New 車輛定位導航系統brchang/車輛定位教材... · 2010. 9. 13. ·...

車輛定位導航系統車輛定位導航系統

課程大綱課程大綱第一章

1.1 智慧交通系統1.2 智慧交通系統在國內外的發展狀況1.3 車輛定位導航系統1.4 車輛定位導航的現狀和發展趨勢1.5 定位精度評價指標

第二章2.1 航跡推算的基本原理2.2 航跡推算系統的基本組成2.3 航跡推算系統的誤差分析2.4 主要感測器的側試與建模2.5 智慧航跡推算系統

課程大綱課程大綱（續）（續）第三章

3.1 GPS的基本定位原理3.2 GPS信號採集和格式轉換3.3 GPS誤差和誤差模型3.4 GPS羅盤3.5 GLONASS衛星導航系統

第四章4.1 電子地圖簡介4.2 道路選擇演算法4.3 匹配演算法4.4 影響地圖匹配精度的因素

課程大綱（續）課程大綱（續）

第五章第五章

5.1 5.1 基於行動通訊網路的無線定位技術分類基於行動通訊網路的無線定位技術分類5.2 TOA5.2 TOA定位方法定位方法5.3 TDOA5.3 TDOA定位方法定位方法5.4 TOA/TDOA5.4 TOA/TDOA組合定位方法組合定位方法5.5 5.5 影響蜂窩無線定位精度的因素影響蜂窩無線定位精度的因素5.6 CDMA5.6 CDMA小區中無線定位的可實現性小區中無線定位的可實現性

課程大綱（續）課程大綱（續）第六章6.1 GIS概述6.2 地理資訊與地理數據6.3 GIS的類型6.4 GIS的功能概述6.5 GIS的研究內容6.6 GIS的起源與發展6.7 GIS的定義6.8 GIS的基本內容6.9 GIS的特性6.10 GIS的功能

課程大綱（續）課程大綱（續）6.11 GIS的應用

6.12 實用GIS

第七章7.1 GIS的體系結構的概述7.2 GIS的硬體配備7.3 電腦及網路設備7.4 存儲設備7.5 輸入設備7.6 輸出設備7.7 GIS的軟體架構

1.1 1.1 智慧交通系統智慧交通系統1.2 1.2 智慧交通系統在國內外的發展狀況智慧交通系統在國內外的發展狀況1.3 1.3 車輛定位導航系統車輛定位導航系統1.4 1.4 車輛定位導航的現狀和發展趨勢車輛定位導航的現狀和發展趨勢1.5 1.5 定位精度評價指標定位精度評價指標

第一章第一章

背景背景

• 據預測至2050年發達國家的車輛數量將達到10億輛，發展中國家也將會突破25億輛

• 車輛數目增加帶來的問題−交通問題（交通擁擠堵塞、交通環境惡化、交通事故頻繁等）

• 解決之道：採用各種高新技術－智慧交通系統• 目前智慧交通系統為世界各發達國家紛紛重視研究和開發之智慧化系統，我國已經將其列為優先發展的高技術產業化重點領域

1.11.1智慧交通系統智慧交通系統

定位定位導航導航

資料資料通信通信

電子電子感測器感測器

自動自動控制控制圖像圖像

處理處理

電腦電腦視覺視覺

電腦電腦網路網路

人工人工智慧智慧

運籌運籌管理管理

資訊資訊處理處理

ITSITSITS

• 智慧運輸系統－Intelligent Transportation System，簡稱ITSITS

• 實現交通運輸服務和管理的智慧化，建立一種大範圍、全方位、即時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統

1.21.2智慧交通系統在國內外的發展狀況智慧交通系統在國內外的發展狀況國內國內－－將交通資訊的原始資料整合到通用資料庫

中，讓交通資訊完成整體性的上下連結

國外國外－－ITS的開發與建設，包含九大項：1.先進旅行者資訊服務(ATIS)2.先進交通管理服務(ATMS)3.先進大眾運輸服務 (APTS)4.先進車輛控制及安全服務(AVCSS) 5.商車營運服務(CVOS)6.緊急事故處理服務(EMS)7.電子付費服務(EPS)8.弱勢使用者保護服務(VIPS)9.資訊管理服務(IMS)

國內發展與未來市場方向國內發展與未來市場方向－交通資訊系統的研究與發展計畫

一、國內發展國內發展1.資料收集2.資訊傳播3.通訊傳輸技術4.資料庫軟體5.路況資訊廣播6.路況資訊網際網路查詢服務

1.21.2智慧交通系統在國內外的發展狀況智慧交通系統在國內外的發展狀況

二、未來市場方向二、未來市場方向1.提供民眾透過網際網路查詢即時路況資訊、即時交通資訊影像、交通事件資訊、大眾運輸資料、停車場即時資訊、地區主要觀光景點、天候資訊等，讓民眾可以詳細規劃行程。

2.以地圖方式表現路況資訊，並以顏色區分路段壅塞程度，而對於交通事件資訊，則以圖示方式表現於地圖上，讓民眾一目了然。


二、未來市場方向二、未來市場方向（續）（續）3.以都會區為發展區域，並進一步擴大至城際間及全國性之交通資訊提供，進行資料融合與資訊交換，來達成資訊之精確度。

4.發展交通資訊服務是以公私部門結合之概念，利用交通資訊中心所匯集整理的資訊，進行全國交通資訊中心之整合，並以不同方式提供給加值業者，加值業者再利用有線或無線方式將資訊傳遞給民眾，帶動整體交通資訊服務的商機。


1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統

智慧交通系統是以道路和車輛定位作為主要研究對象，以提高道路的通行能力、利用效率與安全性為主要研究目標的新一代交通運輸系統，其研究重點是公路交通問題。

智慧交通系統的基本組成：1.管理和控制中心模組 2.車輛模組3.道路模組 4.通信模組

一、車輛定位導航系統的作用


車輛模組車輛模組作為智慧交通系統的重要組成部分，其基本模組如下。

一、車輛定位導航系統的作用（續）

傳輸阜

數字地圖資料庫

地圖匹配

路徑引導路徑規劃

定位模組

無線通信


1.1.數字地圖資料庫數字地圖資料庫內容：預先定義之儲存格式之數字地圖訊息、

其儲存格式有助於計算機處理與地圖有關的訊息。

包括：辨識場所、公路等級、交通規則和旅行訊息。

二、車輛定位導航系統的各模組說明


2.2.定位模組定位模組說明：融合不同感應器的輸出，自動確定車

輛的位置。內容：典型的獨立定位技術（也稱自主定位

技術）試航跡推算定位，而典型的無線電信號定位技術是使用全球定位系統（GPS）定位。

二、車輛定位導航系統的各模組說明（續1）


3.3.地圖匹配模組地圖匹配模組把測量到的或從定位模組獲取的位置（軌跡）與地圖資料庫所提供的基於地圖的位置（路徑）進行匹配來確定車輛的地圖上的位置的一種方法。數字地圖資料庫的精度應保持在15m以內。

二、車輛定位導航系統的各模組說明（續2）

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統二、車輛定位導航系統的各模組說明（續3）

4.4.路徑規劃模組路徑規劃模組協助司機在行駛前或進行中規劃路線的過程，通常採用的技術是找到最小行駛路線。

5.5.路徑引導模組路徑引導模組是指揮司機沿著由路徑規劃模組計畫出的路線行程的過程。為了確定車輛當前的位置和產生即時引導指令，需要藉助地圖資料庫和準確的定位。

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統二、車輛定位導航系統的各模組說明（續4）

6.6.傳輸阜模組傳輸阜模組傳輸阜允許用戶與定位和導航不同要求通過這個傳輸交互送到計算機中，然後在透過這個傳輸阜模組回饋給用戶。

7.7.無線通訊模組無線通訊模組是透過一個或多個不同種的通訊網路，使得車輛和他的使用者或交通管理系統能夠接收即時的交通訊息和報告，從而促進車載系統或整個公路網路工作更加安全與有效。

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統三、車輛定位導航系統的實現方案功能：提供車輛的位置、速度和航向等訊息是車

輛導航定位系統。基礎：精確、可靠之導航功能常用技術：

1.1.航跡推算技術（航跡推算技術（DRS, DRS, Dead Reckoning SystemDead Reckoning System））2.2.地面無線電定位技術地面無線電定位技術（（TerrestrialTerrestrial RadiolocationRadiolocation））3.3.衛星定位技術（衛星定位技術（GPSGPS））4.4.地圖匹配技術（地圖匹配技術（MM, MM, Map MatchingMap Matching））5.5.視覺定位技術（視覺定位技術（VP, VP, VisionVision--based Positioningbased Positioning））

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統四、不同系統對定位精度的要求

30自動車輛識別10公共安全1防撞25～30自動語音0.1交叉路口的檢測

5～20導航與路線引導10遺失車輛追蹤25數據採集10服務場所（如飯店、商場）之定位10特殊車輛如救護車、消防車、警務車管理與調度100商業車輛管理與調度精度要求(m)不同系統

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統五、車輛定位技術1.1.地面無線電定位技術地面無線電定位技術設置標準點：沿公路兩側時先精確測定許多標準點，當車輛經過這些標準點時，汽車接收這些標準點所發送的定位訊息，從而得到的車輛位置。移動通訊網路的定位技術：以移動台的定位方案－由移動台根據接收到的多個發射台的信號特徵訊息，確定其與各發射台之間的幾何位置關係，在對其自身位置進行定位估計。以網路的定位方案－由多個基地同時檢測移動台發射的訊號，根據訊號的特徵訊息由蜂窩網路對移動台進行定位。

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統五、車輛定位技術（續1）2.2.衛星定位技術衛星定位技術美國的全球定位系統－GPS：具有全天候、全球性、連續提供三維定位導航數據以及誤差有界等優點。其具有兩種定位導航服務功能，一是標準定位服務（SPS），二是精密定位服務（PPS）。俄羅斯的全球導航衛星系統－GLONASS：定位精度比GPS稍高，但在可靠性及覆蓋範圍方面較差。

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統五、車輛定位技術（續2）3.3.航跡推算技術－航跡推算技術－DRSDRS已知本時刻車輛的位置，測量得到下一個時刻的距離與相對轉角，從而推算得到下一個時刻的位置。符合5％之行駛距離誤差。DRS之航向角感應器：磁羅盤、雙差里程儀、角速率陀螺。DRS之速率感應器：加速度計、里程儀、多普勒雷達。DRS屬於自主定位導航系統，不受外界環境影響，可透過自身推算得到車輛的位置與速度。

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統五、車輛定位技術（續3）4.4.地圖匹配技術－地圖匹配技術－MMMM引入地圖上的訊息，透過將定位導航系統的訊息與地圖的訊息進行比較和融合，從而提高整個系統的定位精度。

5.5.視覺定位技術－視覺定位技術－VPVP透過對路標景物的識別和跟蹤來確定載體的位置優點－精度高缺點－成本大、難度高、算法複雜目前主要用於機器人或特殊要求的車輛上

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統六、車輛組合定位導航系統

• 將不同系統的訊息進行融合，選擇適當的融合算法，得到最佳的定位結果。

• 透過組合的系統克服單一系統的缺點，在符合成本之下，將組合後的定位系統之可靠性、精度、完成性提高。

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統六、車輛組合定位導航系統（續1）• 目前車輛定位導航系統之組合方案1.1.航跡推算系統＋地圖匹配（航跡推算系統＋地圖匹配（MMMM））優點：透過地圖匹配技術可消除航跡推現系統的累積誤差，使系統的定位精度提高，同時也是一種自主導航的系統。

缺點：地圖匹配只能消除垂直於道路的累積誤差，若航跡推算誤差太大，地圖匹配也無法消除。

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統六、車輛組合定位導航系統（續2）• 目前車輛定位導航系統之組合方案2.GPS2.GPS＋＋MMMM優點：因GPS存在定位誤差，透過地圖匹配技術可消除GPS的定位誤差，使系統的定位精度提高。

缺點：GPS存在受到遮檔訊息的情形，若GPS遮檔時間短，可利用之前的定位訊息於地圖上面進行推算；若遮檔時間長，整個組合系統則不能正常運作。

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統六、車輛組合定位導航系統（續3）• 目前車輛定位導航系統之組合方案3.GPS3.GPS＋＋DRSDRS特色：利用GPS絕對定位、誤差有界的優點來彌補DRS的誤差發散、不能初始定位的缺點，利用DRS自主定位的優點解決GPS訊息失落、遮檔等問題。

訊息融合之解決方案：

（1）切換方案：切換兩者之間的訊息。（2）濾波方案：將組合濾波補償其訊息。

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統六、車輛組合定位導航系統（續4）• 目前車輛定位導航系統之組合方案4.GPS4.GPS＋＋DRSDRS＋＋MMMM特色：利用三者訊息進行融合，在地圖精度足夠高的情況

下，有效減少車輛行駛時的累積誤差，提供導航系統的定位精度和可靠性。

融合方案：

（1）GPS與DRS之定位結果引入電子地圖，以MM進一步修正定位結果。

（2）GPS、DRS與電子地圖三者之定位訊息一起進行組合濾波，並採用集中式或聯邦式濾波，得到整個系統最佳解。

1.31.3車輛定位導航系統車輛定位導航系統六、車輛組合定位導航系統（續5）• 目前車輛定位導航系統之組合方案5.GPS5.GPS＋＋DRSDRS＋＋MM MM ＋視覺定位＋視覺定位VPVP特色：

（1）GPS提供的位置和速度可用來更新DRS以及給視覺感應器位置參數，地圖匹配可使定位數據與地圖上的定位位置相匹配。

（2）DRS可以為GPS信號中斷後提供位置與速度數據，並給VP提供方位參數。

（3）GPS訊號長期間中斷時，VP可以作為一個替代系統更新DRS的數據。

（4）本組合方案為目前車輛定位導航系統的研究重點。

1.41.4車輛定位導航系統的現況與車輛定位導航系統的現況與發展趨勢發展趨勢

一、現況

• 因GPS具有成本低、精度高、方便性、低耗能、易與其他感應器、通訊設備、資料庫進行融合等特點，以GPSGPS為主為主之各類組合導航技術為目前主要發展的車輛導航系統。

1.41.4車輛定位導航系統的現況與車輛定位導航系統的現況與發展趨勢發展趨勢

二、發展趨勢

• 提高GPS的精度• 提高DRS中感應器的精度• 建立更完善的地圖匹配算法• 發展新的定位技術（如視覺定位和蜂窩定位）

• 在降低系統的成本下，採用多感應器訊息融合理論和方法，從整體上提高定位系統的精度和可靠性。

1.51.5定位精度評價指標定位精度評價指標

• 均方誤差（MSE）• 均方根誤差（RMSE）• 圓概率誤差（CEP）• 幾何精度因子（GDOP）

2.1 2.1 航跡推算的基本原理航跡推算的基本原理2.2 2.2 航跡推算系統的基本組成航跡推算系統的基本組成2.3 2.3 航跡推算系統的誤差分析航跡推算系統的誤差分析2.4 2.4 主要感測器的側試與建模主要感測器的側試與建模2.5 2.5 智慧航跡推算系統智慧航跡推算系統

第二章第二章

2.12.1航跡推算的基本原理航跡推算的基本原理

航跡推算是車輛定位導航中採用的一種比較經典的算法，通過實時測量車輛行駛距離和航向角的變化，就可以實時推算車輛載體的位置。

2.12.1航跡推算的基本原理航跡推算的基本原理((續續))

在實際系統中，車輛的位置都是用經緯度描述的，因此在地球表面，航跡推算系統確定的車輛位置可描述為

ωθϕθλ

θϕ

===

cosRe/sinRe/cos

vv

2.12.1航跡推算的基本原理航跡推算的基本原理((續續))

ϕλvReθω

緯度

經度

載體的速度大小

地球的半徑

載體的航向角

載體的角速度

2.22.2航跡推算系統的基本組成航跡推算系統的基本組成

航跡推算系統基本由測量航向的傳輸感測器和測量距離傳輸感測器構成，測量航向角的傳輸感測器主要有磁羅盤，差動里程儀和角速率陀螺。

測量距離變化的傳輸感應器主要有加速計、里程儀、多普勒雷達，除此之外還有度計、高度計等傳輸感應器。

2.22.2航跡推算系統的基本組成航跡推算系統的基本組成((續續))測量航向角的傳感器

磁羅盤

可以直接量測得到載體的航向角，並且成本較低影響磁盤工作的誤差源主要有二種：

外界環境的影響比如大地磁場的異常變化，周圍建築物、車輛的影響。

另一種誤差源是車輛本身的影響，車輛本身有許多的鋼鐵部份，它對磁羅盤的表現為相對固定的測量徧移誤差

2.22.2航跡推算系統的基本組成航跡推算系統的基本組成((續續))

双差動里程儀

双差動里程儀將兩個里程儀分別安裝在車輛的兩個平行相對的車輪上面，在汽車轉彎時兩個里程儀感受的汽車速率不同，以此計算得到汽車的相對轉角。

雙差動里程儀安裝有一定的困難，且需經常較正其徧差，車輪的狀況，車輛的載荷的大小，都會影響到里程儀的工作。


角速度陀螺

輸出與車輛角速率相關的訊息，而且訊息與車速無關。

較大的誤差主要為陀螺的常值誤差和陀螺漂移誤差，誤差受溫度、潮溼和振動等因素影響。


可用於車輛定位導航系統的角速率陀螺的種類比較多，有激光陀螺、光纖陀螺、微機械陀螺和壓電陀螺等。可從成本、體積和系統要求上考慮使用不同種類的陀螺。

2.22.2航跡推算系統的基本組成航跡推算系統的基本組成((續續))測量速度(距離)的傳感器

里程儀

使用車輛的里程儀作為車輛速度的測量元件是一個比較有吸引力的選擇。

汽車車輪每轉一圈，里程儀輸出一個脈衝

里程儀的好壞表要取決於刻度系數，影響刻度系數的誤差源有車輪充氣的程度、磨損、車輛載荷大小及車輪滑動.等。


加速度計

一種比較常見的車輛測速傳感器，加速度的好處是可以避免里程儀工作時受到的車輛本身和外界道路情況等因素影響。

加速度計的體積只有一個晶片小大，成本較低，對系統測量影響最大的誤差項是加速度計的徧零，並且這個零徧是隨機變化的。


多普勒雷達

多普勒雷達在車輛定位導航系統中較少使用，主要是由於其成本太高，所以這裡不再多敘述。


其它傳感器

坡度計

坡度計測量載體的俯仰和傾斜角，

高度計

高度計輸出與載體高度相關的信號，可用於提高航跡推算系統的精度

2.32.3航跡推算系統的誤差分析航跡推算系統的誤差分析

航跡推算系統的誤差可分成下列二類

一種是屬於元件本身的誤差，與元件本身的性能有關，簡稱為＂元件誤差＂

一種是由外界環境和算法本身所引起的誤差，簡稱為＂系統誤差＂

2.32.3航跡推算系統的誤差分析航跡推算系統的誤差分析((續續))

ω

0v

角速率陀螺的誤差分析

角速率陀螺的輸入輸出關係可以表示為

εω ++•= 0vKV

ε

K

V

陀螺的角速率

陀螺的刻度係數

陀螺的輸出，是一個電壓信號

陀螺的零徧

隨機噪音


里程儀的誤差分析

里程儀的輸出為TTL脈衝，一定時間內的里程儀的數目，可以計算出車輛在這段時間內所行駛過的距離，也可以計算出車輛行駛的速度。

里程儀的誤差包括系統誤差和非系統誤差系統誤差是指車輪直徑的不等性誤差及刻度系數誤差，實際的輪距和名義輪距之間的誤差


磁羅盤誤差分析

磁羅盤測量的是載體的磁航向，在磁羅盤的測量誤差中，除了外界磁場異常干擾外，還包括載體本身硬鐵效應和軟鐵效應引起的誤差。

2.32.3航跡推算系統的誤差分析航跡推算系統的誤差分析((續續))系統誤差分析

一般在跡推算系統的實現中，認為車輛的運動是在一個二維平面上，事實上，由於道路並不水平，而是有起伏的，因此這就是存在著系統的原理誤差。

除了算法本身的誤差和元件誤差外，整個航跡推算系統的誤差還將由車輪滑動誤差、車輪跳動誤差，陀螺的安裝誤差…等產生。

2.42.4主要傳感器的測試與建模主要傳感器的測試與建模

對傳感器進行測試的目的有兩個：

評價傳感器的性能是否滿足系統的需要

建立傳感器的誤差模型以便對傳感器進行

補償

2.42.4主要傳感器的測試與建模主要傳感器的測試與建模((續續))

測試試驗可分為靜態和動態二種方式

在靜態試驗中，裝置保持固定，實驗者觀察由於某些物理作用或自然現象引起的反應。

進行動態試驗時被測敏感器處於運動狀態，實驗者監測該裝置對給定擾動的反應。


微機械陀螺儀速率實驗

刻度係數k的計算

刻度系數的特性

PC A/D +5V

轉台

陀螺


微機械陀螺儀隨機漂移特性的研究

陀螺隨機漂移數據的採集、平穩性檢驗

陀螺隨機漂移模型的辦識

陀螺隨機漂移模型的確定

陀螺漂移誤差的補償


外界因素對陀螺儀性能影響

由於微機械陀螺儀應用於車輛定位導航系統中，難免會受到溫度、振動、安裝誤差等因素的影響。


里程儀誤差的測試與分析

具體測試步驟如下

(1)車輛按照一個邊長已知為a米的正方形以A開始行駛一周(2)里程儀記錄車輛行駛的距離為4a時，車輛停止，設為B點(3)記錄B點與A點的位置差(4)依步驟順時針重覆5次，逆時針重覆5次

a

A B

測試軌跡

順時針誤差圓

逆時針誤差圓

50 100 150 200 250-50

50

100

-50

-100

-150

-200

-250

順時針誤差圓中心

逆時針誤差圓中心

Y(mm)

X(mm)

Xc.g.ccw

Xc.a.cw

rc.a.ccw

Yc.

g.cc

w里程儀UMBmark實驗結果

2.52.5智能航跡推算系統智能航跡推算系統

目前較理想的方式

磁羅盤+角速率陀螺

二個航向傳感器的訊息進行融合，以取得相互的資源。

在訊息融合的方法上有列幾種

‧補償濾波

‧模糊濾波法

‧模糊-補償濾波

‧仿真結論

2.52.5智能航跡推算系統智能航跡推算系統((續續))

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理3.2 GPS3.2 GPS信號的採集和格式轉換信號的採集和格式轉換3.3 GPS3.3 GPS誤差和誤差模型誤差和誤差模型3.4 GPS3.4 GPS羅盤羅盤3.5 GLONASS3.5 GLONASS衛星導航系統衛星導航系統

第三章第三章

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理

• 由美國國防部主導發展• 提供定位、導航及定時的功能• 座標系統-WGS84• 設計用來取代舊有的導航系統• 國防優先使用、民間開放應用• 目前民間與國防皆可使用

一、GPS的由來

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理二、GPS 簡介• 全球衛星定位系統（Global Positioning

System，簡稱GPS），係由分佈20,200km高空，其地面有1主控站、5個監測站所組成的。衛星測量即由設置在地面之GPS衛星接收儀，將GPS衛星位置視為已知，接收其發射的訊號，以「空間後方交會法」測量點位間及方位角。

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理三、GPS 衛星功能• 接收和儲存由地面監控站所發出的導航訊息，接收並執行監控站的控制指令。

• 衛星設有微處理機，進行部份必要的數據處理工作。

• 利用高精度銫鐘及銣鐘提供精密的時間標準。

• 向用戶發送導航與定位信息。• 依地面監控站的指令修正衛星的姿態。

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理四、GPS 系統架構

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理四、GPS 系統架構（續1）（一）太空部門 (Space segment)

‧24 顆衛星組成（其中3 顆為備用衛星）‧分布於6 個軌道面‧軌道與赤道的傾角為55度‧每個軌道各有4顆衛星‧每個軌道面上的衛星高度約20,200km‧平均週期為11 小時58 分鐘‧平均壽命7.5年

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理四、GPS 系統架構（續2）（二）控制部門 (Control segment)：

‧1個主控站，3個地面天線及5個監視站‧負責追蹤接收衛星的資料及計算軌道、

時鐘參數‧負責上載有關衛星的所有資訊‧監控與維持預定軌道的運行

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理四、GPS 系統架構（續3）（三）使用者部門 (User segment)：

‧是指能夠接受GPS 衛星訊號之接收器‧依有無鎖碼：有軍用及民用兩種，兩者主

要差異在於民用碼(C/A-code)無法譯解軍用碼(P-code)。

‧常使用之接收儀：大地測量型、導航型、及定位晶片三類。

‧接收儀又可分單頻機或雙頻機兩種。

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理四、GPS 系統架構（續4）（三）使用者部門 (User segment) －接收儀類型

(a)大地測量型(b)導航型(c)定位晶片

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理五、GPS定位測量原理

GPS衛星於太空中運行時，以L1L1、、L2L2頻率向地面發射衛星訊號，地面衛星接收儀接收衛星資料（星歷、距離及相星歷、距離及相位位），利用幾何原理求出接收儀座標，以完成導航定位及各種測量作業。

L1（1575.42MHz, 19.0cm) －C/A＋P碼L2（1227.6 MHz, 24.5cm) －＋P碼

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理六、GPS定位原理

• 衛星就像是軌道控制站將其軌道參數調製成電波

• 無線電波radio wave 以光速向地面發射運行

• 利用時間獨立的電碼time dependent codes 量測計算出每顆衛星與地面接收者的距離

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理六、GPS定位原理（續1）

• 通常衛星內部所使用的時鐘精度極高

• 每筆衛星發射訊號會記錄瞬時時間（t1）

• 衛星接收器內部的時鐘精度會記錄收到衛星訊號的時間（t2）

• 距離＝速度×時間差（ t1－ t2）

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理六、GPS定位原理（續2）概念上，只要同時觀測三顆衛星以獲得三度空間距離，並由各顆衛星的廣播星曆算出各該顆衛星的空間位置（X1﹐Y1﹐Z1；X2﹐Y2﹐Z2…..），就可利用空間後方交會方法，計算出接收儀所在測站的位置（X﹐Y﹐Z）。

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理六、GPS定位原理（續3）但因衛星傳播的訊號係依據各該顆衛星內的時鐘來產生標準頻率，而接收儀接收到的電碼或載波必須和接收儀自身產生者相比較，以求出訊號傳播之延遲或載波之相位差，再換算成空間距離；若衛星時鐘與接收器之時鐘有同步誤差時，則產生所謂的時鐘誤差。

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理六、GPS定位原理（續4）此項誤差不可忽略，則至少必須同時觀測四顆衛星才能列出四個觀測方程式，以求解測量站座標及時鐘差，因此我們在進行GPS 衛星定位時，任意時刻須接收四顆衛星資料方可計算三度空間坐標值。

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理六、GPS定位原理（續5）GPS 的定位方式為空間後方交會法空間後方交會法，利用衛星的空間坐標資訊及至接收儀距離觀測資料，即可計算接收儀的位置。GPS 衛星須利用無線電波將衛星的空間坐標及其它定位相關訊息，傳送給地面的接收儀。接收儀接收訊息、解碼獲得衛星坐標及距離觀測量後，即可決定自己的空間坐標。

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理六、GPS定位原理（續6）設某一台儀器同時接收4 顆衛星的空間坐標值及虛擬距離觀測資料，則該點坐標(X,Y,Z)及接收儀時鐘誤差T(Δr=cΔT)，可由下式表示：

{(X1-X)2+(Y1-Y) 2+(Z1-Z) 2} 1/2+Δr = r1{(X2-X)2+(Y2-Y) 2+(Z2-Z) 2} 1/2+Δr = r2{(X3-X)2+(Y3-Y) 2+(Z3-Z) 2} 1/2+Δr = r3{(X4-X)2+(Y4-Y) 2+(Z4-Z) 2} 1/2+Δr = r4

上式(X1,Y1, Z1)、(X2,Y2, Z2)、(X3,Y3, Z3)、(X4,Y4, Z4)為4 顆衛星的三維空間坐標，c 為光速值，r1, r2 , r3 , r4為接收儀至衛星的距離觀測量。

3.1 GPS3.1 GPS的基本定位原理的基本定位原理六、GPS定位原理（續7）

GPS 衛星測距的空間後方交會

3.2 GPS3.2 GPS信號的採集和格式轉換信號的採集和格式轉換一、GPS信號簡介衛星定位所需的相關資料必須藉由無線電波傳遞，每個GPS 衛星皆發射兩個L-band 的電磁波來傳遞各種信息，這兩個L-band 的電磁波一般以L1、L2 表示。L1、L2 電磁波是經由衛星原子鐘的基本頻率10.23MHz 產生。

－L1 頻率為1575.42 MHz (154*10.23MHz，波長約為19cm）

－L2 頻率為1227.6MHz (120*10.23M Hz，波長約為24.4cm）。

3.2 GPS3.2 GPS信號的採集和格式轉換信號的採集和格式轉換二、信號種類

‧‧C/A C/A 碼：其頻率為碼：其頻率為1.023M Hz (1.023M Hz (波長約為波長約為300m300m））

‧‧P P 碼：其頻率為碼：其頻率為10.23M Hz (10.23M Hz (波長約為波長約為30m30m））

兩者皆為隨機電碼PRN（Pseudo Random Noise），其電碼重復週期各為1 毫秒(ms)及267 天。－L1 載波上調制了C/A 電碼和P 電碼－L2 載波僅調制P 電碼。

3.2 GPS3.2 GPS信號的採集和格式轉換信號的採集和格式轉換

GPS 衛星信號構成意圖二、信號種類（續）

3.2 GPS3.2 GPS信號的採集和格式轉換信號的採集和格式轉換三、衛星電碼信息

以上這些信息皆為每整點時刻的相關資訊，如11 整時、12 整時、13 整時刻的衛星軌道元素。

• 衛星軌道元素• 衛星時表的改正值• 全球電離層改正模式• 衛星的運作狀況

3.2 GPS3.2 GPS信號的採集和格式轉換信號的採集和格式轉換四、信號之數據內容及格式衛星定位儀接收了衛星星曆衛星星曆(Navigation (Navigation Messages)Messages)、虛擬距離、虛擬距離(Pseudo(Pseudo--range)range)、及、及載波相位載波相位(Carrier phase)(Carrier phase)觀測數據，進行坐標計算。

數據資料檔：‧星曆檔(.nav)‧觀測資料檔(.obs)：包括了虛擬距離、及載波相位觀測數據。

3.2 GPS3.2 GPS信號的採集和格式轉換信號的採集和格式轉換五、格式轉換每種廠牌儀器皆有本身內定的資料格式，除非使用該廠牌的GPS 資料處理計算軟體，否則無法讀得觀測資料。為了克服此類問題，全球各廠及機構已製定了RINEX RINEX (Receiver Independent Exchange Format)(Receiver Independent Exchange Format)標準的交換格式，因此各廠牌的資料處理計算軟體皆包含將自家內定格式轉換為RINEX 格式的功能。

3.3 3.3 GPSGPS誤差和誤差模型誤差和誤差模型一、GPS誤差來源

• 衛星本體方面•衛星時錶誤差•衛星軌道誤差

• 信息傳播路徑方面•電離層延遲誤差•對流層延遲的誤差•多路徑效應誤差

3.3 3.3 GPSGPS誤差和誤差模型誤差和誤差模型一、GPS誤差來源（續）• 接收儀方面•接收儀時錶誤差•天線相位中心偏差•載波相位的週波脫落(Cycle slips)•載波相位的週波未定值(Cycle Ambiguity)

• 其他誤差•選擇性效應(SA)及反愚效應(AS)•坐標誤差•觀測誤差

3.3 3.3 GPSGPS誤差和誤差模型誤差和誤差模型二、各項誤差簡述

• 衛星本體方面－衛星時錶誤差GPS 之觀測量，與時間密切相關，若時間有誤差，則所得結果必含有大錯誤。衛星時錶可由GPS 系統地面追蹤站嚴密監視，故可將時錶之偏移精確求出而傳回衛星，在傳播到接收器以用來改正時錶誤差。經由改正後，各衛星鐘之間的同步誤差可保持在20ns 以內，由此引起的等效距離偏差將不會超過6cm。衛星時錶誤差經改正後的殘差，可以使用差分定位法將其消除。

3.3 3.3 GPSGPS誤差和誤差模型誤差和誤差模型二、各項誤差簡述（續1）

• 衛星本體方面－衛星軌道誤差衛星軌道誤差較難以估計與處理，因為衛星在運行中受到多種擾動力的影響，因此使用者由廣播星曆所得到的衛星軌道訊息。其相應的位置誤差約為20–50m，可利用差分定位方法，有效減弱此項誤差。GPS 衛星距地面測站的最大距離約為25,000 公里，如果基線測量的容許誤差為1 公分，則基線長度為5公里時，允許的軌道誤差為50 公尺。若須求得較高精度成果，則可利用是後處理之精密星曆。


• 信息傳播路徑方面－電離層延遲誤差GPS 訊號為一電磁波，通過離地球表面約500-1,000km 的電離層時會產生延遲的現象，因通過電離層的速度比真空中慢。電離層的延遲誤差大小與電磁波頻率、電離層電子含量有關，由於所造成的距離誤差值與電磁波頻率的平方成反比。減低此項誤差可利用雙頻的電磁波觀測量來達成，這亦是GPS 定位系統設計以雙頻來傳播導航信息的主要因素。


• 信息傳播路徑方面－對流層延遲的誤差對流層對GPS 訊號頻率無關，主要是因為氣壓和水蒸汽而變化而造成折射率不同之故，使信號路徑增長，造成時間延遲。延遲的影響可分為乾分量與濕分量兩部份，乾分量主要與大氣壓力、溫度有關，而濕分量主要與大氣溼度及高度相關。可利用對流層延遲的數學模式加以改正，若在基線較短（例如10公里之內）的情況下，亦能夠以觀測量差分的方式有效地減弱此項誤差。


• 信息傳播路徑方面－多路徑效應誤差若測站環境不佳，則接收儀天線除了直接接收的訊號外，尚可能接收到經由其他物體所反射回來的GPS 訊號，兩者混合會引起天線相位中心的變化，稱為多路徑效應。減弱多路徑效應的方法：選擇有金屬板的天線或避免將天線設置於易受干擾的環境


• 接收儀方面－接收儀時錶誤差在GPS 測量作業中，由於一切的數據皆須倚賴時錶來進行追蹤鎖碼後產生，接收儀的時錶的穩定度扮演一個非常重要的角色。GPS 接收儀一般內設高精度的石英鐘，若接收儀時錶與衛星之間的同步誤差為1μs，則產生的誤差約為300m。時錶誤差的消除方式，除了採用觀測量差分方式外，亦可於計算程序中視為未知參數與座標分量一併求解。


• 接收儀方面－天線相位中心偏差天線相位中心偏差是指天線的物理設計中心與衛星信息的即時接收中心不相一致，衛星信息的即時接收中心會隨著信息強度及進入的高程角與方位之不同，而有所改變。進行一般GPS 測量時，為了減少此項誤差，應儘量保持同一台儀器與天線作業，使其天線的安置保持同一方位。


• 接收儀方面－載波相位的週波脫落週波脫落現象：僅於追蹤載波相位觀測資料時發生，當接收儀蒐獲衛星訊息時，因訊息受到遮閉物的阻隔或受到干擾，造成訊息的短暫間斷，使著相位資料產生不連續或中斷的現象。週波脫落在精密定位測量精度上的影響十分重要，在資料計算處理程序中，一定須先經過週波脫落現象的偵測(detection) 及修正(repair)，使其數據還原其連續的特性，才能進行坐標成果計算。


• 接收儀方面－載波相位的週波未定值由於接收儀自鎖定衛星訊息後，僅能測定載波相位週波數的小數值，而相位觀測數據中的整數值(例如245678887.334 cycles中的

“245678887＂)，是由接收儀內部之石英振盪器自訊息鎖定後，依頻率自行計數記錄下來的整數值，並非訊息傳播至天線中心所運行的整數週波值，因此是一個未知數，稱之週波未定值(Cycle Ambiguity)。

3.3 3.3 GPSGPS誤差和誤差模型誤差和誤差模型三、其他誤差簡述（續1）

• 選擇性效應(SA)及反愚效應(AS)

SA 效應之人為誤差包括衛星時錶誤差、衛星(星曆)軌道誤差兩種，以降低即時定位精度。AS 效應是將P-code經W-code 的合成後，將P-code 轉換為Y-code，若可獲得W-code，再與Y-code 合成後則可還原P-code。


• 坐標誤差在GPS 測量中，以一部儀器置於已知坐標點與另一部置於未知點上，進行同步觀測以計算兩點間的坐標差(ΔX、ΔY、ΔZ）。當已知點的坐標未能準確知道，而有坐標誤差時，則此誤差會影響兩點間的坐標差值及未知點坐標的精度。在計算坐標差時，以某點坐標為初始值推算與另一點間之坐標差或邊長，為維持1-3ppm 的精度時，該點坐標之初始值與真值不可大於300m。


• 觀測誤差此項誤差屬於偶然性的，與訊息的波長相關，一般皆假設為波長的1%，因此虛擬距離及載波相位的觀測誤差如下表。

2 mm0.19 mL1 載波相位2.4 mm0.244 mL2 載波相位

30 cm30 m軍用碼(P-code)3 m300 m民用碼(C/A-code)

觀測誤差波長(m)種類

3.4 3.4 GPSGPS羅盤羅盤一、GPS羅盤簡介

• 利用載體上多個GPS接收器獲得的載波相位進行差分計算就可以進行載體姿態的測量。

• GPS羅盤正式基於利用載波相位測姿，將兩個GPS接收機沿載體總軸方向安裝，即可進行載體航向的測量。

3.4 3.4 GPSGPS羅盤羅盤二、GPS羅盤原理• 兩個GPS接收器將接收到的同一顆衛星的載波相位觀測值進行差分計算，然後將不同衛星得到的差分結果在進行差分。

• 考慮兩GPS接收器的天線距較近，可讓為兩接收器對同一顆衛星電離層及對流層延遲是一樣的。

3.4 3.4 GPSGPS羅盤羅盤二、GPS羅盤原理（續）• 為了進一步消除模糊度及噪音的影響，目前比較常用的方法是旋轉基線向量法，從「角度」思考，考慮採用天線交換法，實際上，天線交換法可以看作旋轉基線向量法中將基線向量旋轉180度的特例。

• 如果兩接受器能夠同時追蹤相同的四顆以上的衛星，即可算出載體的航向。

3.5 3.5 GLONASSGLONASS衛星導航系統衛星導航系統

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，簡稱GLONASS）為俄羅斯於前蘇聯時代所發展的衛星導航系統，其系統架構及定位方法與GPS系統類似，亦是一全球性、全天候24小時使用之定位系統。

一、GLONASS由來


第一顆GLONASS衛星於1982年10月發射，GLONASS系統共設計24顆衛星（21顆工作衛星與3顆備用衛星）分佈於3個軌道面，衛星高度為19,100公里，軌道傾角為64.8度，衛星的軌道週期為11小時15分。

二、GLONASS簡介


WGS84SGS85（PZ-90）衛星座標系

都卜勒軌道參數衛星位置、速

度、加速度廣播星曆資料表示方法

UTC（USNO）UTC（SU）時間系統

11小時58分11小時15分衛星軌道週期20,200 km19,100 km衛星高度55度64.8度衛星軌道傾斜角4（非均勻分佈）8（均勻分佈）每個軌道衛星數63衛星軌道數24 （21 + 3）24 （21 + 3）衛星數量GPSGLONASS參數

三、GLONASS與GPS系統的比較

每顆衛星之PRN碼均不同

所有衛星之PRN碼相同

PRN

有無SA29.3公尺58.7公尺碼波長10.23 MHz5.11 MHz頻率

P碼L1、L2

有無SA293公尺587公尺碼波長1.023 MHz0.511 MHz頻率

C/A碼L1

碼(Code)

1227.60 MHz1242.9375~1256.5 MHz載波頻率L2

1575.42 MHz1598.0625~1615.5 MHz載波頻率L1

GPSGLONASS參數

3.5 3.5 GLONASSGLONASS衛星導航系統衛星導航系統三、GLONASS與GPS系統的比較（續）

3.5 3.5 GLONASSGLONASS衛星導航系統衛星導航系統四、GLONASS的優點• GLONASS不採用SA模型或其他降低定位精度的技術。

• GLONASS測距精度為10m，GPS則為25m，較GPS精度佳。

• GLONASS傾斜角比GPS大，對於高緯度地區的用戶，可以獲得更高的導航精度。

4.1 4.1 電子地圖簡介電子地圖簡介4.2 4.2 道路選擇演算法道路選擇演算法4.3 4.3 匹配演算法匹配演算法4.4 4.4 影響地圖匹配精度的因素影響地圖匹配精度的因素

第四章第四章

4.1 4.1 電子地圖簡介電子地圖簡介

電子地圖是隨著地理訊息系統和計算機輔助製圖技術的完善和發展而出現的嶄新地圖形式

電子地圖種類很多，如電子地形圖、電子柵格地形圖、電子遙感影像圖、電子模型圖及各種電子專題圖等

4.1 4.1 電子地圖簡介電子地圖簡介 ((續續))

電子地圖的功能-利用電子地圖，車輛定位導航可以完成地址匹配、地圖匹配、路徑規劃、路徑誘導

地址匹配透過經緯度座標來確定街道的地址，或者將地址轉換為經緯度坐標地址匹配要求電子地圖中的道路屬性應包括街道名字和地址範圍等內容


地圖匹配的假設條件是車輛應該行駛在道路上，當導航系統確定車輛位置精度不高時，車輛將徧離道路，地圖匹配的算法就會找到一條最近的道路，並將車輛位置匹配在道路上

地圖匹配包括道路選擇及道路匹配二個過程，為了實現地圖匹配其要求有高精度電子地圖精度應在15M以內


路徑規劃算法是利用地圖的數據，提供以行駛時間和距離最短，或者其它指標最優的路徑

路徑誘導是由接連一步一步的包括街道名字、距離、轉向等說明組成，當接近轉彎時，誘導算法可以通過聲音或圖像提醒駕駛人，並指示何時轉彎


電子地圖性能評估-應包括位置、道路屬性、連接關係等內容，位置中將包括路口經度、緯度和高度及道路中心線等，道路屬性是指道路的名稱和屬性 (如普通通路或高速公路) 道路特性是指如隧道或高架橋，道路限制指如是否為單行道，轉彎限制，還可以包括車道、交通法規等內容

4.2 4.2 道路選擇算法道路選擇算法

主要包括基於幾何學的方法、基於條件概率的方法、基於濾波的方法、Q因子等

4.2 4.2 道路選擇算法道路選擇算法 ((續續))

基於濾波的方法

主要是在候選道路中找出與車輛行駛軌跡形狀最相似的道路作為車輛當前行駛的正確道路


基於條件概率的方法

方法包括D-S証據推理、多假設技術MHT等，這類算法通過計算車輛在各條侯選道路上的行駛的條件概率


基於濾波的方法

對於基於聯邦式卡爾曼濾波方式，通過對聯邦卡爾曼濾波器中的地圖子濾波器的故障檢測來判斷道路選擇的正確性，從而達到選路的目的


Ｑ因子 (Q-factor)算法

Q因子算法的基本思路是：連續計算第i條侯選道路在第k步時的Q因子值

由於Q因子直接受權重參數的影響，算法的性能在很大程度上依賴於權重參數的選擇，如果這些參數不是最準確的，算法的性能也會變差

4.3 4.3 匹配算法匹配算法

1.正交投影算法

是地圖匹配中確定匹配點位置的最常用也是最直觀的一種方法

4.3 4.3 匹配算法匹配算法 ((續續))

2.MAP 估計器

MAP估計器算法是近來發展起來的一種將根據位置估計值的噪聲特性，使得匹配點的后驗概算率最大的一種匹配算法

4.3 4.3 匹配算法匹配算法 ((續續))

3.濾波方法

如果傳感器沒有測量誤差，傳感器輸出的位置就應該在道路上，並且是車輛的真實位置，因此如果可以估計並補償傳感器的誤差，必然可以獲得匹配精度要高於普通的正交投影算法

4.4 4.4 影響地圖匹配精度的因素影響地圖匹配精度的因素

1.路況複雜

真實的道路是多變的，要確保車輛在各種路況上都能夠正確實現定位是比較困難的

a.一般道路 b.平行路

c.都市道路 d.微小角

e.停車場 f.山區道路

g.高架橋 h.地下隧道

4.4 4.4 影響地圖匹配精度的因素影響地圖匹配精度的因素

2.底層數據存在的誤差

進行地圖匹配需要利用傳感器來測量訊息和地圖數據，這些數據都可能存在誤差

a.地圖數據誤差

b.傳感器誤差

c.算法引入誤差

d.車輛行駛中存在特殊情況

5.1 5.1 基於行動通訊網路的無線定基於行動通訊網路的無線定位技術分類位技術分類

5.2 TOA5.2 TOA定位方法定位方法5.3 TDOA5.3 TDOA定位方法定位方法5.4 TOA/TDOA5.4 TOA/TDOA組合定位方法組合定位方法5.5 5.5 影響蜂窩無線定位精度的因素影響蜂窩無線定位精度的因素5.6 CDMA5.6 CDMA小區中無線定位的可實現性小區中無線定位的可實現性

第五章第五章

5.15.1基於行動通訊網路的無線定位技術分類基於行動通訊網路的無線定位技術分類

無線定位過程可分為信號的測量和移動台位置的估計兩個階段，信號測量常用技術可劃分成三類

1.測量電波場強

2.測量信號到達角

3.基于時間的測量

5.2 T0A5.2 T0A定位方法定位方法

1.TOA定位基本原理

2.線性化的TOA定位算法

3.基于最小均方(LMS)聯邦濾波器的TOA

定位算法

4.基于擴展卡爾曼濾波器的TOA定位算法

5.3 TD0A5.3 TD0A定位方法定位方法

1.TDOA測量值估計

2.TDOA基本定位算法

3.TDOA擴展卡爾曼濾波算法

5.4 TOA/TDOA5.4 TOA/TDOA定位方法定位方法

1.基于JDL的組合定位

(1)第一層數據融合

(2)第二層數據融合

(3)第三層數據融合

5.4 TOA/TDOA5.4 TOA/TDOA定位方法定位方法 ((續續))

2.TOA/TDOA擴展卡爾曼濾波算法的融合

(1)TOA/TDOA擴展卡爾曼濾波方程式

(2)TOA/TDOA擴展卡爾曼濾波方程式算法最佳化

5.55.5影響蜂窩無線定位精度的因素影響蜂窩無線定位精度的因素

1.多徑傳播

2.NLOS傳播

3.CDMA多址接入干擾

4.其它誤差源

5.6 CDMA5.6 CDMA小區中無線定位的可實現性小區中無線定位的可實現性

無線蜂窩系統GSM或CDMA在設計上優先保証系統的通信功能，具有下列顯著特點：

為了能夠大小區的系統容量，採用頻率複用的方法

目前無線定位系統實現定位的前提是多個基地台和移動基地台的測量

第六章第六章

6.1 GIS6.1 GIS概述概述6.2 6.2 地理資訊與地理數據地理資訊與地理數據6.3 GIS6.3 GIS的類型的類型6.4 GIS6.4 GIS的功能概述的功能概述6.5 GIS6.5 GIS的研究內容的研究內容6.6 GIS6.6 GIS的起源與發展的起源與發展6.7 GIS6.7 GIS的定義的定義

6.8 GIS6.8 GIS的基本內容的基本內容6.9 GIS6.9 GIS的特性的特性6.10 GIS6.10 GIS的功能的功能6.11 GIS6.11 GIS的應用的應用6.12 6.12 實用實用GISGIS

第六章第六章

6.1 6.1 GGISIS概述概述

地理資訊系統

(Geographical Informatiom System, GIS)

的意義是利用點、線、面等空間數據

(Spatital Data)和描述性數據(Descriptive

Data)進行地理信息的建檔、更新與搜索

6.1 6.1 GGISIS概述概述 ((續續))

GIS的應用範圍很廣，包括對土地、道路、河流、建築物等信息的管理與利用。


GIS的定義是由兩個部份組成

GIS是一門學科

GIS是一個技術系統


GIS-一門學科

描述、存儲、分析和輸出空間信息的理論和方法的一門新的綜合性科學

GIS是一個技術系統

是以地理空間數據庫為基礎，採用地理模型分析的方法，適時地提供多種空間的、動態的地理信息


GIS的特徵

1.GIS具有採集、管理、分析和輸出多種地理訊息的能力

2.GIS由計算機系統進行空間地理數據管理並由計算機程序模擬

3.計算機系統的支持是GIS的重要特徵，因而GIS能快速、精確。

6.2 6.2 地理信息與地理數據地理信息與地理數據

地理訊息是有關地理實体的性質、特徵和適動狀態的表現，它是對地理數據的解釋，地理信息具有區域性、多維結構特性和動態變化特性。地理數據是指各種地理特徵和現象之間關係的符號化表示，包括空間位置、屬性特徵及時態特徵三部份。

6.3 GIS6.3 GIS的類型的類型

GIS 可以分為下列三大類:

1.主題式地理訊息系統主題式地理訊息系統(Thematic GIS),是具有限目標

和專業特點的地理訊息

2.區域訊息系統區域訊息系統(Regional GIS),主要以區域綜合研

究和全面的訊息服務為目標

3.GISGIS工具工具(GIS Tools)，是一組具有圖形數字化、存

儲管理、查詢檢索、分析運算

6.4 GIS6.4 GIS的功能概述的功能概述

GIS的關鍵性問題

可歸納為五個方面的內容

位置(Location)

變化趨勢(tred)

模型(model)

模式(pattern)

條件(condition)

6.4 GIS6.4 GIS的功能概述的功能概述((續續))

位置─即在某種特定的位置有什麼特定的內容。首先，必須定義某個物體或地區信息的具體位置，常用的定義方法式通過各種互動方式鎖定位置，或是直接輸入一個座標；其次，指定了目標或區域的位置後，可以獲得預期的結果及其部分特性例如當前地段所有者、土地利用情況、估價等


條件─即什麼地方有滿足某些條件的東西。首先，可以用下列的方式指定一組條件

變化趨勢─該類問題需要綜合現有數據，以識別已經發生了或正在發生變化的地理現象


模式─該類問題是分析與已經發生或正在發生事件有關的因素

模型─該類問題的解決需要創建新的數據關係以產生解決方案


數據的蒐集、監測與編輯

數據的收集、監測與編輯主要用於獲取數據，並保證GIS數據庫中的數據在內容與空間上的完整性、數值邏輯一致性與正確性等。

數據儲存組織

數據儲存組織是創建GIS數據庫的關鍵步驟、涉及空間數據和屬性數據的組織


空間查詢與分析

空間查詢是GIS及許多其他自動化地理數據處理系統應具備的最基本的分析功能；而空間分析是GIS的關鍵性功能，也是GIS與其他計算機系統的根本區別

6.5 GIS 6.5 GIS 研究內容研究內容

GIS基本理論研究

GIS基本理論研究包括研究GIS的概念、定義及內涵；GIS的信息論研究；創建地理數據系統的理論體系，研究GIS的構成、功能、特點及任務；總結GIS的發展歷史，探討GIS的發展方向等理論問題

6.5 GIS 6.5 GIS 研究內容研究內容((續續))

GIS的技術系統設計

GIS技術系統設計包括GIS的硬體設計與配備；地理空間數據結構及表示

6.5 GIS 6.5 GIS 研究內容研究內容((續續))

GIS 應用方法研究

GIS應用方法研究包括研究應用系統設計和運行方法；數據採集與校訂；空間分析函數與主題式分析模型

6.6 GIS6.6 GIS的起源與發展的起源與發展

自人類社會形成以來，人們在生產活動和社會活動中不斷進行著訊息的獲取、交換和使用。從古代文明到現代社會，地理工作者、測繪工作者、航海家都致力於空間數據的收集整理，製圖工作者則以地圖方式表是這些數據。地圖做為監數據的載體長期為航海軍事及經濟建設服務。

6.7 GIS6.7 GIS的定義的定義

訊息(information)是用數字、文字符號、語言等介質來表示事件、事物、現象等的內容、數量或特徵。信息向人們(或系統)提供了關於現實世界新的事實的支是，作為生產、管理、經營、分析和決策的依據。訊息具有客觀性、適用性、可傳輸姓、和共享性等特徵。地理訊息是指與研究對象的空間地理分布有關的訊息

6.8 GIS6.8 GIS的基本內容的基本內容

數據使用權，品質保證與標準，法律意義，GIS管理，教育和培訓六、機構問題

應用領域，全球尺度上的應用，用於GIS決策，項目管理，價格─效益分析

五、GIS應用

硬件，數據存儲媒介，處理器及處理環境，顯示，生產系統舉例四、GIS操作

不同層次信息的數字表達，數據模型(柵格、向量、目標尋向)，誤差，向量/柵格討論，計算機技術的進展

三、計算機環境下的運行

空間數據類型，地理參考，地圖投影，坐標變換，空間的基本概念，對點，線、面和表面的基本操作

二、GIS的制圖與空間分析概念

GIS的定義及歷史，商品化的數據和信息，GIS的應用潛力實例一、GIS概況

GIS應用領域，決策支援，系統規劃，系統運行，GIS新方向三、GIS的應用

坐標系統及地理編碼，向量數據結構及算法，柵格數據存儲，關於地表的數據結構和算法，客體與時間，數據庫，誤差模擬與數不確定性，可視化

二、GIS技術問題

引言，硬/軟件，柵格GIS，信息獲取，空間數據的性質，空間現象及關系，GIS的功能，柵格/向量數據模型對比及相關問題

一、GIS概況

內容標題

6.8 GIS6.8 GIS的基本內容的基本內容((續續))

從上表可以看出，GIS的內容主要包括：有關的計算機軟，硬体；空間數據的獲取；空間數據的表達及數據結構；空間數據的處理；空間數據的管理；空間數據的分析；空間數據的顯示與可視化；GIS應用；GIS的項管理、開發、品質保證與標準化；GIS機構設置與人員培訓等。

6.9 GIS6.9 GIS的特性的特性

續前章所述 GIS技術基礎出自：

計算機製圖1

資料庫管理3

計算機輔助設計2

遙測圖形處理4

6.9 GIS6.9 GIS的特性的特性((續續))

地理信息系統的主要技術基礎，渉及GIS中的空間數據採集、表示、處理、可視化，甚至空間數據的管理

一個功能完備的地理信息系統可以包含數字化制圖系統的所有功能，此外它還應具有豐富的空間分析功能。

輔助製圖

輔助製圖

地理訊息

地理訊息

GIS

GIS與輔助製圖系統的區別與聯繫


計算機輔助設計(CAD)系統是計算機技術用於機械、建築、工程和產品設計的系統，它應泛用於各種產品和工程的設計，大至飛機，小到微芯片等。它主要用於代替或輔助工程師們進行各種設計工作，也可以與計算機輔助制造(CAM)系統共同用於產品加工中作即時控制。

GIS與CAD的區別與連繫


GIS與CAD的共用特點是二者都有坐標參考系統，都能描述和處理圖形數據及其空間關係，也都能處理非圖形屬性數據。它們的主要區別是，CAD處理的多為規則幾何圖形及其組合，圖形關係極強，屬性功能相對較弱；而GIS處理的多為地理空間的自然目標和人工目標，圖形關係復染，需要有豐富的符號庫和屬性庫。

6.10 GIS6.10 GIS的功能的功能

不同的GIS軟件側重於不同的應用領或，因而在具体功能上差異較大。本節列出GIS Word雜誌統計的GIS軟件的主要特徵與功能。

1.GIS軟件產品的基本類型GIS 市政管理自動化制圖數據採集格式轉換 CAD文本管理桌面制圖影像制圖數據庫管理遙測處理 GPS地理編碼

6.10 GIS6.10 GIS的功能的功能((續續))

2.GIS軟體支持的操作系統和數據庫管理系統(1)操作系統UNIX DOS MacintoshWindowsNT OS/2 Windows其他


(2)數據庫管理系統Access 內部數據庫 DB2DBase DB FoxBaseOODBMS IMS INFOInfomix Ingress OracleOS/DB2 Paradox R BaseSybase

3.GIS軟件的數據結構、地理坐標和數據整合能力(1)數據結構向量柵格三維TIM 其他


(2)地理坐標地理經緯度平面坐標 UIM用戶定義坐標變換地圖投影投影變換其他(3)數據整合與交換柵格至向量向量至柵格向量與柵格叠格

4.GIS軟件的數據獲取方式、數據編輯和數據顯示功能(1)數據獲取移動跟蹤掃描儀 GPS攝影測量游標野外測量

(2)數據編輯拓撲向量化柵格數字化線生成接邊拓扑誤差檢查屬性域檢查懸掛點檢查接點適配

(3)數據顯示多幅圖疊加投影透視圖網狀透視圖主題式地圖疊加用戶格圖制圖元素改變注記大小設置註記角度沿地物註記動畫多媒体



5.GIS軟件所支持的數據格式

ARC AVHRR CGMUSGSDEM DIGEST OLGDIED DXF EDIGEOERDASETAR GIRAS HPGLIGDS IGES ISIFLandsat MOSS NIFSDTS SIF SPOTTIGER ASC II VPF其他


6.GIS軟件的分析功能(1)幾何測量直線距離孤段距離面積

(2)檢索由滑鼠查詢由鍵盤查詢由屬性查詢SOL(Structural Query Language)結構化查詢語言(3)緩衝區分析點緩衝線緩衝多邊形緩衝加權緩衝(4)地圖分析重新編碼與分類多層疊加平均格網值最大最小格網值邏輯組合加減地圖

乘除地圖視窗內平均值梘窗內最大最小值視窗內總值視窗內最頻繁格網值聚堆形態分析(5)地形分析坡度任意點內插高距離點透視分析線或面透視分析生成等高線用戶定義斷裂線計算最優化路徑生成斷面填方計算(6)網路分析網路最短路徑累計屬性值路由分配空間領或搜索最近領或搜索地址分配動態分割


6.11 GIS6.11 GIS的應用的應用

儘管GIS有者廣泛的應用潛力，但它的應用權在少數領或比較比熟，例如地圖制圖與數據盛行、自然資源管理評估、城市與區域規劃及在美國、加拿大等國的人口普查。早在1990年美國聯邦政府已有62個機構使用GIS，其中18個已用於常規操作。聯邦各部門的主要應用包括以下8個方面。

6.11 GIS6.11 GIS的應用的應用((續續))

GIS

地形製圖

導航系統

鐵路模型

礦產評估

環境評估

主題地圖

土地

水源

教練模擬

6.12 6.12 實用實用GISGIS

實用地理資訊系統可以綜合反應在很多的方面

1.自然和人文整合

2.科學與技術的整合

3.物質與人的整合

4.學科的整合

7.1 GIS7.1 GIS的體系結構的概述的體系結構的概述7.2 GIS7.2 GIS的硬體配備的硬體配備7.3 7.3 電腦及網路設備電腦及網路設備7.4 7.4 存儲設備存儲設備7.5 7.5 輸入設備輸入設備7.6 7.6 輸出設備輸出設備7.7 GIS7.7 GIS的軟體架構的軟體架構

第七章第七章

7.1 GIS7.1 GIS體系結構體系結構

User

Data

GIS

Hardware

Software

7.1 GIS7.1 GIS體系結構體系結構 ((續續))GIS由計算機的軟、硬體及數據和用戶四大要素組成

用戶

數據軟體硬體

7.1 GIS7.1 GIS體系結構體系結構 ((續續))

硬體包括各類計算機處理器及其輸入/輸出和網路設備。

軟體是支援訊號的收集、處理、儲存管理和可視化輸出的計算機程序系統。

7.1 GIS7.1 GIS體系結構體系結構 ((續續))

數據包括圖形和非圖形數據、定性和定量數據、影像數據及多媒體數據。

用戶為GIS的服務對象/GIS主人，GIS的用戶分一般用戶和從事系統的創造、維護、管理及新的使用者。

7.2 GIS7.2 GIS體系結構概述體系結構概述

計算機硬體系統是計算機系統的實體裝置的總稱，可以是電子電磁、機械、光形式的組件或裝置，是GIS的實體外殼。

硬碟印表機繪圖機

掃描機遙測圖像遙測圖像處理系統

計算機網

路

7.2 GIS7.2 GIS體系結構概述體系結構概述((續續))

計算機系統軟體是由計算機廠商提供的，通常包括操作系統、組合程式、編譯程序、診斷程式、庫存程式及說明等。

用戶窗口數據輸入與校對

數據儲存管理應用分析程式

數據輸出與表示空間分析函數轉換

GIS功能架構圖

7.2 GIS7.2 GIS的硬體配備的硬體配備

GIS的硬體配備根據經費條件，應用目的規模及地域分布可以有以下模式

單機模式

區域網模式

廣域網模式

7.3 7.3 計算機及網路設備計算機及網路設備

計算機主要組件包括中央處理器及隨機存取記憶體，當計算機與路相連時，網路傳輸速度也是影響計算機效率的主要因素之一

7.3 7.3 計算機及網路設備計算機及網路設備 ((續續))

中央處理器

隨機存取記憶體

網路

7.4 7.4 存儲設備存儲設備

磁碟驅動器一直是計算機的主要存儲裝置可以分為硬式磁碟機及軟式磁碟機，另外也還有可讀寫光碟機供使用者來選擇

7.5 7.5 輸入設備輸入設備

數字化儀

掃描儀

解析和數字攝影測量儀器

其他儀器

全數字攝影測量工作站

7.6 7.6 輸出設備輸出設備

向量繪圖機

柵格式繪圖設備

圖形終端機

7.7 GIS7.7 GIS軟體架構軟體架構軟體是GIS的關鍵，關係到其功能的實現按照GIS對數據進行採集、加工、管理、分析和表達可以GIS基礎軟體分為五大子系統

7.7 GIS7.7 GIS軟體架構軟體架構 ((續續))

數據輸入子系統

圖形及屬性編輯子系統

空間資料庫管理系統

製圖與輸出子系統

空間查詢與空間分析子系統

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