全球定位系統(Global Positioning System)是一套由美國國防部(Air Force)建構的衛星定位系統，其基本原理乃是利用繞著地球的24顆衛星所發射的信號，再加以幾何上的計算，來得到接收者的笛卡爾座標(Cartesian Coordinate)，另一個與此相當的系統是由前蘇聯所建構之定位系統(Global Navigation Satellite System, GLONASS)。

《圖一　完整資料框圖示》

GPS基本概念

基本上，此系統也是由24顆衛星所組成，這24顆衛星分別分佈在3 個軌道面上，每一個軌道面又分別由8顆衛星以相差45度(Latitude)均勻分佈，此軌道面之高度約為19100Km，衛星運行一周需費11小時又15分鐘，因為本文主要是介紹美國所建構之定位系統(Navstar GPS)，所以有關GLONASS的部份就不多敘述。

簡單地說，全球定位系統是一個以空間為基準，利用無線電波與時間差來測量距離的一個系統，它能夠提供精準的位置資料、速度、以及時間。整個系統可以被區分為三大部分，我們稱之為 Space Segment、 Control Segment和User Segment。第一個 Space Segment，主要就是由24顆衛星運行於半同步軌道，所謂半同步軌道指的就是衛星運行一周需費大約12小時 (11小時又58分鐘 ) 所以在一天之中，同一顆衛星剛好出現在一個固定不動的使用者的頭頂上一次 (23小時又56分鐘 )，這24顆衛星以每個軌道4 顆衛星均勻的分佈在6個軌道面上，每個軌道面都與赤道相差55度的傾斜角，而這些衛星所在的軌道高度平均約為20200Km。

這24顆衛星所發射出來的測距信號有兩個頻道( D-Band )，其一稱之為L1， 發射頻率為1575.42MHz。其二為L2，發射頻率為 1227.6MHz。這兩個為載波頻率負責將展頻信號以高頻載波來傳送，GPS所使用的展頻通訊(Spread-Spectrum)技術，將會在文中詳加介紹。

《圖二　簡單的方塊圖》

GPS 採用之通訊技術

接收器之位置計算原理，基本上是由衛星所播送下來的測距碼，經由GPS接收器量測到其衛星訊號的發射時間，再與接收器上的接收時間一比對，即可利用時間差及傳送速度計算出衛星與接收器之間的距離。

C/A碼的產生

而50Hz的資料信息碼，可更進一步提供了接收器接收到衛星訊號當時的衛星位置，再利用這些資料所成立的聯立方程式，求出接收器的座標軸位置，並校正接收器上時序的偏差量。一個3D的位置解，需要有最少4個衛星的資料被鎖定。

要清楚了解GPS整個的通訊技術原理，就必須知道衛星播送的測距碼(C/A code)。C/A 碼是由1023個擬亂碼(pseudo-random code)，以時脈速率1.023MHz所組成，所以一組C/A 碼frame(1023 bits)將會以每1ms的時間一直重覆，這樣短的C/A 碼設計是為了能讓接收器在較短的時間內追蹤到衛星訊號，每一個衛星都有它自己一組固定的C/A 碼以資辨認，這些C/A 碼都是Gold Codes，P 碼是一組時脈速率為10.23MHz的擬亂碼，由於P codes 只開放給軍事用途，所以在此我們也不多加以討論。

除了C/A碼之外，最重要的就是 50Hz 的衛星資料信息碼，在衛星上，這個信息碼將會與C/A碼做convolution，再調變到L1的載波上，此信息碼包含的資料有發射此信息碼的衛星本身的精密軌道資料，也包含有其他衛星的基本軌道資料，除了這些之外，還有信息碼的發射時間、一個轉換字元(Hand Over Word, HOW)使用於C/A碼切換成P碼、時序校準資料、衛星本身及其他衛星的機件運作是否正常的資料、電離層傳播延遲參數及計算UTC的係數等。

信息碼

一個完整的資料信息碼是由25個資料框(Frame)所組成，而每一個資料框又各含有1,500 位元，其中每個資料框又再被分割成5個子資料框各分別有300個位元，(圖一)是一個完整資料框的圖示。以50Hz的資料傳輸速率來講，一個子資料框需要6秒，一個資料框需要30秒，而完整的25個資料框就需要12.5分鐘了。

值得注意的一點是，在完整的一組25個資料框中，每一個資料框的前3個子資料框的資料是固定不變的。由於前3個子資料框的資料是所謂發射此信息碼的衛星本身的精密軌道資料(ephemeris)，以及時序校準資料等，這表示與此衛星本身相關的資料會每30秒鐘更新一次，而後2個子資料框的資料是其他衛星的基本軌道資料，由於這比資料量較大，所以必須以25個資料框的時間才能全部傳完。

展頻動作

瞭解C/A 碼及信息碼後，我們再將這兩個碼做convolution，在這裡也等於做展頻的動作，因為信息碼的頻寬小(50Hz)而C/A 碼的頻寬則較大(1.023MHz)， 所以等於是把信息碼的頻寬擴展大了，接著在以BPSK的調變模式(當位元從邏輯0變到 1或由 1變到0時 載波的相位必須變化180度)將訊號載到L1的頻率，(圖一)為其簡單的方塊圖。

衛星接收端的任務

前述所提到的都是屬於衛星發射端的信號，而在接收器端做的工作流程是：找尋C/A碼並鎖定之、C/A碼補獲、載波補獲、信息碼位元同步、資料框位元組同步、搜尋並辨認其他未鎖定之衛星、計算與各衛星間之距離(pseudorange)以及解聯立方程式的位置。

典型的衛星追蹤方式會先由接收器來決定現在有哪幾號衛星在接收器的天空，然後接收器會鎖定某一個衛星來進行辨認(acquisition)的過程，當然，之所以能夠決定有哪幾號衛星在接收器的天空，是取決於儲存在接收器內的衛星軌道資料及接收器的時間和位置。

在接收器的規格裡把這樣的開機方式稱為暖開機或熱開機。相對地，當接收器裡什麼資料都沒有時的開機方式，就稱為冷開機。這時候接收器的軟體就要規劃一個較有系統的方法來搜尋衛星，一旦有一顆衛星被鎖定後，接收器就可以利用所解讀到的信息碼而得知有哪幾號衛星在接收器的天空上。

GPS的特殊技術

一般而言，在地面上接收到的衛星信號強度已經比接收器本身的熱雜訊還低。這是因為展頻過以及較長的傳播距離所致，為了將衛星訊號從這些雜訊中截取出來，GPS 採用了碼相關比對技術 (code correlation )，接收器本身會先產生一組碼來跟從衛星收到的訊號做比對，當兩組碼一樣時，相關值最大，這時解展頻後就可以得到原來的信號頻譜，其過程可以參考(圖二)。

《圖三　光譜層及其重建》

GPS晶片

《圖四　混波器設計常用的CMOS架構》

一般商業用的GPS晶片組都是由一個射頻IC與一個基頻IC組成。射頻IC的主要功能是將GPS的1.57542GHz載波降頻至基頻。其主要是由低雜訊放大器、混波器、自動增益控制、鎖相迴路以及類比/數位轉換器所形成。一般這樣的晶片設計都會採用Bi-CMOS的製程，以兼顧Bipolar快速、高增益、高驅動力、低寬頻雜訊和CMOS的低功耗、高密度等好處。(圖三)

在Down-converter混波器設計中最常使用到的CMOS架構，如(圖四)所示，這個設計並不需要其他更多的元件，由於採用的是雙正交結構，因此有非常高的正交相位準確性。

鎖相迴路主要是由VCO以及Prescaler 所構成。在VCO的設計裏，我們最在乎的就是相位雜訊 最常用的設計有所謂的「Ring Oscillator」和「LC-tank Oscillator 」，其原理乃是利用Bondwire 作為一個High Q電感，製成LC-tank Oscillator。(圖五)

《圖五　Down converter常用的CMOS架構》

射頻IC與GPS

乍看之下，好像射頻IC與GPS接收器的設計並沒有相依的關係，但目前各家的射頻IC設計都有自己的頻率規劃(frequency plan)，也就是有不同的中頻頻率、基頻頻率以及參考頻率，因此並不能共用。

絕大多數的基頻信號處理IC都是由CMOS製成，一般的信號處理晶片除了具備有de-spread 的correlators 之外，也都還包含有UART、 Memory及其他邏輯電路。我們以DRAM為例來說明記憶體的設計，(圖五)是一個基本的DRAM方塊圖，週邊電路的用途分別是用來選定位址及讀寫資料。一個單元的記憶體(Cell)(圖六)， Cs 儲存電荷以指示狀態，而n-Channel MOSFET 作為Access開關。

《圖六　基本的DRAM方塊圖》

GPS的市場現況

隨著全球定位系統在日常生活中的普遍化，舉凡手提電腦、個人電子助理、行動通訊手機、無一不與GPS互相整合。而使得全球定位系統不得不與行動通訊相結合的原因，除了市場趨勢(行動通訊之附加價值)之必然外，美國聯邦通訊委員會(FCC)的E911規定也是其中的推手之一。

市場商機

E911 的規定在2001年10月到2002年6月之間，行動通訊手機必須有50%以上具有位置定位功能，並且其精確度必須在125米以內。然後在2005年底以前必須有95%以上的行動通訊手機必須有定位功能，而且精確度更進一步要求至15米的範圍之內。

在這樣的規範之下各個手機大廠無不尋求GPS廠商進行合作。當然提供定位的解決方案不惟有全球定位系統，關於其他的技術我們也會加以說明。

除了FCC的規範之外，日本最大的電信業者NTT DoCoMo也推出Location Agent的加值服務，雖然這主要不是用在緊急救護的應用上，但是其加值服務所製造的商機卻不容忽視，因此這也是GPS廠商極欲分食的一塊大餅。

另外在歐洲也有類似FCC E911緊急救援的規範。這些都是促成GPS與行動通訊整合的動力。而利用行動通訊與定位資訊所衍生的應用相當多，簡單的可提供所在地周邊的資訊，如加油站、停車場、餐飲等。複雜的則還可應用位置資料來收取費用，最明顯的例子就是新加坡的入城規費。

GPS廠商概況

《圖七　一個單元的記憶體》

目前提供GPS的廠家可大致區分為四類，第一類是只提供晶片(GPS Chipset)然後支援客戶研發終端產品(end product)的廠家，如美商瑟孚、Phillip、 IBM、 A&D、ST等；第二類是只提供GPS模組的廠家，如Motorola、 Rockwell 和第一類供應商的客戶。

至於第三類是指提供一般商用終端產品的廠家，這類的終端產品有汽車導航器、船用/飛機用/個人用導航器，其特點就是含有方便的導航軟體、友善的人機介面(如LCD、顯示器、Keypad)，甚至再加上2-way transceiver (在此汎指GSM CDPD Trunk Radio WCDMA等)，此類廠家如Garmin、 Trimble、 Magellen 台灣的長天、 鼎天等。第四類廠家指的是生產高精確度的GPS接收器，也就是有得到P碼授權的業者，如Leica。當然也有少數提供IP整合方案的廠商如SiRF、Parthus。

目前特別在消費性電子產品上著力，並且已與行動通訊大廠合作，而能夠提供Location Based Service 的只有SiRF 和 SnapTrack。

隨著消費性電子產品的應用層面日廣，不少電子產品都在積極地規劃整合GPS的導航功能，最普遍的如電子地圖公司、汽車導航系統、行動電話、PDA、Smart Phone等。一旦GPS的導航功能搭配上適當的電子地圖與規劃完善的導航軟體，則未來GPS將會成為人人必備的生活必需品。(本文作者為台北科技大學兼任講師)