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GPS衛星定位系統第二章：原理篇 張嘉麟 jlchang@mail.knu.edu.tw 時間概念(1) 大自然的緣起緣滅、生生不息都不需要時間來衡量 時間概念是人為產生 日日月月 春夏秋冬 歲歲年年 中國有史以來皆以月亮週期作為日期單位，稱之為陰曆，陰曆在「年」的計算上有誤差，為了符合一年四季的變化，以「閏月」來作修正。 西方主要以太陽運行狀態作為時間觀念，稱之為陽曆 時間概念(2) 陽曆的計算概念，日出到另一個日出為一天；但即使在同一地區不同節日，日出到日落時間都不一樣。但每天都會有太陽運行到「最高點」的時間，因此定義此時間為每天正午12點。 要讓全地球有共同時間依據，訂定英國格林威治皇家天文台為地球時間標準(Greenwich Mean Time簡寫GMT)，此時間亦稱作通用時間(Universal Time Coordination簡寫UTC) GPS時間(1) GPS整體系統運作必須在一個統一的時間系統，也就是說不論衛星的運動狀態、地球的自轉和公轉、地面接收站及接收端的位置等，都必須使用同一個時間標準，時間標準系統有三個功能： 作為GPS系統計時標準：簡少GPS系統內的時間同步誤差 作為時間記號：時間記號是抵達時間的根據，方可計算GPS衛星與接收端的距離 作為地面的時間標準：作為需要精密時間裝置的時間標準，例如電腦網路同步、無線通訊系統等等 GPS時間(2) 地球不是一個理想的圓球體，因此通用的時間標準與理想的時間標準之間會有一個誤差，UTC將此誤差調整在一秒之內；因此UTC通常選擇在每年的一月一日或七月一日作閏秒，來修正誤差。 世界上沒有兩個原子鐘的時間是完全一樣的，國際重量及測量局 BIPM 負責國際間原子鐘的時間測量及計算，它透過網路每五天檢查一次分佈在全世界 50 個時間實驗室的250個原子鐘，計算結果作國際原子時間 (TAI) 的標準。為了與UTC銜接，這個時間決定為UTI時間標準，1972年國際間決定以UTI取代UTC作為世界時間的標準。 科學界希望UTI與UTC的時間差維持在0.9秒之內，因此引入了閏秒的概念，始物理界與天文界的時間標準一致。 GPS時間(3) 每一個GPS衛星攜帶四個原子鐘，發射前與地面控制站的原子鐘校正，在軌道運行時仍然由地面控制站作時間的校正。 GPS系統時間本身並不作閏秒的調整，因此地面控制站須將GPS衛星原子鐘校正到與UTC標準時間的誤差在1微秒之內。 GPS的計時沒有月和年，他是以西元1980/01/06零時為第一個星期，一直累加上去，因為「導行信號」中的周數只有10個位元，因此1024週之後(2000/08/21)必須歸零重新算起。 一周的計算，由星期六到星期日的午夜「歸零」重新計算。 GPS時間(4) 應用端使用者設備的時間是本地時間，所以GPS接收後要轉換成本地的UTC時間。例如台灣時間是UTC時間加8小時，接收GPS的UTC時間在台灣使用就要加8小時。 衛星訊號中的「導航信號」的各種傳送格式都包含有經過轉換的日期及時間，是方便使用端的應用，使某個資料時就直接有時間資料，不需另外擷取。 因為GPS的時間比任何一般使用者的計時器更準確，目前已有研發完成的GPS手錶，他是利用接收GPS信號取出時間信號。 原子鐘 日常使用最短的時間單位是秒，計算時間通常以頻率作為計算時間的工具，例如牆壁上的壁鐘，以鐘擺來回擺動一次的一個週期作為一秒。 表示單位越小，則計算越精準，因此時鐘的計時週期越短(頻率越高)則精準度越高。 石英震盪頻率每秒約五百萬赫茲(Hz)，因此計實際的準確度一大進步。 銫原子鐘的震盪頻率是9192631770Hz，1995英國研發成功第一個銫原子鐘，準確度是三百年誤差一秒內。目前的準確度更進步到140萬年有一秒的誤差。 原子鐘工作原理 激發輻射頻率，如果最外層電子因為吸收激發光子的能量，可跳到較高層的軌道，同時輻射狹窄的頻率。這個頻率的波長可被量測作為計時的標準。金屬原子銫和銣是世界上製作原子鐘的兩種材料，因為它在常溫為液態且頻率穩定 將常溫時為液態的銫在加熱爐裡加熱使其氣化。汽化的銫原子由爐子裡的一個洞中高速逃脫，這樣就捕捉到了汽化的純銫原子。此汽化銫原子再通過一個電磁場，其場效應使銫原子依其所處能階分成兩群。低能階的銫原子通過U形管的尾端，並在該處接受3.26公分波長微波的輻射。一部分銫原子吸收此微波的能量，由低能階激化轉變到較高的能階。 激勵後的銫原子在返回原來位階時發出頻率穩定的微波，調整與此微波共振的振盪器頻率，使輸出達到最大值，這個頻率是銫原子的共振頻率，也是原子鐘的計時基本頻率 Why GIS GPS系統不論在定位或導航的應用，都要使用電子地圖(e-map)，而電子地圖證是地理資訊系統(GIS)的主要科目。 GIS定義 一般定義：一個設計完整的電