無線電波被障礙物所反射。多重路徑的實例就是以往黑白及彩色電視機利用天線接收時，電視會發生多重影像，現在電視接電纜線再也不會發生這種情況。衛星訊號也會發生訊號受到反射而延遲到達接收機的時間，這會使接收機認為衛星北實際位置更遠，但這誤差不會超過15呎。
其它誤差還有受大氣層的影響含離子層及對流層，內部時鐘誤差。
　　常有初學者問買怎樣的GPS接收機最好？這沒有正確的答案，可從下面來討論：首先您要問自己要做何應用？買接收機是要買適合您的應用，如果您有特別需求若是要放在車上，一掌上型的接收機就可使用。若您需要海上或航空使用時就需要含有導航的資訊，此時您需要一更經確的接收機或含有所在地地圖之接收機。若是海上使用您還可能需要可看深度之接收機。
　　當您決定所使用之範圍，通常您就可選擇一適當之接收機，而通常都會有好幾種機種及價格。是否選擇高單價機種或額外的付屬套件，端視是否符合您的需求。如果發現有好幾種機種可要求試用是否符合自己所需，有的在操作上一機種較另一機種較容易。