全球衛星定位系統(GPS) --

全球衛星定位系統(GPS) --中華電 信

全球衛星定位系統(Global Position System，GPS)應用於導航定位是一全新的概念，利用此一太空時代的科技，任何人都可輕易地得到正確的位置、速度及時間。

GPS 發展計畫是由美國國防部主持，由運輸部參與，並將此技術轉移至民間使用，應用在導航定位、精密測量、姿態及標準時間等相關作業上。GPS是結合衛星及無線技術之導航系統，能提供有使用者精確定位、速度及時間。GPS的應用已廣泛存在於目前市場，隨著衛星科技的進步，許多GPS技術及商機亦正迅速地發展， GPS早期侷限於軍事單位，其目的針對軍事用途，例如戰機、船艦、車輛、人員、攻擊標的物的精確度定位等。時至今日，GPS已開放給民間做為定位使用，這項結合太空衛星與通訊技術的科技，在民間市場已蓬勃的展開，除了能提供精確的定位之外，對於速度、時間、方向及距離亦能準確的提供訊息，運用的範圍相當廣泛， GPS的確充滿著無限的商機。

GPS教室 --Garmin 全球衛星定位系統(Global Positioning System,GPS)是由美國政府所發展，整個系統約分成下列三個部份： 1. 太空衛星部份：由 24 顆繞極衛星所組成，分成六個軌道，運行於約 20200公里的高空，繞行地球一周約12小時。每個衛星均持續著發射載 有衛星軌道資料及時間的無線電波，提供地球上的各種接收機來應用。 2.地面管制部份：這是為了追蹤及控制上述衛星運轉，所設置的地面 管制站，主要工作為負責修正與維護每個衛星能保持正常運轉的各項參 數資料，以確保每個衛星都能提供正確的訊息給使用者接收機來接收。 3.使用者接收機：追蹤所有的 GPS衛星，並即時地計算出接收機所在 位置的座標、移動速度及時間，GARMIN GPS 即屬於此部份。 我 們一般民間所能擁有及應用的，就是第三部份。計算原理為：每個太空衛星在運行時，任一時刻都有一個座標值來代表其位置所在(已知值)，接收機所在的位置座 標為未知值，而太空衛星的訊息在傳送過程中，所需耗費的時間，可經由比對衛星時鐘與接收機內的時鐘計算之，將此時間差值乘以電波傳送速度(一般定為光 速)，就可計算出太空衛星與使用者接收機間的距離，如此就可依三角向量關係來列出一個相關的方程式。 一般我們使用的接收機就是依上述原理來計算出所在位置的座標資料，每接收到一顆衛星就可列出一個相關的方程式，因此在至少收到三衛星後，即可計算出平面座 標(經緯度)值，收到四顆則加上高程值，五顆以上更可提高準確度，這就是 GPS的基本定位原理。一般來說，使用者接收機每一秒鐘的座標資料都是最新的，也就是說接收機會自動不斷地接收衛星訊息，並即時地計算其所在位置的座標資 料，如此使用者便不需擔心是否接收機顯示的資料太舊或是不準確了。 由於衛星是處在相當高的運行軌道上，其傳送的訊號是相當的微弱，因此它不像一般通訊無線電或大哥大等可在室內使用或收到訊號，在使用時需注意下列事項： 1.需在室外及天空開闊度較佳之地方才能使用，否則若大部份之衛星信號被建築物、金屬遮蓋物、濃密樹林等所阻擋，接收機將無法獲得足夠的衛星訊息來計算出所在位置之座標。 2.請勿在具 1.57 GHz 左右之強電波環境下使用，因此環境易將衛星訊號遮蓋掉，造成接收機無法獲得足夠的衛星訊息來計算出所在位置之座標，尤其是高壓電塔下方。 3.單純 GPS 所計算出的高程值，並非是我們一般所說的海拔高度及氣壓計量測的飛行高度，原因在於所使用的海平面基準點不同，因此在使用時請務必注意此點。 GPS 的基本應用就是導航與定位，定位方面在上文已描述過，而導航方面就是利用所求出的定位資料來計算。接收機所計算出的任何時刻座標資料，在GPS 裏我們都稱為一個航點(WAYPOINT)，也就是說每個航點所表示的就是一個座標值，比較重要的航點，我們就可以把它儲存在接收機內，並編上一個名字， 讓我們可以辨別。 由於在地球表面上的任何位置，都以不同的座標值來表示，因此只要知道兩個不同航點的座標資料，接收機就可馬上計算出兩個航點間的直線距離、相對方位及航行速度，這就是 GPS 接收機導航資料的來源。 例如：目前我們在基隆港，希望往北行駛，第一個目的地是釣魚台，第二個目的地是琉球為終站；從起點至終點，每站就都是一個航點，航點與航點間的行程稱為航 段(LEG)，從起點依序經過各點至終點琉球等，整個行程我們稱之為一條航線或是一條路徑(ROUTE)，圖示如下： (航點) 航段 (航點) 航段 (航點) 基隆港 → 釣魚台 → 琉球 全程稱為：Route 我們只要事先將各點的座標資料(利用地圖或查詢相關資料)輸入GPS接收機內，我們就可建立許多航點資料，要使用時候將其叫出，利用 GPS接收機的導航功能做各航段間的導航。而當進行導航時，為使我們的行進方向不致於偏移太多，有些 GPS 提供了航線寬度─ CDI的設定功能，只要我們行進時偏離我們所設定的航線寬度限制，GPS 就會自動提示我們，這就是CDI的作用。由此可知，要利用 GPS 做導航功能，最基本的就是先建立航點的資料，然後儲存在接收機內，如此不管是要做航點與航點間的導航，或是要編輯一條航線，就可直接利用記憶體內的航點資 料了，也可以說〞航點〞是GPS 接收機導航功能所需最基本的資料了。

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更多關於GPS的原理和詳細資料，請連結到GPS使用手冊。 利用A-GPS提高全球定位系統應用的性能 上網時間 : 2006年01月12日 打 印 版 推 薦 給 同 仁 發 送 查 詢 利用A-GPS，接收器不必再下載和解碼來自GPS衛星的導航數據，因此可以有更多的時間和處理能力來追蹤GPS訊號，這樣能降低首次定位時間，增加靈敏度以及具有最大的可用性。 GPS是 一種基於衛星的定位系統，它最初由美國軍方設計並受美國軍方的控制，可以為任何人免費使用。這個系統是由在6個環繞在環形軌道上的24顆衛星組成，一個衛 星環繞軌道運轉一周的時間接近12個小時。每個衛星不斷地發送關於目前時間、所有衛星的位置以及像年曆(almanac)和星曆(ephemeris)等 相關數據訊息。GPS接收器使用這種訊息來運算其自身與衛星之間的距離。為確定位置，GPS接收器必須接收來自至少三個衛星的訊號。 首 次定位時間(TTFF)很大程度上決定於接收器的接收靈敏度，以及可見衛星的數量、每個衛星訊號的強度、衛星在天空中的分佈以及接收器對天空的視角。在一 種不利的環境中，如訊號較弱的城市高樓間隙或者室內，某些情況下需要幾分鐘的時間來運算位置。這對於本地服務(LBS)或者緊急呼叫(E911)來說是不 可接受的，這些情況需要一種更快的獲取時間。為此，人們開發了輔助型GPS(A-GPS)來解決不利環境下的TTFF問題。 圖1：控制層面上的A-GPS。 A-GPS A-GPS的開發部份地受到美國聯邦通訊委員會(FCC)的E911強制要求能對緊急呼叫者提供行動電話的定位所推動。A-GPS的目的是或者提高TTFF，或者當它不能提高TTFF時實現定位運算。 過去幾年，在A-GPS這個關鍵詞之下開發出了不同的概念和解決方案，其中很多是受專利保護的。這些不同的概念可以分成支援型GPS(aided GPS)和輔助型GPS兩類(assisted GPS)。 1. 支援型GPS 支援型GPS透過在行動網路上發送年曆、星曆、粗略的位置和時間來提高TTFF。這種支援型數據可以在控制層面(control plane)上發送，或者行動網路的用戶層面(user plane)上。位置的運算大多發生在行動設備上。 2. 輔助型GPS 輔助型GPS使 得採用快速TTFF運算位置成為可能。為實現這點，利用像時間同步、更準確的位置、都卜勒和頻率這樣的額外訊息用來確定位置。這種額外訊息可以透過使用行 動網路控制層面的基礎設備來獲得，像先進前向鏈路三邊測量(AFLT)機制可用來確定行動設備的位置。這裡，訊號從行動設備發出，幾個行動基地台接收並進 行測量。位置的運算可以在行動設備內發生(基於行動設備的)，或者在行動網路伺服器上(基於網路的)。 圖2：用戶層面上的A-GPS。 基於行動設備的輔助型GPS解決方案透過行動網路接收額外的輔助GPS數據，但是在行動設備上進行位置運算。這意味著LBS或者E911服務必須從行動設備得到目前的位置。 採用基於網路的輔助型GPS解決方案，行動設備發送原始的GPS數據到行動網路中的GPS輔助伺服器。這個網路伺服器可以利用直接來自網路的額外輔助GPS訊息來運算位置。在運算之後，位置數據被發送到接收器。LBS或者E911服務可以直接存取網路伺服器的位置資料庫。 A-GPS的好處是改善TTFF、增加靈敏性以及使可用性最大化，這些優點讓接收器不再必須下載和解碼來自GPS衛星的導航數據，接收器可以使用更多的時間和處理能力來追蹤GPS訊號。 基於控制層面的A-GPS 控制層面方案利用無線網路的功能以及訊號發送層來從網路獲取位置訊息，如蜂巢式ID、AFLT或者時間同步機制。 CDMA和GSM的蜂巢式扇區都針對控制層面A-GPS消息發送開發出了標準(分別為TIA/IS-801-1和3GPP TS25.331)，定義了用戶設備性能衡量標準(分別為TIA 916和3GPP TS 25.171)。這些標準描述了來自無線網路的位置訊息如何獲取，以及這個訊息如何用於A-GPS。 當在控制層面上使用A-GPS時，定位測量單元利用在行動設備、幾個收發器基地台和行動交換中心之間的測量訊號傳輸來獲得位置訊息。服務行動定位中心收集這些基於網路的位置數據以及來自具有幾個參考GPS接收器的A-GPS伺服器的數據，將這種輔助數據發送到行動設備，使行動設備能運算出準確的位置。LBS可以透過網路閘道行動定位中心來獲取這個位置數據。 採用控制層面方法，基於網路或者基於行動設備系統的位置運算是可能的。基於控制層面的A-GPS系統安裝非常複雜而成本很高，因為需要很多額外的硬體來處理複雜的協議，但是這樣的A-GPS系統將具有位置運算的大部份好處。 圖3：ANTARIS 4結構圖。 基於用戶層面的A-GPS 用戶層面方案是一種在A-GPS伺服器和行動設備之間的通訊都基於全IP數據鏈接的A-GPS系統，與無線訊號層無關(基於GPRS的IP)。相關標準由開放式行動聯盟(OMA)制訂，稱為安全用戶層面定位(SUPL)。 當在用戶層面上使用A-GPS時，帶GPS接收器的行動設備在行動網路的用戶層面上透過IP與A-GPS連接。A-GPS伺服器從幾個參考GPS接收器收集支援數據，如星曆與年曆。伺服器根據要求發送這個數據到行動設備。行動設備的GPS接收器利用這個支援數據來進行位置運算。 LBS可以要求行動設備提供位置訊息，這些數據將透過IP連接發送。這種方法比透過控制層面的方法成本低，因為行動網路供應商對控制面不需要特別的硬體，而且這種方法對於所有的行動標準都是可以使用的。 GPS晶片組ANTARIS 4 以Atmel的GPS晶片組ANTARIS 4為例，該元件是與u-blox公司共同開發，內含射頻接收器IC ATR0601、LNA ATR0610和基頻IC ATR0621，由Atmel提供RF晶片/數位IC技術，u-blox提供GPS軟體技術。 高增益低噪音放大器(LNA)使用了Atmel的SiGe技術設計用於GPS應用，具有1.6dB的噪音係數、高增益(>16dB)、低功率設計(<10mw)的特點，以及整合的上電控制和50ω的輸出匹配。 圖4：GPS接收器模組。 GPS RF接收器IC具有優良的RF性能和小於6.8dB的噪音係數，對干擾不敏感，功耗小於40mW。它包括一個頻率合成器、帶自動增益控制(AGC)的中頻 放大器和1.5位元的A/D轉轉器，採用了BiCMOS製程製造，接收器支援XTO和TXCO。外部必須使用一個SAW帶通濾波器和一個分離的IF濾波器 (96.764MHz)連接到RF接收器。 GPS基頻處理器ATR0621包括一個16通道GPS相關器，該基頻處理器採用ARM7TDMI處理器核心，具有128kB內部SRAM和384kB內部ROM，在這個ROM中包括全部的GPS韌體，由u-blox公司授權，用來執行基本的GPS處 理，包括追蹤、獲取、導航和定位數據輸出。對普通的PVT(位置/速度/時間)應用，不需要外部快閃記憶體或ROM。韌體支援在可選的外部EEPROM中 儲存可能的配置設置，對於特定的用戶應用提供一套軟體開發套件。基頻具有不同的介面以方便靈活的系統整合(2個USART、USB 2.0、SPI、GPIO)，而且透過不同的省電模式提供先進的功率管理。 導航的結果透過USART或者USB介面輸出，使用內部NMEA(0183)協議或者u-blox公司的協議，後者具有增強的導航訊息和控制功能。 ANTARIS 4技術展現了在任何靜態的和動態的環境下的強韌性能，包括像具有挑戰性的大城市環境。在不影響導航準確性的情況下它能提供-158dB靈敏度、支援先進的 WAAS/EGNOS、良好的獲取性能(如34秒的冷啟動時間)、優良的多徑抑制、4Hz的刷新率、低功耗，而且使系統方案具有最低的材料成本。 圖5：ANTARIS 4支援的協議消息。 ANTARIS 4和A-GPS ANTARIS 晶片組對於需要立即的位置定位應用來說，如透過行動電話的E911緊急呼叫者定位，可提供沒有等待的基於定位的服務或行動資產追蹤。來自外部資源的輔助數 據如輔助伺服器則將第一次定位確定時間減少到4秒。輔助參數提供星曆、年曆、粗定位、時脈漂移和時間、衛星狀態，以及如果可能的話，提供一個精確的時間同 步訊號。這種輔助數據提供了GPS接收器用於搜尋和追蹤的關於衛星的即時訊息，以提高TTFF。 NTARIS 4的協議具有特殊消息用於A-GPS來與A-GPS伺服器交換輔助數據。 輔 助數據和時間同步將提高晶片組的性能將能得到提高，若沒有輔助數據，冷啟動一般TTFF為34秒；若沒有時間同步，輔助型啟動TTFF為15到20秒；而 在時間同步優於8ms情況下，輔助型啟動的TTFF時間一般為12秒；在時間同步優於400us情況下，輔助啟動的TTFF時間一般為4秒。 同樣，靈敏度從-142dBm提高到-145dBm，因為接收器可以執行重新獲取過程。 本文總結： 採用A-GPS，像LBS和E911這樣的新應用變得可行。使用輔助數據可以實現微弱訊號的快速獲取，可以推動導航解決方案，否則導航方案將不可能實現。對於A-GPS來說，技術已經是現成的，應用時機已經來臨。在行動網路端有兩種可用的方法：用戶層面上的A-GPS適合低成本和快速整合，基於控制層面的A-GPS適合於提供最佳的性能。 作者：Stefan Lux GPS應用工程師 Atmel公司