GPS（Global Positioning System）全球衛星定位系統，其正式的名稱為 NAVSTAR（Navigation Satellite Time and Ranging）GPS。衛星定位系統是由美國國防部在冷戰時期為了軍事用途而設計部署的計畫，其主要目的在協助飛彈導航、軍事偵查及地形勘查為主。

衛星定位系統的使用，在以前大都使用於飛機、船隻的導航或一些地理位置的量測，然而目前此衛星定位系統的應用已經慢慢逐漸的進入我們每個人的生活周遭。例如GPS定位系統在飛航上取代了老舊的無線電信標準、在汽車導航方面加上電子地圖（E-Map）可以讓駕駛者輕易的尋找路標、使用在於找尋人員位置之定位以及提供如滑雪者、健行者、大自然愛好者和登山者皆可利用GPS定位系統功能依照衛星定位器找到已定位目的地以及回家時的最短路徑，所以衛星定位系統功能可說是未來科技發展的一個趨勢。

全球衛星分佈

全球衛星定位系統是使用24顆距地表20，183公里高空的衛星群，以55度等角均勻地分佈在六個軌道面上，並以11小時58分的週期環繞地球運轉所組成的。衛星上都載有位置及時間訊號，只要用戶端裝設衛星定位接收器設備，無論何時何地都可接收到至少5顆衛星的訊號。不過值得使用者注意的一點就是衛星接收訊號的良好與否，是與有無遮蔽物及遮蔽物的狀況而定的，並不是於室內或地下室任何地方都可接收到衛星訊號。

衛星定位的 24 顆衛星是以平均分佈在6個軌道面，每一個軌道面上會有4顆衛星繞行地球運轉，讓地面使用者不論在什麼地方與時間，至少有4顆以上的衛星出現在我們上空中供使用者使用。每顆衛星都對地表發射涵蓋本身載軌道面的座標、運行時間的無線電訊號，地面的接收單位可依據這些資料做為定位、導航、地標等精密測量。

衛星定位系統基本構成

全球衛星定位系統必須包含空中衛星群、地面控制站系統、使用者接收器三部份。

衛星群

在衛星定位系統中，共有24 顆定位衛星圍繞著地球，24顆定衛星有提供兩種 L-Band載波，分別為 : L1 （ 1575.42MHz ） 與 L2 （ 1227.60MHz ）。L1負責傳送導航訊號， L2 頻率則負責傳送精確的延遲訊號供給PPS （ Precise Position Service ） 使用。

載波訊號各碼調

載波訊號又分為採用三種碼調制，分別為調制導航訊號的粗略擷取C/A 碼（ Coarse / Acquisition Code ）。第二個與第三個調制碼則分別為P碼（ Precise Code ） 與Y碼。C/A 碼現在只有在 L1 載波才有，P 碼則無論在 L1，L2 皆有。這些電碼稱為虛擬隨機雜訊 PRN （ Pseudo Random Noise ），雙相調制於載波上。C/A 碼每 1/1000 秒重覆一次，波長 300m。P 碼則每 38 週重覆一次，波長約 30m 。

不易被干擾的P電碼 （ 10.23 MHz ） ，因頻率較高不易被干擾，現在為軍方採用，而民間使用的則為C/A電碼（1.023 MHz）。其中P 碼已經為軍方使用多年，美國國防部又增加一種 A.S.碼（Anti-Spoofing） 將 P 碼轉換成 Y 碼，接收器必須加上解碼器才能使用 Y 碼。

GPS 所有的導航資訊都在 L1 及 L2 上廣播，並可用 C/A 碼及 P 碼傳送，調制頻率為 50 Hz，這些數據包括 GPS 導航資訊，衛星星曆及接收器點位資料等。

地面控制站

地面控制系統由監測站 （ Monitor Station ）、主控制站 （ Master Monitor Station ）、地面天線 （ Ground Antenna ） 三部份所組成的。

監測站

現在全球計有5個地面衛星監控站，負責傳送衛星瞬時常數 （ Ephemera's Constant ） 及時脈偏差 （ Clock Offsets ） 之修正，讓衛星能及時提供接收器使用者更精確之定位運用。這些地面衛星監空站，分佈於瓜加林島、科羅拉多泉、夏威夷、亞森欣島、底亞歌加西亞等地。地面控制站負責收集由衛星傳回之訊息，並計算衛星星歷、相對據離，大氣校正等數據。如(圖一)。

《圖一　全球GPS地面控制站分佈圖》

主控制站

主控制站位於美國科羅拉多州春田市（Colorado Spring），其功能為收集監測傳來的數據並計算出衛星星曆、衛星時錶修正量及電離層校正係數。同時將此校正資訊送到地面天線傳送回衛星，衛星就能把修正後的訊息廣播給使用者。

接收器

GPS 的接收器是唯一使用者可以接觸到通訊設備。它可以以不同的形狀方式出現在我們的生活當中，如手持式的衛星定位器、結合 GPS 的 PDA、GPS功能的手機、GPS 手錶、GPS and E-Map Function Notebook、GPS Car PC System 等等。GPS 接收器的主要功能就是把接收衛星廣播出來的導航訊號訊息呈現給使用者知道。

衛星定位系統原理

GPS定位的過程，基本上是距離的量測。就是量測未知點（接受機）與已知點（衛星）之間的瞬間距離。主要的測量方法有兩種：虛擬距離觀測及載波相位觀測。由於載波相位在訊號傳播過程中受到的各種影響較小，因此精度遠高於虛擬距離觀測。

三角定位原理

衛星定位系統虛擬距離觀測量，是利用衛星基本三角定位原理，GPS接受裝置以量測無線電訊號的傳輸時間來量測距離。由每顆衛星的所在位置，測量每顆衛星至接受器間距離，即可算出接受器所在位置之三維空間座標值。GPS之使用者只要能利用接受裝置接收到3個衛星信號，就可以定出使用者所在之位置。而目前一般的GPS 接受裝置都是利用其接收到4個以上衛星信號，來定出使用者所在之位置及高度。

這種量測方式是一種高軌道與精密定位的觀測方式。假設衛星在11000 miles高處，測量我們的距離。首先以11000 miles為半徑，在此衛星為圓心畫一圓，而我們位置正處於球面上。如果第二顆衛星距離我們12000 miles，而我們正處於這二顆球所交集的圓周上，我們再以第三顆衛星做精密定位，此衛星高度13000 miles，我們即可進一步縮小範圍到二點位置上，但其中一點為非我們所在的位置極有可能在太空中的某一點，因此我們捨棄這一點參考點，選擇另一點為位置參考點。

虛擬距離

如果要獲得更精確的定位則必定要再測量第四個顆衛星，從基本物理的觀念上來說，以訊號傳輸的時間乘以速度即是我們與衛星的距離，我們將此測得的距離稱為虛擬距離。

在GPS的測量上我們測的是無線信號，速度幾乎達18萬6千英哩/Sec的光速，而時間卻短的驚人，甚至只要0.06秒，時間的測量需要二個不同的時錶，一個時錶裝置於衛星上以紀錄無線電信號傳送的時間，另一個時錶則裝置在接收器上，用以記錄無線電信號接收的時間，雖然衛星傳送信號至接收器的時間極短，但時間上並不同步，假設衛星與接收器同時發出聲音給我們，我們會聽到二種不同的聲音，這是因為衛星從11000英哩遠的地方傳來，所以會有延遲的時間，因此我們可以延遲接收器的時間，從此延遲的時間×速度，就是接收器到衛星的距離，此即為GPS 的基本定位原理。如(圖二)。

《圖二 衛星定位原理》

在各種應用範圍中，GPS用戶端接收器體積不斷縮小價格日降，GPS 接收機的接收精準度愈來愈高，使其逐漸出現在手機、PDA、筆記型電腦等資訊電子產品中，未來更可望成為以上產品的標準配備之一。

對於通信手機（Cell Phone）定位系統中，GPS定位系統功能也有部份加入或是融入通信手機之中，以便於提高通信手機應用功能，使通信手機也具有定位功能。這幾年美國政府相關單位曾經公佈了 E-911 法令，並計劃在2001年以後，將所生產之通信手機全面具有GPS定位系統功能，此計劃對於手機及GPS定位系統製造業者將是一個未來商機。

美國解除 GPS 干擾準確性將提高

GPS提供了標準定位 SPS （ Standard Positioning System ） 與精密定位 PPS （ Precision Positioning System ） 兩種定位系統。

標準定位

標準定位 SPS 是最常見的定位系統，其水平方向精確度可達到約為30公尺，SPS 因美國安全局為刻意降低 GPS 的精確度而加入經過選擇性效益 SA （ Selective Availability ） 處理程序，就是會將衛星訊號的位置或時間資料重新處理，在加入了隨機變動參數後誤差會加大。

加入 SA 後的精度為 SA-SPS ，其精確度水平值100公尺，垂直為156公尺，時間為10億分之340秒，目前提供現在的一般性商業應用，如汽車導航系統等。

精密定位

精密定位 PPS 系統則採用鎖碼訊號，定位精確度水平值為20公尺，垂直為27.7公尺，時間為10億分之200秒.由於PPS為鎖碼系統，因此不會被加入SA碼干擾，事實上PPS亦僅提供給軍事單位與政府使用。

GPS禁令解除

美國總統柯林頓，2000年5月1日下令美國國防部，解除多年來對全球衛星定位系統 GPS 訊號的干擾訊號 S.A.。干擾解除後，將大幅提高現有 GPS 的準確性，這對民間產業來說是項大利多。

美國政府全面解除對全球衛星定位系統的干擾後。一般使用者將能享受到，比以往更精準的服務。全球衛星定位系統目前已與電腦科技結合成為語音導盲工具，這套系統也可應用在各種攜帶式裝置像是行動電話上。如此一來使用者打報警電話時，有關單位就能馬上得知求救者所在位置。

GPS 接受模組

GPS 衛星定位系統功能可以表現在不同的產品的形態上，例如 GPS Handheld、GPS Car system、GPS CF card、GPS Mouse等。但不管產品的形態為何，基本上 GPS 的接受器裡必須要有 GPS 衛星定位系統的主接受器我們一般稱之為引擎或引擎板（ Engine ） ，此一主接受器完全只單一做接收衛星訊號的功能，並沒有發射無線電波的功能，而其目前可做成模組 （ GPS Engine/B or GPS Receiver Module or GPS Mouse ） 形態方式並與使用其它的介面電路連結然後應用在 GPS 產品上。

GPS Engine 的製造商甚多，代表性的廠商有Motorola、Garmin、EverMore等，目前尚有多家國內的 GPS 製造設計廠商，使用 GPS Chipset 自行製造 Engine Board 成為自有品牌或接受國外客戶 OEM 或 ODM 的方式。雖然廠商眾多，特性上略有差異，但是其接受電路結構大數大同小異。參考(圖三)。

《圖三 GPS Engine Block 》

GPS基本構造

GPS 接受器電路主要基本構成包含有低雜訊放大器（LNA）、射頻濾波（RF Filter）、射頻電路（RF Chip）、數位處理器（DSP）、微處理器（uP）、快閃記憶体（Flash Memory）、記憶体（SRAM）、振盪器（Crystal）等元件。

Engine 接受器模組大概可區分為射頻前端 （ RF front end ） 和數位處理 （ Digital section ） 兩部份電路，其分別擔負不同的接收及解碼輸出的功能。

射頻前端

射頻前端部份大致由 LNA、BPF、RFIC 三部份電路所組成，其功能主要是負責把從 Antenna 接收 L1 1575.42 MHz 的射頻訊號經過混波降頻取出 Base band 所須的中頻訊號 4.092 MHz。

射頻部份的主要元件為射頻積體電路RFIC ，又稱為RF Front End Chipset 。RFIC 是一個 GPS 射頻訊號處理的積體電路，它有 Double-conversion、RF/IF down converter block 和 PLL frequency synthesizer 的功能。

數位處理

數位處理部份則包括有GPS Base Band DSP、Micro Processor、Flash Memory、SRAM。這部份的電路功能除了接受射頻前端的輸出中頻訊號外，必須把訊號解調變出來並將訊號處理輸出，以便於使用者介面使用。而 Base Band 之解碼輸出，通常會依照 NMEA 0183 的輸出格式，但也有一些廠商會自行訂定出自有的輸出格式。但這種自行的輸出資料輸出格式，並沒有辦法與一般的電子地圖搭配，所以通常我們都會選擇使用標準的 NMEA 做輸出資料格式。

GPS Base Band DSP chip 為衛星定位系統的主要訊號處理部份，目前都以 ASIC 方式出現，並有些晶片廠商已把 32 bit or 16 bit 的微處理器使用內崁的方式，使 Baseband DSP 和 uP 成為單一晶片。GPS Baseband Chipset 目前主要的供應廠商有 Motorola、Rockwell、Philips、Sirf、EverMore 等，上述除了 EverMore 為國人自行開發外，其餘皆是國外的廠商。

現在以 EverMore BBP 1202 GPS Baseband Chipset 國人自行開發的晶片為例，其的主要功能如下：

◆ 12 parallel channels.

◆. 3 IF inputs for attitude determination.

◆. Each channel individually shutdown able.

◆. Built-in carrier/code closed-loop control.

◆. Buffered demodulated data bits.

◆. User programmable measurement rate.

◆. 10 Hz interrupt minimal CPU overhead.

◆. Uses low-cost 15-PPM crystal.

◆. 1 PPS， 10 PPS， 1000 PPS output.

◆. Built-in RTC with timer & timeout interrupt.

◆. Flexible interface supports various CPUs.

◆. 33 MHz clock output for CPU.

◆. 100-pin TQFP.

◆. Low power 3.3V CMOS process.

微處理器與GPS

在微處理器方面，如 Evermore Engine/B 使用的是 16 Bit Intel 80186，其主要的動作在於控制及訊號資料的處理，並使 NMEA message 資料做輸出，給其他的應用電路做使用。

衛星接受模組特性

GPS 衛星接受器晶片或模組，目前所研發設計的廠家眾多。但是以研發設計工程師的觀點來看，並不是能接收到衛星訊號然後能定位，就算是一個良好的 GPS 接受器模組。我們依據 GPS 衛星接受模組幾個重要的特性做以下的分析 :

一般特性（ General ）

一般特性為L1 frequency、C/A code、12-channel。為一般衛星接受器模組所表示的基本接受功能，標註著衛星接受器的接收頻率與訊號碼和接受衛星頻道數，例如 L1 frequency、C/A code、12-channel。這表示出此接受模組的接收頻率為 L1 1575.42Mhz，使用接收碼為 C/A 粗略擷取碼，並同時可以搜尋不同的 12 個衛星。

GPS Engine 接收靈敏度（ Sensitivity ）

靈敏度為-165 dBW minimum。即接受器的接收靈敏度值，攸關接受器模組的接收訊號程度，在 GPS 的接受器中通常是以 dBW 來表示，定位衛星於太空中發射訊號至地面訊號的強度大約為 -160dBW，所以我們的接受零敏度必須大於此數值。

資料更新率（ Update Rate ） : 1Hz。

GPS 衛星接受模組雖然說一直是處於接收狀態，但是一般的接受器經過裡面的 Baseband 資料處理運算，並無法馬上把資料送出，故一般來講都會一資料更新時間差。這裡所標出的 1Hz，其實就是一個時間單位。

Time = 1/Frequency，即更新資料時間為每一秒更新一次。

精確度（ Accuracy ）

精確度的要求為

Position : 25m CEP，without S/A。

Velocity : 0.1m/sec，without S/A。

Time : ±1μs。

在衛星定位系統當中，往往會有若干因素來影響衛星定位的精確度，這些受影響的數據包括了定位位置、移動速度及時間的差異。

Accuracy Position，為衛星定位位置的誤差值。定位精確度為25m CEP， without S/A，是指 GPS 接受器於無 SA 干擾之下，所定位的精確度。一般的標示例如為 25m CEP ，而 CEP 就是Circular Error Probable 縮寫。

此外，如同上述在 GPS 衛星定位接受器中，尚有速度及時間精確度的標示。在速度的標示上，例如 0.1m/sec，without S/A ，是指出在無 SA 干擾訊號下，速率的誤差值為每秒 0.1 公尺。而時間的誤差值 Accuracy time 為 ±1μs。

差分定位精確度（ DGPS Accuracy ）

Position : 2m CEP。

Velocity : 0.05 m/sec。

DGPS技術

DGPS （ Differential GPS ） 技術，是一種能在訊號接收後與GPS接受器反覆確認，藉由此動作消除衛星訊號的誤差與干擾的技術。經過差分定位技術後，誤差範圍可縮小至2-5公尺，已能運用在精確的汽車導航定位系統中。

此種差分定位方式，在早期 SA 干擾未解除之前，是一種非常實用且精確的計算技術，但是自從 SA 干擾訊號解除以後，有許多廠商都已認為不須再使用。同樣的在 DGPS 的技術下一樣還是會有精確度的誤差，此項規格參數正標示出 DGPS 的精確度，包含有位置以及速度的誤差值。

接受器資料獲得時間 （ Acquisition ）

Cold start : <75sec。

Warm start : <40sec。

Hot start : <15sec。

GPS 衛星定位系統接受器，於衛星定位時會有時間快慢的差異。決定其定位時間快慢，跟接受器放置的位置以及接受器本身資料的保持、晶片的運算速度都有關係。

一般來講衛星定位器裡，都有 SRAM 和 Battery 的元件。此兩個元件，都會在定位接受器定位後關掉電源時，保留最後一筆的定位資料。不過這些資料，會因為時間的問題受由內部線路電壓電流的消耗而流失。

此時如果要再做一次定位，衛星定位器，就必須重新搜尋衛星的資料，而花費較多的時間來取得現在正確的定位資料。所以通常定位接受器都會有冷開機（ Cold start ）、暖開機（ Warm start ）、熱開機（ Hot start ）三種不同的定位時間。

冷開機一般是指定位接受器，在 SRAM 內部已經沒有資料存在，這時所花費的定位時間為最長的狀況。暖開機則表示尚有資料數據保持於 SRAM 內，所做的開機定位動作，此時部份資料的完整足以縮短開機定位的時間。而熱開機，泛指為資料都在沒有任何變動下所做的開機定位動作，這時所花費的時間是最短的一種狀態。

一般來說，衛星定位器接受器，在操作軟體上都會有此三種選項，不過應注意的是，並不是設定於熱開機的選項，每次開機都會只進行熱開機的動作。衛星定位系統晶片，會依照當時實際的狀況，來做系統開機的動作。

斷訊後又定位的時間（ Reacquisition ）

斷訊後又定位時間低於100msec。衛星定位接受器於定位後，會隨著移動中的定位接受器移動而送出移動中的資料訊息。就如同上述所提到的，資料的更新速率為 1Hz ，相當於每秒更新一次。不過在移動中的物體往往會遇到一些非人力所能控制的狀態，例如進入遮蔽物或天氣等因素而暫時中斷收訊。

此時，如果這些因素只是短暫時，當接受器回復到良好的收訊條件，定位接受器應儘速收到衛星訊號做定位資料的輸出。這裡所標示的正是此段時間規格，當然這段時間是越短越好，不過礙於晶片的速度，總是會有一定的延遲時間。

天線（ Antenna ）

活動天線大於20 dB（100ft）；大於10 dB（10ft）；被動天線大於2dBic。GPS Engine 使用之天線可分為主動（ Active ）和被動（ Passive ）兩種形態，主要差別在於主動式天線內含有低雜訊放大器（ LNA ）。

Active Antenna 會因天線與接受器的距離造成衰減的情況，所以一般的會有標明使用天線線長，例如 >20dB （ 100ft ）。

動力因素（ Dynamics ）

Altitude: -1000m to 18000m。

Velocity: 500m/sec。

Acceleration: ±4g。

此項規格在標示移動時，衛星接受器所容忍的規格，包括了高度的移動、速

度以及加速度。Altitude: -1000m to 18000m，表示接受器可以使用於海拔 -1000 ~ 18000 公尺。Velocity: 500m/sec，表示速度的移動可以達到每秒 500 公尺。Acceleration : ±4g，則表示定位接受器可以容許加速度 ±4g。

GPS 應用與結論

GPS 的應用十分廣泛，凡是需要做地面定位的工作時，都可以利用GPS來達成。以往全球衛星定位系統 GPS 的使用都集中在軍事用途上。例如海陸空軍事的導航、潛艇定位、部隊移動的監控等。

但是以目前的使用趨勢，全球衛星定位系統 GPS 已慢慢廣泛使用於我們日常生活當中，譬如GIS 電子地圖的導航系統、交通運輸的監控、汽車位置方向的導航、含有 GPS 的個人筆記 PDA或 NOTBOOK和具有 GPS 定位功能之通信手機（ Cell Phone ）等。

現在最常使用GPS的應用領域大約有以下幾部份:

◆資源調查和土地探測。

◆軍事用途。

◆製圖。

◆貨運、救護、消防、警政、營救。

◆導航定位，如汽車定位、航空、航海等導航位。

◆大地測量、一般測量。

◆精確定時。

消費市場利基

目前國內業界已有多家廠商投入GPS定位系統研製，尤其現在最看好汽車導航定位系統市場及未來之通信手機（Cell Phone）定位系統市場。汽車導航系統的應用可以從現在位置至已選定之目的地間，設定一個導航路徑並配合交通電子地圖尋找，以最短時間及距離到達目的地。也可以利用此系統，可提供掌握車輛駕駛人員行車動態、車輛服務廠商緊急救援、拖吊、當車輛失竊時並可與警方合作共同追蹤尋找失竊之車輛等功能。

在休閒旅遊方面 GPS 也可以做附近相關周邊設施，例如醫院、加油站、公務機關位置、風景區等設施之尋找，透過空間分析軟體即可規畫出私人旅遊公車路線、汽車旅行等行進之最短路線。

GPS研發重心

在目前通信手機（Cell Phone）定位系統市場，將是業界兵家必爭之地。但如何使 GPS 定位系統縮能夠裝微小呢?希望可用多晶片模組MCM（Multi-Chip Module） and Flip Chip or Wire Bonding Interconnect之COB（ Chip On Board ）等構裝方式來達到縮裝微小化目的。或者可將 GPS 系統和通信手機系統的重要驅動執行元件合而為一，使兩系統使用同一顆驅動元件（ CPU and DSP ）執行，使它可達到縮裝微小化目的。

現在怎樣將現有之GPS定位系統縮裝微小化或是將 GPS 定位系統融入通信手機系統中，將是現在我們努力的一個重要課題。