近年来，GPS在消费性电子与通讯电子领域不断拓展其市场，智慧型手机自今年起大量整合GPS功能，iSuppli预测到了2011年，几乎所有的智慧型手机都将整合GPS功能。愈来愈多的手持装置包括Netbook、MID甚至是数位相机，同样强调支援GPS的定位功能。

消费电子产品市场主要偏重在导航与位置服务（LBS）等定位应用。另有一个定位追踪应用的新兴市值得注意。常见的是对人或资产的安全或防盗追踪，在对人的追踪应用上，主要针对老人、小孩及病人等特定对象，透过专用的GPS追踪器（GPS Tracker），可以随时回报使用对象的位置、按下紧急按钮时则可传送警示讯息及位置资讯，或启用专线通话功能。当然，追踪对象也可以是犯人或任何个人。

《图一 Location Based Technologies公司的定位产品PocketFinder采用u-blox的软体GPS与GSM方案,口袋大小,可用来追踪人或宠物》

另一个极受重视的应用，即是对重要资产的监控与防盗功能。这项应用最早用于汽车市场，例如各大车厂为出厂汽车所提供的失车寻回功能。目前手机中也开始提供此项服务，最有名的即iPhone所提供的“Find My iPhone”功能。一旦iPhone不慎遗失，使用者可透过Mobile Me服务中的Find My iPhone功能来传送一个讯息给自己的iPhone，并强迫iPhone发出声响，同时传回iPhone当下所在的位置，甚至可以从远端下指令将手机的资料清除，以免重要资料外泄。

前不久一名芝加哥的iPhone用户，即成功利用此功能寻回自己的iPhone，让小偷大为吃惊。很显然地，每个人身边都有一些重要的随身资产，除了汽车、手机，还有笔电、自行车、名牌皮包、宠物等等，相信很多人都有遗失或失窃的心痛经验，例如愈来愈多人喜欢骑自行车，但即使上了锁仍很容易遭窃，若能在出厂时即在支架中加装GPS追踪器，寻回爱车的机会就大幅增加。

这些资产都是GPS追踪器的潜在市场，未来的应用成长必然相当惊人。然而，GPS追踪器的应用不仅止于消费性的应用，还有更大的商机在于公共运输、工业、公共环境、医疗、研究等用途。举例来说，车队管理就是最常见的应用，为公车、计程车、砂石车等加装追踪器，即可管控车队的行程。在生态研究上，也可为野生动物挂上追踪器来了解其移动作息状况。

重要资产的监控与防盗功能也受到重视，汽车是最早的应用领域，目前手机中也开始提供此项服务，最有名的即iPhone所提供的Find My iPhone功能。除此之外，GPS追踪器可应用于公共运输、工业、公共环境、医疗、研究等用途。

《图二　台北市公车动态资讯系统入口网站：GPS/GPRS结合的实现》

GPS追踪器设计关键

就GPS追踪器的设计上，要实现行动追踪的能力，有两大关键，一是GPS定位，一是透过行动网路回传定位资料。因此，一台GPS追踪器的主要组成单元为GPS接收器和行动数据机，这两者往往就占系统近8成的成本。如何提升定位性能和传输可靠性、延长电池寿命，以及降低系统成本及设计复杂度，则是GPS追踪器需考量的设计重点。

提升定位灵敏度

PND的导航运用上以室外环境居多，因此多著重定位时间（TTFF）及准确性的设计要求，对于灵敏度（sensitivity）的能力反而没有那么重视。不过对于个人或资产的追踪用途来说，被追踪对象经常会进出室内或天空有遮蔽的环境，这时一般灵敏度不高的GPS接收器立即失去定位能力，追踪器可能马上失效。即使转为基地台三角定位，但因误差范围大，追踪上的可用性较低。

晶片架构及演算能力是决定GPS接收器灵敏度的关键。卫星传输的功率输出大约是30 W，而高度为离地表2万公里。当我们在开放空间（Open sky）的室外接收时，其讯号强度已衰减到大约-120 dBm（1×10～15W）；当移动到有遮蔽的环境中，大概还要加上20～30dBm的衰减。因此，一般达到-145dBm的GPS接收器仍无法满足追踪器的需求，目前厂商已可做到-160dBm的灵敏度。

以u-blox的AMY模组为例，已可以做到-160dBm的灵敏度。这个程度的灵敏度能大幅改善追踪器的使用范围，即使处于室内，只要近门窗边，追踪器仍能正常的工作，这让小孩、老人、病人或贵重资产的看护、追踪能够更为完善。当然，如果对象移动到离窗户很远的室内、地下室或进入隧道中，由于GPS讯号已衰减太多，那就很难再进行定位。

支援A-GPS辅助定位

一般采自主定位（Autonomous Positioning）的GPS装置必须要在讯号条件佳的开放天空中接收到4颗以上的卫星，才能顺利解出终端用户所在的位置；不仅如此，此设备的GPS接收器还得不间断地接收30秒以上的时间，才能将GPS卫星讯号完整收齐，接着才能进行定位计算。因此，在冷启动（cold start） 的条件下，定位成功的时间（Time to first fix；TTFF）往往需要30秒到数分钟的时间。

要加速GPS追踪器的定位速度，最好的方式是支援A-GPS服务。此作法是预先为GPS接收器提供需要的卫星讯号，包括卫星的星期时间（Time of week；TOW）、广播星历（Broadcast Ephemeris）、电离层参数及万年历（Almanac）等。如此一来，GPS接收器可跨过这些资料的接收瓶颈，进而加速定位的时间，一般可以做到1秒钟即定位完成。请参考图一所示。

《图三　冷启动时，具有Ephemeris或差分Almanac修正资料的A-GPS终端器能快速的定位 》 资料来源：u-blox

要取得这些辅助资料有两种方式，一是即时性的透过GSM、GPRS、CDMA或UMTS等行动通讯系统来取得​​，也就是连线式的A-GPS（Online A-GPS）；另一种是采离线方式（Off-line A-GPS），也就是依使用者的方便，透过行动网路或直接由网际网路预先下载卫星资料，当需要时就能做为辅助定位之用。 u-blox也对此提出AssistNow Online和AssistNow Offline的解决方案，其中AssistNow Online强调提供连线品质的保证，而AssistNow Offline则透过专属的AlmanacPlus®演算法来提升轨道预测的准确度，有效时间也能延长到14天（一般离线方案的有效时间只有5～10天）。

提升行​​动数据机可用性

GPS追踪器的定位资料需靠行动数据机（及无线通讯收发器模组）发送出去，运用的行动网路可以是GSM、GPRS、3G或HSDPA/HSUPA等系统。由于资料量并不大，一般以GSM或GPRS系统即可满足。对于GPS追踪器来说，其行动数据机的选择上需评估各种支援能力，包括多频支援、语音支援、AT Command支援等。采用GSM系统是以简讯方式发出，在数据传输时采用与语音相同的电路交换方式，需要预先建立从发送端到接收端的持续连接，在通信过程中无论有无数据传出，始终独占着信道。 GPRS则是基于封包交换的一套无线数据传输方式，可以在不浪费网路资源的情况下实现较高速的数据传输。

以u-blox的LEON模组为例，它能支援850/900/1800/1900 MHz四个频段、HR/FR/EFR/AMR语音功能，以及AT Command的标准及延伸介面（UDP/IP、TCP /IP、GPS、Aiding、ADC、GPIO等），同时也支援SMS短讯及电路交换资料（Circuit Switch Data, CSD）等功能。

《图四　GSM/GPRS收发器模组架构（以u-blox LEON为例） 》 资料来源：u-blox

进一步来看，因应用的不同，追踪器对数据机的要求也会不同。在基本的运用上，数据机只需提供标准的资料通讯（如UDP/IP和TCP/IP堆叠），以及类比音讯功能，并透过UART进行韧体升级。如果传输的资料量较大，也可选择支援FTP、HTTP、SMTP等网路功能的方案。

其他的选择要领包括小型化、低功耗、符合电信规范等。在封装上采用表面黏着技术（SMT）可做到占位面积很小的目标，这是因为SMT焊垫（pad）只在封装的两侧，与球闸（Ball-Grid）或栅格（Land -Grid）阵列方案相比，不但安装简单、PCB布局成本较低，同时可简化品管作业。

低功耗表现

GPS追踪器除强调小型化的可携性外，也要求长时间的电池使用寿命，因此GPS接收器与行动数据机的功耗表现是重要的评估关键。对于GPS接收器而言，基频和射频单元所需的最低运作电压并不相同，因此分别提供电压源能有效降低功耗。

以u-blox的GPS模组（AMY）为例，它让系统能为基频及射频分别提供1.4 V及1.8 V的电压源，因而能达到仅64 mW的追踪功耗表现；如果提供1.8 V单一电压源，模组的功耗为72 mW，3V的功耗则为120 mW。在数据机方面，以LEON模组为例，待机时做到只有小于1.6mA的电流损耗，即使在GPRS的通讯工作中，也能保持小于350mA的损耗。

GPS与数据机的整合规划

一般GPS追踪器的作法会将GPS接收器和GSM/GPRS收发器模组分别接到微控制器（MCU），两者之间独立作业。不过，当追踪不到目标时，这种作法容易造成GPS定位失败或GSM断讯的责任不清问题。此外，其运作上需占用较多的微控制器运算资源，也需用到较多的传输介面。因此，GPS接收器与GSM/GPRS收发器模组的整合会是更理想的设计架构。

在整合型的架构中，微控制器透过GSM/GPRS收发器模组与GPS接收器沟通，也就是GPS接收器定位后的NMEA讯息资料会经由收发器模组传送给微控制器，因此微控制器只需以一个UART介面与GSM/GPRS收发器模组相连即可，而收发器与GPS接收器则透过简单的I2C（DDC）介面结合在一起，请参考图三。

《图五　GSM/GPRS收发器模组与GPS接收器整合架构 》 资料来源：u-blox

在此架构下可以省下从GPS接收器到微控制器的UART介面，并重覆使用现存的语法分析器（parser）。对于GPS的控制则可采用标准或延伸的AT Command指令。 AT command是当数据机处于指令态时，由资料终端设备（Data Terminal Equipment；DTE）送给资料通讯设备（Data Communication Equipment； DCE）的一串文字，透过AT Command指令集可以进行控制及资料传输。

除了GPS接收器及行动数据机外，GPS追踪器的架构中需整合对A-GPS的支援，才能得到令人满意的表现。图四为整合u-blox AssistNow A-GPS功能的追踪器架构，当微控制器启用AssistNow功能，LEON收发器模组会自动下载A-GPS的卫星定位辅助资料，并自动将资料提供给u- blox 5 GPS接收器。此架构能够提供更佳的GPS表现和更快的TTFF；对于微控制器来说，不需占用微控制器的运算资源，也不用为整合A-GPS而投入软体开发的人力。

《图六　整合u-blox AssistNow A-GPS功能的追踪器架构 》 资料来源：u-blox

结论

GPS追踪器是一项应用广泛且商机庞大的新兴产品类型，举凡对小孩、老人、病人等特定对象的看护追踪；汽车、手机、自行车、名牌皮包等重要资产的防盗追踪；或车队管理、野生动物研究等特定追踪计画，都是GPS追踪器的目标市场。

然而，有别于导航应用，追踪器经常被使用于卫星讯号较弱的环境，因而必须在定位能力及通讯整合上有更高的要求。 GPS接收器灵敏度的提升，是让突破今日追踪器使用限制的一大关键，当灵敏度提升到-160dBm左右时，即时小孩在教室中，或老人在狭窄的巷弄中，也能够有效的追踪到他们的位置。

追踪器内的核心模组为GPS接收器与行动数据机，过去在设计上常需投入相当资源进行整合开发，但使用时仍经常会发生不明断讯的问题。为了解决这个瓶颈，u-blox提出GSM/GPRS收发器与GPS接收器的整合架构，让两者紧密地一起工作。如此一来，不仅能简化设计、减低主处理器的工作负担，也能自动支援A-GPS服务，提升追踪器的定位速度。这种GPS、GSM/GPRS与A-GPS的整合设计，将是GPS追踪器未来在设计上的必然趋势。

（作者为u-blox台湾分公司产品应用工程师）