GPS列车振动测定器在轨道养护管理的应用

1GPS列車車振振動動測測定定器器在在軌軌道道養養護護管管理理之之應應用用指導導教教授授：：鄭鄭明明淵淵教教授授學生生：：吳吳慶慶芳芳論文文進進度度報報告告(3)2英文文全全稱稱「「NavigationSatelliteTimingandRangingGPS」簡稱稱NAVSTAR，翻翻譯譯成成中中文文導航航星星一般般使使用用英英文文字字GPS代表表這這系系統統GPS為GlobalPositioningSystem簡稱稱直接接翻翻譯譯為為全球球(衛星星)定位位系系統統利用用此此系系統統精精確確定義義空空間間一一個個點點的的坐坐標標GPS系統統意意義義說說明明3全球球衛衛星星定定位位系系統統簡簡介介GPS系統統意意義義、架構構GPS定位位基基本本觀觀念念GPS的組組成成、頻率率、訊號號GPS座標標系系統統WGS841984世界界大大地地基基準準TWD671967台灣灣大大地地基基準準TWD971997台灣灣大大地地基基準準4GPS衛星星在在空空中中的的運運行行軌軌道道56一、、太太空空部部分分：：衛星星二、、控控制制部部分分：：追蹤蹤衛衛星星、、控控制制衛衛星星運轉轉軌軌道道、、傳傳送送數數據據給給衛星星(5個衛衛星星監監測測站站、、1個主主控控站站及及3個發發射射站站組組成成)三、、使使用用者者部部分分：：接收收儀儀GPS定位位系系統統包包括括三三部部份份7GPS定位位系系統統之之架架構構8一、、太太空空部部分分GPS目前前共共用用24顆工工作作衛衛星星及及3顆備備用用衛衛星星配置置於於六個個軌軌道道面上上，，每每個個軌軌道道布布放放四顆顆衛衛星星高度度20,200公里里，每每顆顆衛衛星星可可覆覆蓋蓋地地面面38%運轉轉一一週週要要11小時時58分，故故一一天天繞繞地地球球運運行行二二圈圈。衛星星軌軌道道相相對對於於地地球球赤赤道道面面的的傾傾角角為為55∘軌道道平平面面升升交交點點的的赤赤經經相相差差60∘精確確定定位位要要能能收收到到至至少少四顆顆衛衛星星的訊訊號號衛星星數數量量越越多多，，定定位位精精度度越越高高9二、、控控制制部部分分一個個主主控控制制站站科羅羅拉拉多多斯斯普普林林斯斯（（ColoradoSprings）三個個地地面面天天線線五個個監監控控站站科羅羅拉拉多多斯斯普普林林斯斯（（ColoradoSprings）、、夏夏威威夷夷（（Hawaii）、、關關島島（（Kwajalein）、、阿阿森森松松島島（（AscensionIsland）及及迪迪戈戈加加西西亞亞（（DiegoGarcia）等等五五處處10主控控制制站站及及五五個個監監控控站站分分布布11監控控站站之之功功能能每個個監監測測站站均均有有一一部部GPS雙頻接接收儀儀（L1、L2）、標標準原原子鐘鐘、氣氣象感感測器器及資資料處處理器器監測站站座標標均經經前美美國國國防製製圖局局精密密測量量而得得。每個監監測站站24小時連連續追追蹤觀觀測每每一顆顆衛星星，並並將每每1.5秒之虛虛擬距距離觀觀測量量及觀觀測所所得的的氣象象資料料及電電離層層資料料聯合合求解解得每15分鐘一組之之勻化化數據據（Smoothedmeasurements），再再將資資料傳傳送回回主控控制站站。12蒐集數數據：：蒐集各各監測測站所所測得得的虛虛擬距距離與與積分分都卜卜勒觀觀測值值、氣氣象要要素、、衛星星時鐘鐘和工工作狀狀態的的數據據及監監測站站本身身的狀狀態數數據。。計算導導航訊訊息：計算算每一一顆衛衛星的的星曆曆、時時鐘改改正、、狀態態數據據、衛衛星信信號的的大氣氣傳播播改正正數據據，依依一定定的格格式編編制成成導航航訊息息，傳傳遞給給地面面天線線。主控制制站之之功能能(一)13診斷狀狀態：：監測整整個地地面監監測系系統是是否正正常運運作，，檢查查傳遞遞到地地面天天線將將發送送給衛衛星的的導航航訊息息是否否正確確，監監測衛衛星是是否正正常傳傳送導導航訊訊息給給使用用者。。調度衛衛星：：當GPS衛星偏偏離軌軌道位位置太太遠時時，主主控制制站可可以對對它進進行軌軌道修修正，當某顆顆衛星星失效效時，，主控控制站站可以以調度度備用用衛星星來取取代。。主控制制站之之功能能(二)14三、使用者者部份份使用者者部份份所指指的就就是能能接收收GPS衛星訊訊號及及資料料處理理的接接收儀儀依其組組成部部分及及功能能可分分軟體部部分硬體部部分15GPS衛星測測量乃乃利用用GPS衛星星發發射射之之無無線線電電訊訊號號，，以以測測定定點點位位的的三三度度空空間間座座標標之之定定位位系系統統，，基基本本上上為為距距離離的的量量測測，，即即量量測測未未知知點點（（接接收收儀儀））與與已已知知位位置置的的衛衛星星之之間間的的瞬瞬時時距距離離(即所所謂謂後後方方交交會會的的原原理理)，並依依據據差分分法法平差差計計算算座座標標進進行行定定位位。GPS定位位基基本本觀觀念念16GPS組成成的的頻頻率率GPS組成成的的頻頻率率：：L1、L2兩種種。L1：波波長長19.03公分分頻率率1575.42MHz(10.23MHz*154)L2：波波長長24.42公分分頻率率1227.60MHz(10.23MHz*120)17GPS的訊訊號號L1和L2上又又分分別別調調製製成成多多種種信信號號C/A碼：：調製製在在L1載波上，，可用其其PRN號來區分分衛星星它們。。C/A碼是普通通用戶用用以測定定測站到衛星間間的距離離的一種種主要的的信號。。P碼：調製在L1和L2載波上，，在實施施AS(ANTI-SPOOFING)時，P碼加W碼成為保保密的Y碼，此時，，一般用用戶無法法利用用P碼來進行行導航定定位。導航訊息息：調製在L1載波上，，包含有有GPS衛星的軌 道參參數、衛衛星時鐘鐘改正數數和其他一一些系統參數數。用戶一一般需要要利用此此導航資資訊來計計算某一一時刻刻GPS衛星在地地球軌道道上的位位置，導航訊訊息也被被稱爲廣廣播星曆曆。18GPS的訊號19虛擬距離離觀測量量：使用PRN電碼來進進行距離離的量測測；C/Acode、Pcode優點：處理簡單單，定位位要求低低，不存存在在整數數週波未未定值問問題，即即時定定位。缺點：精度低，，C/A碼的精度度爲3m，P碼精度在在30cm左右。GPS觀測量20載波相位位觀測量量：即L1、L2及其各種種線性組組合優點：精度高，，優於2mm缺點：處理過程程複雜，，存在整整數週波波未未定值問問題。GPS觀測量21衛星軌道誤差、衛衛星時鐘誤差；電離層遲延誤差差、對流層遲延誤差差、多路徑效效應(GPS天線於訊訊號接收收時，影影響最大大者)觀測誤差差、接收儀時鐘誤差、週波未定值與週波脫落、相位中心位位置偏差、天天線高量測誤誤差；SA及AS效應GPS之誤差來源22SA效應SA(SelectiveAvailability)擇用性效應在廣播星曆中中加入誤差，，即人為降低星星曆的精度。。在衛星時鐘的的信號中加入入誤差，使鐘頻產生快快速變化(即所謂鐘頻抖抖動)，即人為降低低星曆的精度度。1990年3月25日開始實施，，故意降低導導航精度。使得平面精度度100m，高程精度100~170m軍事用接收儀儀可以克服SA利用差分定位位模式(DGPS)可以克服SA已解除SA(2000年5月2日)23AS效應AS(Anti-spoofing)反電子干擾和和電子欺騙技技術對精密碼的碼碼結構進行保保密，以防敵敵方進行電子子干擾和電子子欺騙的技術術。將P碼與保密的W碼相加而成Y碼。當AS實施時P碼無法使用。。唯有“key”的接收儀才能能使用。GPS接收儀廠商利利用各種方法法找回P碼，提供使用用。於1994年1月31日開始實施。。24單點定位：GPS單點定位的基基礎，即為空空間距離的後後方交會；測測站座標X、Y、Z及接收儀時鐘鐘誤差dT，共四個未知知數，因此單單點必須觀測測四個以上的的衛星。相對定位：其基本原理乃乃使用兩部接接收儀，其中中一部設置於於已知座標的的點上，稱為為主站，另一一部稱為待測測站或移動站站。單點定位與相相對定位25單點定位26相對定位27GPS座標系統WGS84座標系統：GPS之全球性座標標系統台灣地區二度度分帶座標系系統：TWD67二度分帶TWD97二度分帶28WGS84、TWD97、TWD67座標

GPSTWD97TWD67參考橢圓體WGS84GRS80GRS67(InternationalUnionofGeodesyandGeophysics1980年制定)長半徑637813763781376378160短半徑63567526356752.3146356775扁率1/298.2572235631/298.2572221011/298.25投影方式

橫麥卡托投影經差二度分帶

適用地區

台灣,琉球嶼,綠島,蘭嶼,龜山島澎湖,金門,馬祖東沙地區南沙地區

中央子午線(東經)

121度119度117度115度121度原點向西平移值

250000

中央子午線尺度比

0.9999

29座標轉換流程程GPS接收器採用的的座標系統是是WGS84座標系統，台台灣是以GRS67、GRS80做為橢球參考考體，採橫麥麥卡脫投影座座標系統。因因此需要藉著著數學模式來來進行座標轉轉換的工作，，以便將GPS接收到的座標標投射在地圖圖上30W