在去年的一部好莱坞卖座电影「全民公敌」中，有一段描述饰演律师的男主角威尔史密斯被情治单位利用卫星监视，无论他在大街小巷怎么闪躲逃逸，仍然无法摆脱对方的追捕。相信这段令人神经紧绷的精彩情节观众们一定难以忘怀，同时也不由自主的联想到：在现实生活中，是不是有人也在监视自己呢？这个问题或许无法在此讨论，不过这样的利用卫星来追踪，就技术层次而言，绝非难事，因为它所仰仗的就是全球卫星定位系统(Global Positioning System；GPS)。过去国人对全球卫星定位系统这个名词的印象，往往只出现在一些非常特殊的领域，比如说民航机、远洋船舶的导航系统，甚至前述的军事情治单位监控等，与一般人并没有太大的关系，事实上，它已逐渐进入你我的日常生活之中。

何谓GPS系统？

GPS的全名为NAVSTAR(Navigation Satellite Time and Ranging) GPS，是美国国防部于1970年代为了军事用途而开始发展的，现在已慢慢跨入商业用途的范围。它是利用在离地面约二万零两百公里高的轨道上运行的人造卫星群所发射出来的讯号，以三角测量原理计算出收讯者在地球上的位置。整个GPS系统可分为下列三部份(图一)：

《图一 全球卫星定位系统》

1.太空部分-人造卫星群

GPS一共使用24颗运作卫星，以四颗一组分别运行在六个倾斜角度为55度的轨道面上；另外还有3颗备用卫星。每颗卫星每天绕行地球两次，使得地球上任何地点在同一时间都至少有四颗卫星在空中提供定位讯号。

2.控制部分-地面控制站

用以追踪并监控的地面控制站，在全球共有五处，分别为太平洋地区的Hawaii及Kwajalein，印度洋地区的Diego Garcia，大西洋地区的Ascension Island等四座无人监测站(Monitor Stations)，以及设于美国科罗拉多州Colorado Springs的Schriever Falcon Air Force Base之主要地面控制站(Master Ground Station)。另外还有四座大型卫星天线站，亦可对卫星进行监测。

3.用户端部份-GPS接收机

GPS接收机是在GPS系统中一般使用者唯一会接触到的设备。它会依不同的应用而以各种型式出现，如汽车，航空器，船舶等导航设备，或是个人手持式定位系统等。主要的功能在于接收由GPS卫星所传来的卫星所在位置，送讯时间，运行速度等资料，并用以计算出接收机所在之位置。

接收机的架构虽然依其用途与厂牌而有所不同，基本架构则是大致相同的(图二)。而其主要的构成元件可分为下列四类：

《图二 GPS接收机基本架构》

˙IC：包含RF、DSP、16/32-bit Microprocessor、Memory、Real-time Clock、LNA(Low Noise Amplifier)​​、Display Driver、Memory Interface Logic

˙Crystal Oscillators

˙Keyboards

˙Displays

目前全球主要的GPS IC制造商有Rockwell、Trimble、Motorola、Siemens、SiRF等十多家公司。这些制造商逐渐将各种IC加以整合，推出相关的晶片组，这也是GPS零组件中的最大宗。根据Forward Concepts的资料显示，GPS IC的市场将由1999年的483百万美元急速成长到2003年的1651.6百万美元，非常惊人(图三)。

《图三 1998-2003年全球GPS IC产值》

由于美国担心GPS被恐怖份子所利用，特地将「选择性可用度(Selective Availability；SA)」加入讯号，在使用时有95%的机会产生100公尺甚至更高的误差；不过美国国防部预计在公元2005年停止使用SA来干扰，届时GPS的准确度将大幅提升。在此之前，民间尝试使用不同的方法来降低这个误差，目前最普遍的是差分GPS(Differential GPS; DGPS)，它可以将精准度提高，误差可降低至10公尺以内。

类似相关的系统

由于GPS系统的卫星群与地面监控站都是美国政府所有，为了希望能够不受制于美国，世界各国也有发展类似于GPS的卫星导航系统，目前有俄国的GLONASS系统与欧洲的Galileo系统。

GLONASS

Global Navigation Satellite System(GLONASS)是由前苏联所发展的，其概念与GPS相当类似。从1982年发射第一颗卫星升空之后，到1996年初一共发射了二十四颗卫星。这些卫星分成八颗一组，分别运行于三个不同的轨道面上。轨道面倾斜角度为64.8度，轨道距离地面约25,440公里。其中有两颗卫星于1996年退役，因此只剩下22颗在运作。 GLONASS的地面控制中心(Ground Control Center)在莫斯科，四个监测站分别在St. Petersburg、Ternopol、Eniseisk以及Komsomolsk-na-Amure。但由于苏联解体后，俄国的经济状况每况愈下，使得GLONASS系统之维护与更新的经费都大受影响。由于可靠度不高，在全球的卫星定位实际使用上大都是将GLONASS当作GPS的辅助系统，单独使用GLONASS系统的情况则不多见。

Galileo

1999年2月，欧洲委员会(European Commission;EC)有鉴于美国的GPS系统和俄国的GLONASS系统两者都是军民两用的系统，当在牵涉到国家安全时民用部份就会受到影响(如波湾战争时期民用GPS接收机经常断讯)，因此提出计画要发展一套开放、独立，但相容于现存的GPS与GLONASS系统的全球卫星定位系统-Galileo。这个计画的经费由欧洲委员会与欧洲太空总署(European Space Agency;ESA)共同筹措，民间则有Alcatel Space、Alenia Aerospazio、Dornier Satellitensysteme GmbH与Matra Marconi Space等公司参与，目前正进行到设计阶段( Design Phase)。 Galileo系统将使用二十四颗以上的中轨卫星与同步卫星，预计于2005年开始提供服务，届时将成为第一个没有军方色彩的商用全球卫星定位系统。

应用范围与市场现况

依据美国ITA，Office of Telecommunications的资料显示，全球GPS产品之市场销售额由1999年的6,065百万美元逐年成长，到2003年时将达16,415百万美元(表一)。而各分类产品销售额(如图四)依序为：

《表一 1998-2003年全球GPS市场销售额》

1.汽车卫星导航(Car Navigation)

2.消费性产品(Consumer)

3.位置定位(Mapping)

4.追踪(Tracking)

5.原厂委托代工(OEM)

6.航空(Aviation)

7.航海(Marine)

8.军事(Military)

由这个资料可以看出GPS的应用项目。其中前四大项目与一般大众日常生活有关，占了85.4%，到公元2003年更高达89.1%。而原先最早促成GPS开发的军事用途所占的比例是逐年下降，甚至不到2%。由此可见，GPS的应用与消费大众的关系日益密切，GPS渐渐融入民众的日常生活之中。

「汽车卫星导航」所占的比例向来都是位居第一，这是因为它是现今发展最成熟的GPS应用系统，而且在日本非常风行的缘故。这个现象同样出现在台湾，目前市面上商用的GPS产品也是以汽车卫星导航系统为主。 「消费性产品」则包括了用于野营，登山，海钓等户外活动使用之手持式个人卫星定位系统，以及与各种消费性电子产品结合的卫星定位系统。这类产品在注重休闲生活的先进国家相当畅销。在「追踪」这个项目中，由于美国E-911法令的要求使得行动电话必须开始具备GPS功能(详见本文「未来趋势」中之第3点)，使得它所占的比例从1999年的11.9 %跃升至2003年的18%(图四)。

《图四 1999年及2003年全球GPS市场销售额各产品所占比例》

至于国内方面，根据工研院电通所产业资讯部的研究指出，1999年我国GPS相关产品产值约为新台币六十六亿五千万元，较1998年的五十二亿元成长28%，与全球GPS市场同步成长，在我国通讯产品产值排名中也从第六名上升至第四名。从上游的GPS晶片设计与制造到下游的GPS应用，国内总共约有二十家厂商投入。国内厂商优异的生产技术与制造能力，已经使得台湾成为手持式全球卫星定位系统的生产重镇。由于国内的GPS市场处于萌芽期，需求量不大，因此国内GPS厂商仍以外销为主，约占总产值之99%。

未来趋势

1.产品体积逐渐缩小

由于单晶片系统(System On a Chip；SOC)的趋势，使得GPS晶片组不论在体积缩小以及降低耗电量上都有极大的突破。在1999年8月，由国人胡国强在矽谷成立的美商瑟孚科技(SiRF International)向全世界发表了该公司最新发展的半导体架构技术，能够将GPS晶片模组的尺寸缩小到邮票一般大小，同时还提高了准确度。一个多月之后，另一个邮票尺寸大小的GPS接收机(GPS Receiver)晶片模组由IBM、Leica Geosystems及Sierra Monolithics三家公司共同开发成功，而这种运用IBM的SiGe制程所制造的晶片模组的耗电率只有传统晶片模组的三分之一。由于这些技术使得将GPS功能加入其它产品的可行性大增，如腕表、大哥大手机、PDA等等，因此这类技术进展对GPS相关产品体积的缩小有相当大的助益。

去年六月日本卡西欧(Casio)公司所发表的全世界第一只内建GPS功能的原型手表Pathfinder PAT1GP-1(图五)就是一个很好的例子，它已经将GPS接收机成功地与电子表整合在一起。输入经度与纬度，在有限的显示幕中已经可以做到位置定位、导航等功能。

《图五 CASIO Pathfinder PAT1GP-1》

2.与日常生活的结合日趋紧密

随着科技的进步，人们除了使用准确的钟表来满足对时间精准的要求之外，对所在位置的精确度要求也日益提高。有三个因素会强化人们想要「知道自己身在何处」的想法：第一，增进日常生活的便利性。由于交通的便利，人们前往从未去过的地方的机会越来越多。当到达一个陌生的地方时，除了地图之外，最需要了解的莫过于当时的所在位置之资讯。目前市面上的手持式GPS接收机及汽车卫星导航系统都是因应这个需求而产生的。

第二，由于医疗科技的进步，人类平均寿命不断延长，高龄化社会已经发生在大部份的国家。根据联合国的资料显示，已开发国家六十岁以上的老人占人口的比例，于公元两千年将达高百分之二十以上。针对为数日渐庞大的银发族，产生了许多新的特殊需求，其中一项最重要的是其个人的安全保障，而GPS即时提供所在位置的资讯对于银发族在发生危难时的呼救是绝对必要的。

第三，在重大灾害发生时，对受困民众的所在位置进行快速而准确的定位是救援成功的重要关键。以这次九二一大地震为例，不论是被困在瓦砾堆或困在山区的民众，若有GPS的协助来争取抢救的第一时间，相信一定能将死伤的人数大为减少。因此民众在日常生活对GPS的需求绝对是有增无减的。

国内第二大IC集团联电集团与国际知名的组合国际电脑公司(Computer Associates International)于1999年8月宣布合资筹组OmniTrack公司，运用双方在晶圆制造与软体系统开发方面的专长，发展新一代的GPS应用平台。 OmniTrack公司所要发展的新一代智慧型定位回报(Intelligent Location-Awareness)应用开发平台，将使GPS厂商能开发出功能更完整的应用系统，提供给消费大众各种不同的便利服务，使得GPS成为民众日常生活必备的工具。

3.成为未来行动电话的重要功能之一

这点是专家们预期GPS市场即将快速起飞最重要的因素之一。根据美国官方的统计研究，全美每天透过行动电话打911(即国内的119)求助者大约十万人左右，而其中有约30%系无法确认来话地点与来话电话号码。有鉴于此，美国联邦通信委员会(FCC)公布E-911(Enhanced-911)的法令来解决这个严重的问题。 FCC允许行动电话业者采取以修改行动电话网路为主，或是修改行动电话手机为主的两种途径来符合E-911的要求。E-911分为两个阶段执行，在1999年9月中对第二阶段之规定的最新修定版本中，要求选择以修改手机来符合E-911要求的行动电话业者从公元2001年三月前要开始销售具备GPS功能的手机，十月时要有50%的行动电话用户已使用具备GPS功能的手机。

而其准确度的要求为能对67%打911紧急呼救的发话者提供其位置，误差范围为半径五十公尺，而对95%打911紧急呼救的发话者位置的误差范围为半径一百五十公尺。由于这项法令的制定，亦促使了许多行动电话手机业者如Nokia、Ericsson等公司都开始发展相关的产品。虽然这项E-911法令效力仅限于美国国内，但对它所要解决的问题之需求是不分疆界地域的，因此世界各国的相继跟进是可预期的，GPS势必成为行动电话的重要功能之一。

去年十月于日内瓦举办的Telecom 99电信展中，芬兰Benefon公司推出该公司所发展之全世界第一部具备GPS功能的900/1800双频GSM行动电话「Benefon Esc!」，它非常地轻巧，体积为129x49x23mm，重量更只有150公克，待机时间也在一百小时以上，几乎是无可挑剔。它除了具有个人导航功能之外，还可当个人记事本(Personal Organizer)使用。为因应未来行动数据的需求，此手机已内建14.4kbps数据机。这项产品已为将来的行动电话提供了一个很好的范例。

结语

随着GPS的日渐普及，在我们的汽车上、手表里、PDA中、笔记型电脑内都将逐渐配备GPS接收机，提供不同的服务。全球卫星定位服务将如同电力、自来水、电话等公用事业一般，在你我的周遭唾手可得，成为我们工作上与生活上不可或缺的一环。 (本文作者任职工研院电通所分析师)