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土地開發總隊

控制測量作業方法

衛星定位測量(GPS)

一、 衛星定位測量(GPS)簡介

(一) 全球衛星定位系統背景 :

全球衛星定位系統( NAVSTAR GPS,NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System,以下簡稱GPS)係採用全球性地心坐標系統,坐標原點為地球質量中心,其衛星基準自1986年後即採用WGS84 坐標系統,此坐標系統原是美國國防部為了軍事定時、定位與導航的目的所發展,目前有24顆衛星在距地球20200公里的六個太空軌道中運行,衛星繞行地球一週約12小時,如此可確保在世界上任何時間任何地點皆可同時觀測到4至7顆衛星,以利導航及精確定位測量之應用。


衛星軌道分布示意圖
衛星軌道分布示意圖

(二) 全球衛星定位系統之優點 :

傳統地面測量方式,點位間必須有良好的通視方能觀測,因此三角點之位置必須選在高海拔之山頂,甚至要架設高覘標以方便觀測;測量人員則必須背負沉重儀器跋山涉水攀登三角點以進行施測,又常受到風雨、濛氣、豔陽照射等天候影響無法施測,不但需耗費大量人力、經費及時間且往往受限於幾何強度之影響而無法提高精度。 GPS 以結合高精度、作業快速、不受天候影響,點與點間不必互相通視,亦不必架設高覘標,任何需要控制點的地方都可以設站觀測,只要透空度在65度以上即可,且一天24小時皆可觀測。

(三) 全球衛星定位測量方法 :

隨著觀測衛星數目的增加,以及計算求解理論不斷的推陳出新,全球衛星定位測量方法可分類為:

1.靜態基線測量(Static):

在施測基線兩端各架設一部衛星定位接收儀,於透空度良好之情況下,同時接收衛星訊號,連續觀測接收一小時以上,相對定位精度可達 5 mm+1ppm*L(L為基線長度,單位為公里,即一公里6mm 的精度。),適用於10公里以上之高精度控制網測量。


衛星定位測量靜態基線測量

2.快速靜態測量(Rapid Static):

觀測方式同靜態基線測量,但接收時間為 20分鐘以上,測點迅速,適合於10公里以下之短邊長控制測量,加密測量,導線測量,細部點位測量及界址測量,相對定位精度可達5 mm+1ppm*L。

3.半動態測量(Semi-Kinematic):

自起點開始,每一欲測點接收1-2 分鐘,移動時亦持續接收信號,並回到原點,再利用已知點來推算各點位置。同樣衛星訊號不能中斷,施測中若訊息中段則須重複第一步驟,適合於空曠地區,點位密集之小規模測量。


衛星定位測量半動態測量

4.虛擬動態測量(Pseudo-Kinematic):

自起點開始,每一欲測點接收3 分鐘左右,移動時可不必持續接收信號,並回到原點,再利用已知點來推算各點位置。此法必須在每一測點重複擺站一次,且兩次間隔需再50分鐘以上,求解方式與靜態基線解法相同,適用對象與快速靜態測量類似。


衛星定位測量虛擬動態測量

5.即時動態測量(Real-Time Kinematic):

簡稱 RTK,為結合無線電數據通訊設備,可以立即解算求得點位坐標,適用於空曠地區移動物體之軌跡定位,道路中心線測量,水道測量及地籍測量。


衛星定位測量即時動態測量

全球衛星定位測量已被世界各地廣泛應用於基本控制點測量及其他各種測量作業(如導航、地形圖測量等)。

GPS 衛星測量方法比較表
GPS衛星
測量方法
靜態(Static) 動態(Kinematic)
靜態基線(Static) 快速靜態(Rapid) 虛擬動態(Pseudo-Kinematic) 半動態 (Semi-Kinematic) 純動態(Kinematic)
觀測時間 至少 30 分鐘,常採用 2~4 小時 5~30 分鐘視基線長度與衛星分佈狀況而定 重覆擺站兩次,間隔一小時,每次約3~5 分鐘 可短於30 秒 10 秒以內
測量精度 0.1~5ppm 1~10ppm 2~20ppm 2~10ppm 2~20ppm
儀器性能 單、雙頻均可 雙頻L1 與L2整合 單、雙頻均可 單、雙頻均可 雙頻,若是RTK 則需通訊設備
適用範圍 5 公里以上之高精度控制網測量,如地殼監測、大區域大地控制網 適合於5公里以內之短邊長控制測量、加密測量、導線測量、細部點位測量以及界址測量 適用對象與快速靜態相同 適合於空曠地區,點位間距數十公尺內,點位 密集之小規模測量,如地形測 量、界址測量等 適用於移重物體之軌跡定位;空曠地區地形測量、界址測量

(四) GPS衛星於太空中運轉時,不斷向地面發射衛星訊號,地面使用者則使用衛星接收儀接收來自衛星之各種衛星訊號,並利用各種不同訊號特性,求得衛星與地面接收儀間之距離及地面各接收儀間之基線向量,再配合幾何原理求出接收儀所在地位置,以完成導航定位及各種測量作業。

(五) GPS衛星所播送之訊號內容主要可分為電碼及載波兩類:

1.電碼訊號可即時定位,主要應用在飛機、船隻等運動器具之導航上,其精度僅約5 0~100 公尺,惟近年來差分導航定位 ( DGPS ) 技術發展快速,其精度已可達1公尺以內。

2.載波訊號須事後處理計算,主要應用在高精度點位測量上,其點位精度可達公分級以上。

二、 衛星定位測量(GPS)應用

(一) 一般應用

1.陸上之應用

在測量及大地測量方面,可從事地球動力學之研究、地殼變動之監測及大地控制網測量等應用。

陸地運輸導航方面,可從事救護車、巡邏車之導航及卡車、貨車、計程車隊之監控等應用。


衛星定位測量陸上之應用

(圖片參考內政部地政司衛星測量中心:http://www.gps.moi.gov.tw/SSCenter/Introduce/IntroducePage.aspx?Page=GPS9)

2.海上之應用

在海上測量製圖方面,可從事探油平台定位、海上重力點位置測量、浮標位置測量、魚群位置測量、港灣及碼頭測量等應用。

海上應用一:油平台定位、海上重力點位置測量等應用

在海上運輸導航方面,可從事輪船在河流及海上導航、海洋科學研究、海難搜巡與救護等應用。

海上應用二:河流及海上導航、海洋科學研究等應用

3.空中之應用

在空中測量製圖方面,可從事航空攝影測量內方位之測定及空中重力點位置測量等應用。

空中應用一:航空攝影等應用

在空中運輸導航方面,可從事飛機飛行導航、著陸導航及空中噴灑農藥控制等應用。

空中應用二:飛行導航、著陸導航等應用

4.太空之應用:

可從事低空衛星(GPS為高空衛星)或其他太空飛行體之定位及導航、等高測量應用。

5.休閒娛樂之應用:

可應用於登山、探險之定位及湖、泊遊樂區遊艇之導航等用途。

(二) 應用於地籍測量

1.GPS與GIS系統之整合:

GPS與GIS系統可整合成為一套攜帶式即時定位、即時分析之GPS+GIS系統,為具有現場即時定位、即時輸入、即時處理、即時分析之資訊系統,可應用於自然資源、環境監測、農業應用、設備管理、緊急救護、控制測量、細部測量及地籍測量。

2.臺北市三等及四等GPS衛星控制點測量

本總隊於臺北市進行三等及四等GPS衛星控制點之加密工作,聯測內政部公布臺北地區TWD97坐標系統之一等衛星控制點 4點,二等衛星控制點15點,及本局設置之控制點七百餘點。一方面檢測本總隊之基本控制點,一方面作為內政部GPS衛星控制點TWD97坐標與民國69年公布之TWD67坐標之間轉換計算及地籍由TWD67坐標系統轉換至TWD97坐標系統之最主要依據。

3.圖根測量

圖根點測量因為點位密集、距離短,且顧及日後檢測方便及有效增加鄰近點位之相關性,須採取快速靜態測量方法。由於GPS衛星定位測量所得之TWD97新國家坐標系統與民國 69年內政部公布之TWD67坐標系統之坐標基準及參考橢球都不一致,因此須利用現行三角點、精密導線點及圖根點與一、二、三、四等衛星控制點聯合進行GPS衛星定位測量,求得TWD97坐標。由此可以消除圖根點因導線測量誤差傳播所產生的誤差,提升圖根點的精度,解決圖根點保存及補建不易之問題,提升測量成果品質。

4.土地複丈

利用GPS衛星定位測量方式補設圖根點,再使用新補設之圖根點以傳統地籍測量方式辦理土地複丈。

於透空度良好之空曠地區,衛星接收儀能同時接收5顆以上之衛星訊號,例如重劃地區、區段徵收地區,使用GPS即時動態測量RTK方式,可即時解算求得點位坐標,進行界址測量及協助指界工作。

三、 衛星定位測量(GPS)作業規定及精度規範

加密控制點衛星定位測量作業精度一覽表
項 目 作業規定與精度需求
(一)使用之星曆 精密星曆或廣播星曆
(二)觀測時間(單位:分) ≧60
(三)連續且同步觀測時間(單位:分) ≧45
(四)資料記錄速率(單位:秒) 5
(五)點位精度因子(PDOP)最大值 ≦10
(六)已知控制點個數 至少需選擇3個(含)以上檢測無誤,且適當分佈於測
區外圍之平面控制點
至少需選擇4個(含)以上檢測無誤,且均勻分佈於測
區之高程控制點
(七)
網形
重覆觀測
新點重覆觀測率 ≧ 20%
已知高程控制點重覆觀測率 ≧ 25%
已知平面控制點重覆觀測率 ≧ 10%
不同時段共同測站數 ≧ 2
不同時段基線重覆觀測率 ≧ 5%
(八)











閉合圈中之基線源自不同觀測時間數 ≧ 3
閉合圈中獨立觀測之基線數 ≧ 2
各閉合圈中之基線數 ≦ 15
閉合圈總長度(單位:公里) ≦ 50
可剔除之基線數目佔總獨立基線數比例 ≦ 40%
各分量之平均閉合差(ΔX,ΔY,ΔZ)(單位:
公分)
≦ 80
各分量之閉合差(ΔX,ΔY,ΔZ)對閉合圈總邊長
之比數
≦ 7.5x10-6
全系各分量之平均閉合差(ΔX,ΔY,ΔZ)對閉合
圈總邊長之比數
≦ 5.5x10-6




重覆觀測基線(L)水平分量之差值(單位:毫
米)
≦ (30+6x10-6L)
重覆觀測基線垂直分量之差值(單位:毫米) ≦(75+15x10-6L)



邊長標準誤差(單位:毫米) ≦ (15+3x10-6L)
95%信心區間(單位:毫米) ≦(30+6x10-6L)

註:

  1. 當衛星觀測網採強制附合至現使用之大地坐標系統時,必須固定於已知高程點上。
  2. 已知高程點可以是基本控制點或水準點,亦可由水準點直接以水準測量連測之點位。
  3. L─單一基線長度之公里數。