【Maker 電子學】GPS 接收器的原理與應用—PART 1

Posted By Liang Bird on 2 月 28, 2022 in GPS, Maker電子學, 教學文 | 0 comments

由於最近在一些 Arduino 和 Maker 社群中看到關於 GPS 接收模組使用的問題與討論，因此接下來幾次的篇幅我想來聊聊 GPS 原理、它提供的服務和功能、接收器原理/應用和限制等主題。

GPS 的組成

很多人都應該聽過，GPS 是由美國國防部打到天空中的二十幾顆衛星所構成。精確一點來說，第一批正式運作的 GPS 衛星是在 90 年代陸續打上去的，總共有 21+3 顆衛星：21 顆工作衛星及 3 顆備援衛星。

最早 GPS 的軌道設計是將 24 顆衛星分配在 6 個軌道上，每個軌道是一個與赤道夾角呈 55 度的圓形軌道，距離地球表面約 2 萬公里。如果我們利用麥卡托投影把世界地圖攤平，再把 GPS 衛星的軌道投影到世界地圖上，就會看到跟赤道呈 55 度角相交的直線：

（圖片來源：Bird 提供）

像這樣的投影直線總共有 6 條，分別對應到 GPS 衛星分布的 6 個軌道，軌道與軌道間在赤道上相距 60 度，平均分布。不過，軌道在地面的投影只有在中低緯度地區才是直線，到了高緯度地區由於投影誤差的關係，軌道會變成圓弧形的，而且由於 GPS 的軌道面與赤道有 55 度的夾角，沒有一個軌道會通過南北極，因此 GPS 衛星最北或最南就只會飛越南北緯約 55 度的地區，不會再更北或是更南。

但所謂「飛越」，指的是衛星可以出現在投影位置的正上方，也就是天頂。GPS 衛星雖然不會直接出現在高緯度地區的天頂，但由於它與地表的距離有 2 萬公里左右，在更北或是更南的地區仍然看得到進入高緯度地區的衛星，只是仰角沒那麼高而已。

現在有很多 App 或是網站可以幫我們計算、模擬 GPS 衛星的位置，像下面這張圖：