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)，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，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。

GPS简介

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，(图一)为卫星轨道分布图。

《图一 卫星轨道分布图》

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，将会在下面中详加介绍。展频所调变的测距码(Ranging Codes)又可分成两种，一为1.023MHz的C/A码(Coarse/Acquisition Codes)，顾名思义，依据这个码所得到的精确度较为粗略，而且C /A码也只用L1来调变，专门开放给一般商业用途的使用者。另外一个测距码是10.23MHz的P码(Precision Codes)，这个码同时调变在L1及L2载波上，由于P码的Chip较短，因此能够得到较精准的定位。

基本上，这两种测距码都能够被用来量测卫星与接收者之间的距离，然而通常P Code还会被加密而且也只开放给被授权的使用者，所以P Code通常也只应用在军事用途的定位系统上，也因为有这样不同的两组码，全球定位系统又被区分成所谓标准定位服务(Standard Positioning Service,SPS)，以及精确定位服务(Precise Positioning Service,PPS)，其中标准定位服务就是只使用C/A码在L1载波上，而精确定位服务除了使用C/A码在L1载波上，也再加上P Code于L1和L2两个载波，除了这些测距码之外，最后也是最重要的就是一个50Hz的资料信息码。这个码载有的资料包括了卫星时序资料、卫星精确轨道资料(Ephemeris)，此资料只含有发射讯号的卫星本身的轨道资料、卫星基本轨道资料(Almanac Data)，此资料含有所有卫星的基本轨道资料及信号传播于电离层的修正资料。

接下来介绍Control Segment，这主要是由各个位在不同地点的地面控制站台所组成。其主控制站台(Master Control Station,MCS)位于美国科罗拉多州，其余几个站台则均匀沿着赤道分布。这些地面控制站的主要任务就是监测及控管这些在太空中运行的卫星，其功能包括有卫星轨道控管、卫星轨道资料更新、卫星本体之维护等。这个系统之运作流程是由各个子站台分别接收它们所锁定的卫星的轨道资料，然后透过美国的防卫卫星通讯系统将资料传送到主控制站台进行轨道资料的估计及再预测，然后再将新的轨道资料地面天线站上载至各个卫星。最后一个部分User Segment，才是跟一般使用大众有密切关系。所谓User Segment，其实指的就是GPS接收器，其功能不外乎就是射频接收、解码以及处理卫星的轨道资料，进而计算出接收器的位置。

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。而50Hz的资料信息码，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，就必须从卫星播送的测距码C/A Code开始介绍。 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。

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，(图二)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，由于这笔资料量较大，所以必须以25个资料框的时间才能全部传完。

《图二 完整数据框之图标》

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，接着再以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。

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)、解联立方程式得位置。

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。

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(图三)。

《图三 GPS的码相关比对技术》

GPS的导航效能

在讨论GPS的导航效能之前，我们必须先介绍一名词，选择性干扰(Selective Availability,SA)，由于当初在1970年代发展C/A码来定位时，其定位的精确度可达20-30米左右，超出预期的好，因此美国国防部乃刻意加上干扰信号使其精确度变到以下要介绍的水准。

通常我们都是以四个参数来评比接收器的性能，这四个参数分别是位置的精确性、速度的精确性、时间的精确性以及定位时间(Time to First Fix,TTFF)，通常可能还会再加上接收灵敏度等。在位置精确性的规格上，由美国国防部定义出的标准是95%的水平定位点必须落在半径100米的圆内。这个标准是针对SPS而言，在正常的情况下(不包括SA效应)会有两个因素影响位置的精确性，一个称之为UERE(User Equivalent Range Error)，这个误差是所谓的拟距离( Pseudorange)误差，并且是由每一个卫星所贡献出来的，造成这个误差的原因有卫星信号的随机变化、传播特性的变化等。长期而言，这个误差量会接近高斯分布，并且每一个卫星的误差量将会相等。另外一个误差是所谓的GDOP (Geometric Dilution of Precision)，这个误差是一个立即反应的误差量，而它的影响主要是因为锁定到的卫星的几何分布情况，当锁定到的卫星分布越散(理论上，当两个卫星的拟距离为直角相交时，为最佳化)则GDOP值越小，亦意谓误差量越小。

接收器的速度是藉由量测载波的都卜勒频移而得到的，其误差的程度与接收环境有直接的关联，在没有SA的干扰下，其误差在每一个分量上都必须小于0.2 m/sec，即使在有SA的情况下也不能大于0.4m/sec。

由于GPS接收器所接收到卫星讯号包含有卫星上原子钟的时基信号，因此它本身也就能够输出相当精准的时脉信号。一个从GPS晶片固定脚位输出的时脉讯号，将会是最精准的。一般在锁定4个卫星并且接收器静止不动的情况下，以SPS而言，大约会有340 nanosecond的误差，若再加上GPS接收器晶片(处理器误差、传播延迟等)本身误差约60~ 100 nanosecond，则整个误差将会接近500 nanosecond。

定位时间的量度，其实就是接收器从启动开始到得到第一笔定位位置的时间，这其中依据接收器的不同状态还可再分类有冷开机、暖开机以及热开机。各个GPS制造厂家也都以此规格做为性能优劣的指标。所谓冷开机指的就是当接收机什么资料都没有的情形下，启动后得到第一笔定位位置的时间。也就是说没有日期、时间、初始位置、轨道资料(Ephemeris & Almanac)等。而相反地，热开机是指当以上这些资料都存在的情况下，GPS处理器所计算下一个更新位置的时间。

接收机灵敏度是一个较不客观的评比标准，因为各个厂家在列出这个规格时，通常都没有将测试条件一并说明，即使测试条件有说明出来，各家的条件也一定不尽相同。即便如此也还是有基本法则可供参考，例如将一卫星讯号模拟器直接输出一功率分配器(Power Divider)，再分别接到两个待比较的GPS接收器的射频模组，先输出较大的功率，以确使两个GPS接收器都能锁定到卫星，再逐渐衰减信号强度，以卫星信号之脱锁来决定其灵敏度的优劣。

GPS供应商

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。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、皇旗等。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。

GPS的应用与远景

GPS发展至今已经是第三代了，第一代的Navstar卫星称为BlockI，有10颗卫星分布于三个轨道面，是从1978到1985年间发射上去。随后在1989到1997年之间又发射了第二代卫星，称为Block II/IIA，共有28颗Block II/IIA的卫星分布在倾斜55度的6个轨道面上。事实上，BlockII/IIA也就是我们目前在接收其讯号的卫星，第三代的卫星增加了一项重要的功能，就是利用UHF来自动更新卫星的导航资料，如此一来卫星即可减少与地面站台之连结。而为了再进一步加强卫星的自动导航性能与其他功能的完整性，第四代的GPS卫星Block IIF，也正在被发展中，预计在2003年会发射升空。

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。 (本文作者为北科大兼任讲师)