GPS（Global Positioning System）全球卫星定位系统，其正式的名称为 NAVSTAR（Navigation Satellite Time and Ranging）GPS。卫星定位系统是由美国国防部在冷战时期为了军事用途而设计部署的计画，其主要目的在协助飞弹导航、军事侦查及地形勘查为主。

卫星定位系统的使用，在以前大都使用于飞机、船只的导航或一些地理位置的量测，然而目前此卫星定位系统的应用已经慢慢逐渐的进入我们每个人的生活周遭。例如GPS定位系统在飞航上取代了老旧的无线电信标准、在汽车导航方面加上电子地图（E-Map）可以让驾驶者轻易的寻找路标、使用在于找寻人员位置之定位以及提供如滑雪者、健行者、大自然爱好者和登山者皆可利用GPS定位系统功能依照卫星定位器找到已定位目的地以及回家时的最短路径，所以卫星定位系统功能可说是未来科技发展的一个趋势。

全球卫星分布

全球卫星定位系统是使用24颗距地表20，183公里高空的卫星群，以55度等角均匀地分布在六个轨道面上，并以11小时58分的周期环绕地球运转所组成的。卫星上都载有位置及时间讯号，只要用户端装设卫星定位接收器设备，无论何时何地都可接收到至少5颗卫星的讯号。不过值得使用者注意的一点就是卫星接收讯号的良好与否，是与有无遮蔽物及遮蔽物的状况而定的，并不是于室内或地下室任何地方都可接收到卫星讯号。

卫星定位的24 颗卫星是以平均分布在6个轨道面，每一个轨道面上会有4颗卫星绕行地球运转，让地面使用者不论在什么地方与时间，至少有4颗以上的卫星出现在我们上空中供使用者使用。每颗卫星都对地表发射涵盖本身载轨道面的座标、运行时间的无线电讯号，地面的接收单位可依据这些资料做为定位、导航、地标等精密测量。

卫星定位系统基本构成

全球卫星定位系统必须包含空中卫星群、地面控制站系统、使用者接收器三部份。

卫星群

在卫星定位系统中，共有24 颗定位卫星围绕着地球，24颗定卫星有提供两种 L-Band载波，分别为 : L1 （ 1575.42MHz ） 与 L2 （ 1227.60MHz ）。 L1负责传送导航讯号， L2 频率则负责传送精确的延迟讯号供给PPS （ Precise Position Service ） 使用。

载波讯号各码调

载波讯号又分为采用三种码调制，分别为调制导航讯号的粗略撷取C/A 码（ Coarse / Acquisition Code ）。第二个与第三个调制码则分别为P码（ Precise Code ） 与Y码。 C/A 码现在只有在 L1 载波才有，P 码则无论在 L1，L2 皆有。这些电码称为虚拟随机杂讯 PRN （ Pseudo Random Noise ），双相调制于载波上。 C/A 码每 1/1000 秒重覆一次，波长 300m。 P 码则每 38 周重覆一次，波长约 30m 。

不易被干扰的P电码 （ 10.23 MHz ） ，因频率较高不易被干扰，现在为军方采用，而民间使用的则为C/A电码（1.023 MHz）。其中P 码已经为军方使用多年，美国国防部又增加一种 A.S.码（Anti-Spoofing） 将 P 码转换成 Y 码，接收器必须加上解码器才能使用 Y 码。

GPS 所有的导航资讯都在 L1 及 L2 上广播，并可用 C/A 码及 P 码传送，调制频率为 50 Hz，这些数据包括 GPS 导航资讯，卫星星历及接收器点位资料等。

地面控制站

地面控制系统由监测站 （ Monitor Station ）、主控制站 （ Master Monitor Station ）、地面天线 （ Ground Antenna ） 三部份所组成的。

监测站

现在全球计有5个地面卫星监控站，负责传送卫星瞬时常数 （ Ephemera's Constant ） 及时脉偏差 （ Clock Offsets ） 之修正，让卫星能及时提供接收器使用者更精确之定位运用。这些地面卫星监空站，分布于瓜加林岛、科罗拉多泉、夏威夷、亚森欣岛、底亚歌加西亚等地。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对据离，大气校正等数据。如(图一)。

《图一 全球GPS地面控制站分布图》

主控制站

主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado Spring），其功能为收集监测传来的数据并计算出卫星星历、卫星时表修正量及电离层校正系数。同时将此校正资讯送到地面天线传送回卫星，卫星就能把修正后的讯息广播给使用者。

接收器

GPS 的接收器是唯一使用者可以接触到通讯设备。它可以以不同的形状方式出现在我们的生活当中，如手持式的卫星定位器、结合 GPS 的 PDA、GPS功能的手机、GPS 手表、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卫星广播出来的导航讯号讯息呈现给使用者知道。

卫星定位系统原理

GPS定位的过程，基本上是距离的量测。就是量测未知点（接受机）与已知点（卫星）之间的瞬间距离。主要的测量方法有两种：虚拟距离观测及载波相位观测。由于载波相位在讯号传播过程中受到的各种影响较小，因此精度远高于虚拟距离观测。

三角定位原理

卫星定位系统虚拟距离观测量，是利用卫星基本三角定位原理，GPS接受装置以量测无线电讯号的传输时间来量测距离。由每颗卫星的所在位置，测量每颗卫星至接受器间距离，即可算出接受器所在位置之三维空间座标值。 GPS之使用者只要能利用接受装置接收到3个卫星信号，就可以定出使用者所在之位置。而目前一般的GPS 接受装置都是利用其接收到4个以上卫星信号，来定出使用者所在之位置及高度。

这种量测方式是一种高轨道与精密定位的观测方式。假设卫星在11000 miles高处，测量我们的距离。首先以11000 miles为半径，在此卫星为圆心画一圆，而我们位置正处于球面上。如果第二颗卫星距离我们12000 miles，而我们正处于这二颗球所交集的圆周上，我们再以第三颗卫星做精密定位，此卫星高度13000 miles，我们即可进一步缩小范围到二点位置上，但其中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中的某一点，因此我们舍弃这一点参考点，选择另一点为位置参考点。

虚拟距离

如果要获得更精确​​的定位则必定要再测量第四个颗卫星，从基本物理的观念上来说，以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离，我们将此测得的距离称为虚拟距离。

在GPS的测量上我们测的是无线信号，速度几乎达18万6千英哩/Sec的光速，而时间却短的惊人，甚至只要0.06秒，时间的测量需要二个不同的时表，一个时表装置于卫星上以纪录无线电信号传送的时间，另一个时表则装置在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间，虽然卫星传送信号至接收器的时间极短，但时间上并不同步，假设卫星与接收器同时发出声音给我们，我们会听到二种不同的声音，这是因为卫星从11000英哩远的地方传来，所以会有延迟的时间，因此我们可以延迟接收器的时间，从此延迟的时间×速度，就是接收器到卫星的距离，此即为GPS 的基本定位原理。如(图二)。

《图二 卫星定位原理》

在各种应用范围中，GPS用户端接收器体积不断缩小价格日降，GPS 接收机的接收精准度愈来愈高，使其逐渐出现在手机、PDA、笔记型电脑等资讯电子产品中，未来更可望成为以上产品的标准配备之一。

对于通信手机（Cell Phone）定位系统中，GPS定位系统功能也有部份加入或是融入通信手机之中，以便于提高通信手机应用功能，使通信手机也具有定位功能。这几年美国政府相关单位曾经公布了E-911 法令，并计划在2001年以后，将所生产之通信手机全面具有GPS定位系统功能，此计划对于手机及GPS定位系统制造业者将是一个未来商机。

美国解除 GPS 干扰准确性将提高

GPS提供了标准定位 SPS （ Standard Positioning System ） 与精密定位 PPS （ Precision Positioning System ） 两种定位系统。

标准定位

标准定位SPS 是最常见的定位系统，其水平方向精确度可达到约为30公尺，SPS 因美国安全局为刻意降低GPS 的精确度而加入经过选择性效益SA （ Selective Availability ） 处理程序，就是会将卫星讯号的位置或时间资料重新处理，在加入了随机变动参数后误差会加大。

加入 SA 后的精度为 SA-SPS ，其精确度水平值100公尺，垂直为156公尺，时间为10亿分之340秒，目前提供现在的一般性商业应用，如汽车导航系统等。

精密定位

精密定位PPS 系统则采用锁码讯号，定位精确度水平值为20公尺，垂直为27.7公尺，时间为10亿分之200秒.由于PPS为锁码系统，因此不会被加入SA码干扰，事实上PPS亦仅提供给军事单位与政府使用。

GPS禁令解除

美国总统柯林顿，2000年5月1日下令美国国防部，解除多年来对全球卫星定位系统 GPS 讯号的干扰讯号 S.A.。干扰解除后，将大幅提高现有 GPS 的准确性，这对民间产业来说是项大利多。

美国政府全面解除对全球卫星定位系统的干扰后。一般使用者将能享受到，比以往更精准的服务。全球卫星定位系统目前已与电脑科技结合成为语音导盲工具，这套系统也可应用在各种携带式装置像是行动电话上。如此一来使用者打报警电话时，有关单位就能马上得知求救者所在位置。

GPS 接收模组

GPS 卫星定位系统功能可以表现在不同的产品的形态上，例如 GPS Handheld、GPS Car system、GPS CF card、GPS Mouse等。但不管产品的形态为何，基本上GPS 的接受器里必须要有GPS 卫星定位系统的主接受器我们一般称之为引擎或引擎板（ Engine ） ，此一主接受器完全只单一做接收卫星讯号的功能，并没有发射无线电波的功能，而其目前可做成模组（ GPS Engine/B or GPS Receiver Module or GPS Mouse ） 形态方式并与使用其它的介面电路连结然后应用在GPS 产品上。

GPS Engine 的制造商甚多，代表性的厂商有Motorola、Garmin、EverMore等，目前尚有多家国内的GPS 制造设计厂商，使用GPS Chipset 自行制造Engine Board 成为自有品牌或接受国外客户OEM 或ODM 的方式。虽然厂商众多，特性上略有差异，但是其接受电路结构大数大同小异。参考(图三)。

《图三 GPS Engine Block 》

GPS基本构造

GPS 接受器电路主要基本构成包含有低杂讯放大器（LNA）、射频滤波（RF Filter）、射频电路（RF Chip）、数位处理器（DSP）、微处理器（uP）、快闪记忆体（ Flash Memory）、记忆体（SRAM）、振荡器（Crystal）等元件。

Engine 接收器模组大概可区分为射频前端 ( RF front end ) 和数位处理 ( Digital section ) 两部份电路,其分别担负不同的接收及解码输出的功能。

射频前端

射频前端部份大致由 LNA、BPF、RFIC 三部份电路所组成，其功能主要是负责把从 Antenna 接收 L1 1575.42 MHz 的射频讯号经过混波降频取出 Base band 所须的中频讯号 4.092 MHz。

射频部份的主要元件为射频积体电路RFIC ，又称为RF Front End Chipset 。 RFIC 是一个 GPS 射频讯号处理的积体电路，它有 Double-conversion、RF/IF down converter block 和 PLL frequency synthesizer 的功能。

数位处理

数位处理部份则包括有GPS Base Band DSP、Micro Processor、Flash Memory、SRAM。这部份的电路功能除了接受射频前端的输出中频讯号外，必须把讯号解调变出来并将讯号处理输出，以便于使用者介面使用。而 Base Band 之解码输出，通常会依照 NMEA 0183 的输出格式，但也有一些厂商会自行订定出自有的输出格式。但这种自行的输出资料输出格式，并没有办法与一般的电子地图搭配，所以通常我们都会选择使用标准的 NMEA 做输出资料格式。

GPS Base Band DSP chip 为卫星定位系统的主要讯号处理部份，目前都以ASIC 方式出现，并有些晶片厂商已把32 bit or 16 bit 的微处理器使用内崁的方式，使Baseband DSP 和uP 成为单一晶片。 GPS Baseband Chipset 目前主要的供应厂商有 Motorola、Rockwell、Philips、Sirf、EverMore 等，上述除了 EverMore 为国人自行开发外，其余皆是国外的厂商。

现在以 EverMore BBP 1202 GPS Baseband Chipset 国人自行开发的晶片为例，其的主要功能如下：

◆ 12 parallel channels.

◆. 3 OF 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 mi​​nimal CPU overhead.

◆. Uses low-cost 15-PPM crystal.

◆. 1 PPM, 10 PPM, 1000 PPM output.

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

◆. Flexible interface supports various CPUs.

◆. 33MHz clock output for CPU.

◆. 100-pin TQFP.

◆. Low power 3.3V CMOS process.

微处理器与GPS

在微处理器方面，如 Evermore Engine/B 使用的是 16 Bit Intel 80186，其主要的动作在于控制及讯号资料的处理，并使 NMEA message 资料做输出，给其他的应用电路做使用。

卫星接受模组特性

GPS 卫星接受器晶片或模组，目前所研发设计的厂家众多。但是以研发设计工程师的观点来看，并不是能接收到卫星讯号然后能定位，就算是一个良好的 GPS 接受器模组。我们依据 GPS 卫星接受模组几个重要的特性做以下的分析 :

一般特性（ General ）

一般特性为L1 frequency、C/A code、12-channel。为一般卫星接受器模组所表示的基本接受功能，标注着卫星接受器的接收频率与讯号码和接受卫星频道数，例如 L1 frequency、C/A code、12-channel。这表示出此接受模组的接收频率为 L1 1575.42Mhz，使用接收码为 C/A 粗略撷取码，并同时可以搜寻不同的 12 个卫星。

GPS Engine 接收灵敏度（ Sensitivity ）

灵敏度为-165 dBW minimum。即接受器的接收灵敏度值，攸关接受器模组的接收讯号程度，在GPS 的接受器中通常是以dBW 来表示，定位卫星于太空中发射讯号至地面讯号的强度大约为-160dBW，所以我们的接受零敏度必须大于此数值。

资料更新率( Update Rate ) : 1 Hz。

GPS 卫星接受模组虽然说一直是处于接收状态，但是一般的接受器经过里面的 Baseband 资料处理运算，并无法马上把资料送出，故一般来讲都会一资料更新时间差。这里所标出的 1Hz，其实就是一个时间单位。

Time = 1/Frequency，即更新资料时间为每一秒更新一次。

精确度（ Accuracy ）

精确度的要求为

Position : 25没 CEP，without S/A。

Velocity : 0.1没/色彩，without S/A。

Time : ±1μs。

在卫星定位系统当中，往往会有若干因素来影响卫星定位的精确度，这些受影响的数据包括了定位位置、移动速度及时间的差异。

Accuracy Position，为卫星定位位置的误差值。定位精确度为25m CEP， without S/A，是指 GPS 接受器于无 SA 干扰之下，所定位的精确度。一般的标示例如为 25m CEP ，而 CEP 就是Circular Error Probable 缩写。

此外，如同上述在 GPS 卫星定位接受器中，尚有速度及时间精确度的标示。在速度的标示上，例如 0.1m/sec，without S/A ，是指出在无 SA 干扰讯号下，速率的误差值为每秒 0.1 公尺。而时间的误差值 Accuracy time 为 ±1μs。

差分定位精确度（ DGPS Accuracy ）

Position : 2没 CEP。

Velocity : 0.05 没/色彩。

GPS技术

DGPS （ Differential GPS ） 技术，是一种能在讯号接收后与GPS接受器反覆确认，藉由此动作消除卫星讯号的误差与干扰的技术。经过差分定位技术后，误差范围可缩小至2-5公尺，已能运用在精确的汽车导航定位系统中。

此种差分定位方式，在早期 SA 干扰未解除之前，是一种非常实用且精确的计算技术，但是自从 SA 干扰讯号解除以后，有许多厂商都已认为不须再使用。同样的在 DGPS 的技术下一样还是会有精确度的误差，此项规格参数正标示出 DGPS 的精确度，包含有位置以及速度的误差值。

接受器资料获得时间 （ Acquisition ）

Cold start :

Warm start :

Hot start :

GPS 卫星定位系统接受器，于卫星定位时会有时间快慢的差异。决定其定位时间快慢，跟接受器放置的位置以及接受器本身资料的保持、晶片的运算速度都有关系。

一般来讲卫星定位器里，都有 SRAM 和 Battery 的元件。此两个元件，都会在定位接受器定位后关掉电源时，保留最后一笔的定位资料。不过这些资料，会因为时间的问题受由内部线路电压电流的消耗而流失。

此时如果要再做一次定位，卫星定位器，就必须重新搜寻卫星的资料，而花费较多的时间来取得现在正确的定位资料。所以通常定位接受器都会有冷开机（ Cold start ）、暖开机（ Warm start ）、热开机（ Hot start ）三种不同的定位时间。

冷开机一般是指定位接受器，在 SRAM 内部已经没有资料存在，这时所花费的定位时间为最长的状况。暖开机则表示尚有资料数据保持于 SRAM 内，所做的开机定位动作，此时部份资料的完整足以缩短开机定位的时间。而热开机，泛指为资料都在没有任何变动下所做的开机定位动作，这时所花费的时间是最短的一种状态。

一般来说，卫星定位器接受器，在操作软体上都会有此三种选项，不过应注意的是，并不是设定于热开机的选项，每次开机都会只进行热开机的动作。卫星定位系统晶片，会依照当时实际的状况，来做系统开机的动作。

断讯后又定位的时间（ Reacquisition ）

断讯后又定位时间低于100msec。卫星定位接受器于定位后，会随着移动中的定位接受器移动而送出移动中的资料讯息。就如同上述所提到的，资料的更新速率为 1Hz ，相当于每秒更新一次。不过在移动中的物体往往会遇到一些非人力所能控制的状态，例如进入遮蔽物或天气等因素而暂时中断收讯。

此时，如果这些因素只是短暂时，当接受器回复到良好的收讯条件，定位接受器应尽速收到卫星讯号做定位资料的输出。这里所标示的正是此段时间规格，当然这段时间是越短越好，不过碍于晶片的速度，总是会有一定的延迟时间。

天线（ Antenna ）

活动天线大于20 dB（100ft）；大于10 dB（10ft）；被动天线大于2dBic。 GPS Engine 使用之天线可分为主动（ Active ）和被动（ Passive ）两种形态，主要差别在于主动式天线内含有低杂讯放大器（ LNA ）。

20dB ( 100ft )。"Active Antenna 会因天线与接收器的距离造成衰减的情况,所以一般的会有标明使用天线线长,例如 20dB ( 100ft )。

动力因素（ Dynamics ）

Altitude: -1000MTO 18000没。

Velocity: 500没/色彩。

Acceleration: ±4g。

此项规格在标示移动时,卫星接收器所容忍的规格,包括了高度的移动、速

度以及加速度。 Altitude: -1000m to 18000m，表示接受器可以使用于海拔 -1000 ~ 18000 公尺。 Velocity: 500m/sec，表示速度的移动可以达到每秒 500 公尺。 Acceleration : ±4g，则表示定位接受器可以容许加速度 ±4g。

GPS 应用与结论

GPS 的应用十分广泛，凡是需要做地面定位的工作时，都可以利用GPS来达成。以往全球卫星定位系统 GPS 的使用都集中在军事用途上。例如海陆空军事的导航、潜艇定位、部队移动的监控等。

但是以目前的使用趋势，全球卫星定位系统GPS 已慢慢广泛使用于我们日常生活当中，譬如GIS 电子地图的导航系统、交通运输的监控、汽车位置方向的导航、含有GPS 的个人笔记PDA或NOTBOOK和具有GPS 定位功能之通信手机（ Cell Phone ）等。

现在最常使用GPS的应用领域大约有以下几部份:

◆资源调查和土地探测。

◆军事用途。

◆制图。

◆货运、救护、消防、警政、营救。

◆导航定位，如汽车定位、航空、航海等导航位。

◆大地测量、一般测量。

◆精确定时。

消费市场利基

目前国内业界已有多家厂商投入GPS定位系统研制，尤其现在最看好汽车导航定位系统市场及未来之通信手机（Cell Phone）定位系统市场。汽车导航系统的应用可以从现在位置至已选定之目的地间，设定一个导航路径并配合交通电子地图寻找，以最短时间及距离到达目的地。也可以利用此系统，可提供掌握车辆驾驶人员行车动态、车辆服务厂商紧急救援、拖吊、当车辆失窃时并可与警方合作共同追踪寻找失窃之车辆等功能。

在休闲旅游方面GPS 也可以做附近相关周边设施，例如医院、加油站、公务机关位置、风景区等设施之寻找，透过空间分析软体即可规画出私人旅游公车路线、汽车旅行等行进之最短路线。

GPS研发重心

在目前通信手机（Cell Phone）定位系统市场，将是业界兵家必争之地。但如何使GPS 定位系统缩能够装微小呢?希望可用多晶片模组MCM（Multi-Chip Module） and Flip Chip or Wire Bonding Interconnect之COB（ Chip On Board ）等构装方式来达到缩装微小化目的。或者可将 GPS 系统和通信手机系统的重要驱动执行元件合而为一，使两系统使用同一颗驱动元件（ CPU and DSP ）执行，使它可达到缩装微小化目的。

现在怎样将现有之GPS定位系统缩装微小化或是将 GPS 定位系统融入通信手机系统中，将是现在我们努力的一个重要课题。