全球定位系统(Global Positioning System)是一套由美国国防部(Air Force)建构的卫星定位系统，其基本原理乃是利用绕着地球的24颗卫星所发射的信号，再加以几何上的计算，来得到接收者的笛卡尔座标(Cartesian Coordinate)，另一个与此相当的系统是由前苏联所建构之定位系统(Global Navigation Satellite System, GLONASS)。

《图一 完整数据框图标》

GPS基本概念

基本上，此系统也是由24颗卫星所组成，这24颗卫星分别分布在3 个轨道面上，每一个轨道面又分别由8颗卫星以相差45度(Latitude)均匀分布，此轨道面之高度约为19100Km，卫星运行一周需费11小时又15分钟，因为本文主要是介绍美国所建构之定位系统(Navstar GPS)，所以有关GLONASS的部份就不多叙述。

简单地说，全球定位系统是一个以空间为基准，利用无线电波与时间差来测量距离的一个系统，它能够提供精准的位置资料、速度、以及时间。整个系统可以被区分为三大部分，我们称之为 Space Segment、 Control Segment和User Segment。第一个Space Segment，主要就是由24颗卫星运行于半同步轨道，所谓半同步轨道指的就是卫星运行一周需费大约12小时(11小时又58分钟) 所以在一天之中，同一颗卫星刚好出现在一个固定不动的使用者的头顶上一次(23小时又56分钟)，这24颗卫星以每个轨道4 颗卫星均匀的分布在6个轨道面上，每个轨道面都与赤道相差55度的倾斜角，而这些卫星所在的轨道高度平均约为20200Km。

这24颗卫星所发射出来的测距信号有两个频道( D-Band )，其一称之为L1， 发射频率为1575.42MHz。其二为L2，发射频率为 1227.6MHz。这两个为载波频率负责将展频信号以高频载波来传送，GPS所使用的展频通讯(Spread-Spectrum)技术，将会在文中详加介绍。

《图二 简单的方块图》

GPS 采用之通讯技术

接收器之位置计算原理，基本上是由卫星所播送下来的测距码，经由GPS接收器量测到其卫星讯号的发射时间，再与接收器上的接收时间一比对，即可利用时间差及传送速度计算出卫星与接收器之间的距离。

C/A码的产生

而50Hz的资料信息码，可更进一步提供了接收器接收到卫星讯号当时的卫星位置，再利用这些资料所成立的联立方程式，求出接收器的座标轴位置，并校正接收器上时序的偏差量。一个3D的位置解，需要有最少4个卫星的资料被锁定。

要清楚了解GPS整个的通讯技术原理，就必须知道卫星播送的测距码(C/A code)。 C/A 码是由1023个拟乱码(pseudo-random code)，以时脉速率1.023MHz所组成，所以一组C/A 码frame(1023 bits)将会以每1ms的时间一直重覆，这样短的C/A 码设计是为了能让接收器在较短的时间内追踪到卫星讯号，每一个卫星都有它自己一组固定的C/A 码以资辨认，这些C/A 码都是Gold Codes，P 码是一组时脉速率为10.23MHz的拟乱码，由于P codes 只开放给军事用途，所以在此我们也不多加以讨论。

除了C/A码之外，最重要的就是50Hz 的卫星资料信息码，在卫星上，这个信息码将会与C/A码做convolution，再调变到L1的载波上，此信息码包含的资料有发射此信息码的卫星本身的精密轨道资料，也包含有其他卫星的基本轨道资料，除了这些之外，还有信息码的发射时间、一个转换字元(Hand Over Word, HOW)使用于C/A码切换成P码、时序校准资料、卫星本身及其他卫星的机件运作是否正常的资料、电离层传播延迟参数及计算UTC的系数等。

信息码

一个完整的资料信息码是由25个资料框(Frame)所组成，而每一个资料框又各含有1,500 位元，其中每个资料框又再被分割成5个子资料框各分别有300个位元，(图一)是一个完整资料框的图示。以50Hz的资料传输速率来讲，一个子资料框需要6秒，一个资料框需要30秒，而完整的25个资料框就需要12.5分钟了。

值得注意的一点是，在完整的一组25个资料框中，每一个资料框的前3个子资料框的资料是固定不变的。由于前3个子资料框的资料是所谓发射此信息码的卫星本身的精密轨道资料(ephemeris)，以及时序校准资料等，这表示与此卫星本身相关的资料会每30秒钟更新一次，而后2个子资料框的资料是其他卫星的基本轨道资料，由于这比资料量较大，所以必须以25个资料框的时间才能全部传完。

展频动作

了解C/A 码及信息码后，我们再将这两个码做convolution，在这里也等于做展频的动作，因为信息码的频宽小(50Hz)而C/A 码的频宽则较大(1.023MHz)， 所以等于是把信息码的频宽扩展大了，接着在以BPSK的调变模式(当位元从逻辑0变到1或由1变到0时载波的相位必须变化180度)将讯号载到L1的频率，(图一)为其简单的方块图。

卫星接收端的任务

前述所提到的都是属于卫星发射端的信号，而在接收器端做的工作流程是：找寻C/A码并锁定之、C/A码补获、载波补获、信息码位元同步、资料框位元组同步、搜寻并辨认其他未锁定之卫星、计算与各卫星间之距离(pseudorange)以及解联立方程式的位置。

典型的卫星追踪方式会先由接收器来决定现在有哪几号卫星在接收器的天空，然后接收器会锁定某一个卫星来进行辨认(acquisition)的过程，当然，之所以能够决定有哪几号卫星在接收器的天空，是取决于储存在接收器内的卫星轨道资料及接收器的时间和位置。

在接收器的规格里把这样的开机方式称为暖开机或热开机。相对地，当接收器里什么资料都没有时的开机方式，就称为冷开机。这时候接收器的软体就要规划一个较有系统的方法来搜寻卫星，一旦有一颗卫星被锁定后，接收器就可以利用所解读到的信息码而得知有哪几号卫星在接收器的天空上。

GPS的特殊技术

一般而言，在地面上接收到的卫星信号强度已经比接收器本身的热杂讯还低。这是因为展频过以及较长的传播距离所致，为了将卫星讯号从这些杂讯中截取出来，GPS 采用了码相关比对技术(code correlation )，接收器本身会先产生一组码来跟从卫星收到的讯号做比对，当两组码一样时，相关值最大，这时解展频后就可以得到原来的信号频谱，其过程可以参考(图二)。

《图三 光谱层及其重建》

GPS晶片

《图四 混波器设计常用的CMOS架构》

一般商业用的GPS晶片组都是由一个射频IC与一个基频IC组成。射频IC的主要功能是将GPS的1.57542GHz载波降频至基频。其主要是由低杂讯放大器、混波器、自动增益控制、锁相回路以及类比/数位转换器所形成。一般这样的晶片设计都会采用Bi-CM​​OS的制程，以兼顾Bipolar快速、高增益、高驱动力、低宽频杂讯和CMOS的低功耗、高密度等好处。 (图三)

在Down-converter混波器设计中最常使用到的CMOS架构，如(图四)所示，这个设计并不需要其他更多的元件，由于采用的是双正交结构，因此有非常高的正交相位准确性。

锁相回路主要是由VCO以及Prescaler 所构成。在VCO的设计里，我们最在乎的就是相位杂讯最常用的设计有所谓的「Ring Oscillator」和「LC-tank Oscillator 」，其原理乃是利用Bondwire 作为一个High Q电感，制成LC-tank Oscillator。 (图五)

《图五 Down converter常用的CMOS架构》

射频IC与GPS

乍看之下，好像射频IC与GPS接收器的设计并没有相依的关系，但目前各家的射频IC设计都有自己的频率规划(frequency plan)，也就是有不同的中频频率、基频频率以及参考频率，因此并不能共用。

绝大多数的基频信号处理IC都是由CMOS制成，一般的信号处理晶片除了具备有de-spread 的correlators 之外，也都还包含有UART、 Memory及其他逻辑电路。我们以DRAM为例来说明记忆体的设计，(图五)是一个基本的DRAM方块图，周边电路的用途分别是用来选定位址及读写资料。一个单元的记忆体(Cell)(图六)， Cs 储存电荷以指示状态，而n-Channel MOSFET 作为Access开关。

《图六 基本的DRAM方块图》

GPS的市场现况

随着全球定位系统在日常生活中的普遍化，举凡手提电脑、个人电子助理、行动通讯手机、无一不与GPS互相整合。而使得全球定位系统不得不与行动通讯相结合的原因，除了市场趋势(行动通讯之附加价值)之必然外，美国联邦通讯委员会(FCC)的E911规定也是其中的推手之一。

市场商机

E911 的规定在2001年10月到2002年6月之间，行动通讯手机必须有50%以上具有位置定位功能，并且其精确度必须在125米以内。然后在2005年底以前必须有95%以上的行动通讯手机必须有定位功能，而且精确度更进一步要求至15米的范围之内。

在这样的规范之下各个手机大厂无不寻求GPS厂商进行合作。当然提供定位的解决方案不惟有全球定位系统，关于其他的技术我们也会加以说明。

除了FCC的规范之外，日本最大的电信业者NTT DoCoMo也推出Location Agent的加值服务，虽然这主要不是用在紧急救护的应用上，但是其加值服务所制造的商机却不容忽视，因此这也是GPS厂商极欲分食的一块大饼。

另外在欧洲也有类似FCC E911紧急救援的规范。这些都是促成GPS与行动通讯整合的动力。而利用行动通讯与定位资讯所衍生的应用相当多，简单的可提供所在地周边的资讯，如加油站、停车场、餐饮等。复杂的则还可应用位置资料来收取费用，最明显的例子就是新加坡的入城规费。

GPS厂商概况

《图七 一个单元的内存》

目前提供GPS的厂家可大致区分为四类，第一类是只提供晶片(GPS Chipset)然后支援客户研发终端产品(end product)的厂家，如美商瑟孚、Phillip、 IBM、 A&D、ST等；第二类是只提供GPS模组的厂家，如Motorola、 Rockwell 和第一类供应商的客户。

至于第三类是指提供一般商用终端产品的厂家，这类的终端产品有汽车导航器、船用/飞机用/个人用导航器，其特点就是含有方便的导航软体、友善的人机介面(如LCD、显示器、Keypad)，甚至再加上2-way transceiver (在此泛指GSM CDPD Trunk Radio WCDMA等)，此类厂家如Garmin、 Trimble、 Magellen 台湾的长天、 鼎天等。第四类厂家指的是生产高精确度的GPS接收器，也就是有得到P码授权的业者，如Leica。当然也有少数提供IP整合方案的厂商如SiRF、Parthus。

目前特别在消费性电子产品上着力，并且已与行动通讯大厂合作，而能够提供Location Based Service 的只有SiRF 和 SnapTrack。

随着消费性电子产品的应用层面日广，不少电子产品都在积极地规划整合GPS的导航功能，最普遍的如电子地图公司、汽车导航系统、行动电话、PDA、Smart Phone等。一旦GPS的导航功能搭配上适当的电子地图与规划完善的导航软体，则未来GPS将会成为人人必备的生活必需品。 (本文作者为台北科技大学兼任讲师)