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应用于全球定位系统之接收机架构介绍
台大系统晶片中心专栏(25)

【作者: 李宇堂、曹恒偉、劉東鋐】2009年05月05日 星期二

浏览人次:【8978】

全球定位系统(Global Positioning System;GPS),是当前全世界最普及的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System;GNSS),GPS总共放置了多达32颗高度位于地表20200公里以上的卫星,均匀地分布在六个以55度倾斜于赤道的轨道面上。如此的设计提供高度的全球覆盖度,并使得几乎每一位使用者,在没有任何遮蔽物阻挡讯号的条件下,都可以拥有至少四颗以上的卫星在可视范围中以供定位之用。


GPS原先是由美国在20世纪中叶为了军事相关用途所开发,然而随着2000年5月美国柯林顿总统宣布关闭选择式供应(Selective Availability;SA)所造成的人为误差后,定位误差在一夕间从一百公尺降低到十几公尺,大开GPS方便应用之门。现在GPS已被广泛应用在其他领域,例如测量科学、航空安全、汽车及行人导航等,现今更成为许多手机的标准配备。 GPS会如此盛行的另一个主因就在于它可以提供高精确度, 却不向使用者收取服务费用。


与传统AM及FM广播系统类似,GPS也是从卫星到地面接收机的一种单向传输。与广播系统的差异在于GPS接收机并不只靠单接收以及处理一个卫星的讯号就可以完成定位,相反地,需要同时收到来自多颗卫星的讯号。透过还原隐藏在传输讯号中的导航资讯,接收机方可得到定位所需的两个重要资讯:首先是卫星的位置,接着是卫星到使用者的距离。有了超过四颗卫星的位置以及他们到接收机的距离估测之后,接收机便可以运用这些估测值来进行处理及决定其本身的位置、速度、以及时间(Position、Velocity、and Time; PVT)。一般说来,如果一个接收机可以掌握越多卫星讯号,则其对于位置估测的精确度便可以提高。然而实际上,并非所有的可视卫星皆可被成功接收。其主要的原因在于不同的卫星对于使用者有不同的仰角,导致信号的衰减或是接收讯号的强度并不一致,如果再加上使用者所在环境遭到建筑物或是其他物体遮蔽,都可能会造成有部份卫星讯号强度降低到接收机无法成功接收。在冷开机(cold start)的情况下,要知道究竟有哪些卫星可供利用,便得透过复杂且费时的搜寻过程,因此降低搜寻时间或是运算复杂度的方法就变的相当重要。
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