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應用於全球定位系統之接收機架構介紹
台大系統晶片中心專欄(25)

【作者: 李宇堂、曹恒偉、劉東鋐】   2009年05月05日 星期二

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全球定位系統(Global Positioning System;GPS),是當前全世界最普及的全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System;GNSS),GPS總共放置了多達32顆高度位於地表20200公里以上的衛星,均勻地分佈在六個以55度傾斜於赤道的軌道面上。如此的設計提供高度的全球覆蓋度,並使得幾乎每一位使用者,在沒有任何遮蔽物阻擋訊號的條件下,都可以擁有至少四顆以上的衛星在可視範圍中以供定位之用。


GPS原先是由美國在20世紀中葉為了軍事相關用途所開發,然而隨著2000年5月美國柯林頓總統宣佈關閉選擇式供應(Selective Availability;SA)所造成的人為誤差後,定位誤差在一夕間從一百公尺降低到十幾公尺,大開GPS方便應用之門。現在GPS已被廣泛應用在其他領域,例如測量科學、航空安全、汽車及行人導航等,現今更成為許多手機的標準配備。GPS會如此盛行的另一個主因就在於它可以提供高精確度, 卻不向使用者收取服務費用。


與傳統AM及FM廣播系統類似,GPS也是從衛星到地面接收機的一種單向傳輸。與廣播系統的差異在於GPS接收機並不只靠單接收以及處理一個衛星的訊號就可以完成定位,相反地,需要同時收到來自多顆衛星的訊號。透過還原隱藏在傳輸訊號中的導航資訊,接收機方可得到定位所需的兩個重要資訊:首先是衛星的位置,接著是衛星到使用者的距離。有了超過四顆衛星的位置以及他們到接收機的距離估測之後,接收機便可以運用這些估測值來進行處理及決定其本身的位置、速度、以及時間(Position、Velocity、and Time;PVT)。一般說來,如果一個接收機可以掌握越多衛星訊號,則其對於位置估測的精確度便可以提高。然而實際上,並非所有的可視衛星皆可被成功接收。其主要的原因在於不同的衛星對於使用者有不同的仰角,導致信號的衰減或是接收訊號的強度並不一致,如果再加上使用者所在環境遭到建築物或是其他物體遮蔽,都可能會造成有部份衛星訊號強度降低到接收機無法成功接收。在冷開機(cold start)的情況下,要知道究竟有哪些衛星可供利用,便得透過複雜且費時的搜尋過程,因此降低搜尋時間或是運算複雜度的方法就變的相當重要。
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