全球衛星定位系統(Global Positioning System, GPS)的應用正快速成為消費性電子的主要市場驅動力之一。無論是汽車、個人導航裝置(Personal Navigation Device, PND)和手機的應用也都加入定位的功能。此外，許多先進的定址服務(Location Based Service, LBS)也在開發中。
伽利略(Galileo)系統是在歐盟的贊助之下開發和部署的全球衛星定位網路系統。該系統的開發並不是要和既有的全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)競爭，而是與其相互合作，本文將探討伽利略系統的架構、頻率規畫和接收機設計的考量因素。
伽利略系統由太空/地面/用戶三部分構成
如同GPS系統，伽利略系統也是由太空部分(Space Segment)、地面部分(Ground Segment)和用戶部分組成。伽利略系統在太空是由三十顆衛星構成，但真正用到的衛星數目只有二十七個，剩下的三顆衛星屬於備用衛星。每一個衛星軌道平面的九顆衛星採均勻分布的方式配置在每個軌道平面上，這一點和GPS系統採用的非均勻分布的方式不同，此種配置方式又被稱為27/3/1星座圖(Constellation)。利用這種星座圖可確保在任何時間、地點(包含南北極地區)皆能接收到至少四顆以上的衛星訊號，圖1為伽利略系統太空部分的示意圖。
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| 圖1 伽利略系統的太空部分示意圖 |
伽利略系統太空部分的系統參數包括三個軌道平面，在每個軌道平面上有十顆衛星，其中一顆是備用衛星，軌道平面和地球赤道平面(Equator)的夾角為五十六度，傳統上GPS系統在高緯度地區的衛星較容易聚集在低仰角處，造成衛星訊號容易被地形地物遮蔽，伽利略系統的衛星配置可改善高緯度地區的星座圖，避免因為衛星集中導致訊號的遮蔽；另外，衛星距離平均地表高度為23,222公里，衛星繞行地球一周所需時間為14小時又4分鐘，而所有伽利略衛星訊號皆用右旋極化(Right-hand Polarization)的方式傳輸。第一顆伽利略系統的測試衛星GIOVE-A已在2005年12月28日發射，且於2006年1月12日開始傳送導航訊號。
伽利略系統在地面部分則由十四個接收站組成。地面監視站主要作為監視和控制衛星，蒐集補充資訊並利用即時的導航訊息廣播給用戶有關當前的導航訊號的性能或故障資訊。
伽利略系統包含五大服務
目前正在部署測試中的伽利略系統是屬於第三代衛星導航系統，其頻率和訊號架構是由歐盟委員會底下的伽利略訊號工作小組(Signal Task Force, STF)於2001年3月制定。STF的成員由歐盟委員會各成員體指定的成員和來自歐洲太空局(European Space Agency, ESA)的專家組成，伽利略計畫也開放民間公司參與共同營運。
目前歐盟委員會讓伽利略系統具有四項導航服務及一項搜救服務(Search and Rescue, SAR)，表1摘要整理伽利略系統所提供的服務項目及相對應的準確度。
表1 伽利略系統提供的服務項目及相對應的精準度 |
| 服務項目 |
開放式服務 |
商用服務 |
公共法規服務 |
生命安全服務 |
| 覆蓋範圍 |
全球 |
全球 |
當地 |
全球 |
當地 |
全球 |
精準度
水平(h)
垂直(v)
|
雙頻：
h=4公尺
v=8公尺
t=100奈秒
單頻：
h=15公尺
v=35公尺
t=100奈秒
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<1公尺(雙頻) |
<10公分
(當地增強訊號) |
h=6.5公尺
v=12公尺 |
1公尺
(當地增強訊號) |
4～6公尺
(雙頻) |
| 可得性 |
99.8% |
99.8% |
99～99.9% |
99.8% |
| 即時性 |
No |
加值服務 |
Yes |
Yes |
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在開放式服務(Open Service, OS)項目下，伽利略的訊號提供用戶定位和計時，由於是免費的服務，因此任何用戶只要配備伽利略系統相容的接收機便可享受OS所提供的定位服務。在這個項目下，訊號類似於目前的GPS L1所使用的C/A碼，但OS所提供的定位精確度至少會等於或高於2005年發射的Block IIF GPS衛星所能提供的精確度，而OS的應用將同時納入既有的GPS訊號，因而提高在惡劣環境下的接收品質。要獲得3D定位需要的衛星數目至少為四顆，基於在OS項目下，GPS與伽利略系統的互補性使GPS/伽利略雙模接收機在地表上的任何位置能擷取到的衛星數目將大增。 |
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生命安全服務(Safety of Life Service, SOL)提供具認證過的伽利略接收機更有公信力的定位服務，以增進公共安全，一般SOL的用戶包含航空公司和經營越洋航線的海運公司。在歐洲地區的地球同步衛星導航增強系統(European Geostationary Navigation Overlay System, EGNOS)也將納入伽利略系統的SOL服務，使SOL具有獨立和互補的即時資訊。SOL操作在L1和E5的頻段，而此頻段原來是保留給飛航無線電導航服務(Aeronautical Radionavigation Service)。 |
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商用服務(Commercial Service, CS)提供較OS服務更佳的定位精準度，所以此項服務須付費。CS主要是在OS的訊號成分中再加入兩個額外的訊號，在接收機中必須具有商用加密和接取保護密鑰才能對這兩個附加的訊號進行解碼。一般加值服務包含服務保證、精確計時、電離層延遲模型和當地差動修正訊號實現精準的定位應用，如可解算出行人的方位資訊。此外，任何須使用CS服務的用戶都須向伽利略營運單位購買密鑰。 |
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公共法規服務(Public Regulated Service, PRS)是屬於限制接取的服務，一般只有政府和其授權的機構才可使用PRS服務。PRS服務會被加密，因此只有歐盟認可的單位才能使用該服務，不管是任何時候和任何情勢下，伽利略系統皆會提供PRS訊號，就算是在戰爭狀態，歐盟也承諾絕不關閉PRS訊號，而美國的GPS系統是受到國防部的控制，因此在緊急情況下，美國政府可以不須通告逕行關閉GPS服務。PRS訊號的主要特色為其強健度，利用適當的機制使PRS訊號具抗干擾和欺騙(Jamming and Spoofing)能力。 |
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搜尋與救援(Search and Rescue, SAR)是歐盟基於人道主義提供的服務，作為搜尋與救援之用。SAR的特色就是可用近乎即時的方式接收來自地球上任何角落發生的危難訊息、精確的警報位置。SAR服務是利用同時接收伽利略衛星和COSPAS-SAR系統克服地表上的任何阻礙，COSPAS-SAR系統是由美國、加拿大、法國和俄羅斯創立，在許多國家都有屬於自己的資料處理站，該系統是由四個以上的低軌道(Low Earth Orbit, LEO)衛星和三顆同步衛星構成，這些衛星接收來自海上和空中的求救訊號，並予以定位之後再將資料傳送給資料處理中心，資料處理中心再將求救訊息傳送給相關的機構和組織進行搜救。 |
伽利略系統訊號特性
每個伽利略衛星會在三個頻段提供十個右旋極化的導航訊號。可將這些訊號區分為四種類別，即F/NAV、I/NAV、C/NAV和G/NAV。其中，F/NAV代表自由接取的導航(Freely Accessible Navigation)訊息類型和相關訊號；I/NAV代表即時導航(Integrity Navigation)訊息類型和相關訊號；C/NAV代表商用導航(Commercial Navigation)訊息類型和相關訊號；G/NAV代表政府接取的導航(Governmental Accessible Navigation)訊息類型和相關的訊號。F/NAV和I/NAV訊號是提供OS、CS和SOL服務；I/NAV訊號提供即時性的資訊，而F/NAV則沒有；C/NAV訊號提供給CS服務；G/NAV訊號提供給PRS服務。表2所列為伽利略系統的訊息配置和一般資料內容。
| 表2 訊息配置和一般資料的內容 |
| 訊息類型 |
服務 |
頻道 |
訊息資料的內容 |
| 導航 |
即時性 |
SAR |
Supplementary |
服務管理 |
| F/NAV |
OS/CS/SOL |
E5a-I |
Yes |
No |
No |
No |
No |
| I/NAV |
OS/CS/SOL |
E5b-I & L1-B |
Yes |
Yes |
Yes(只有L1) |
No |
Yes |
| C/NAV |
CS |
E6-B |
No |
No |
No |
Yes |
Yes |
| G/NAV |
PRS |
E-6A & L1-A |
Yes |
Yes |
No |
No |
Yes |
伽利略衛星訊號所使用的三個頻段為E5a和E5b頻段(1,164M～1,215MHz)、E6頻段(1,260M～13,00MHz)和E2-L1-E1頻段(1,559M～1,592 MHz)。這三個頻段皆位在無線電衛星導航服務(Radio Navigation Satellite Service, RNSS)配置的頻段範圍內，表3所示為伽利略衛星訊號的載波頻率和傳輸頻寬。
表3 伽利略衛星訊號的載波頻率和傳輸頻寬 |
| 頻段 |
載波頻率(MHz) |
傳輸頻寬(MHz) |
| E5a/L5 |
1,176.45 |
-- |
| E5b |
1,207.14 |
-- |
| E5(E5a+E5b) |
1,191.795 |
92.07(90×1.023) |
| E6 |
1,278.75 |
40.92(90×1.023) |
| L1 |
1,575.42 |
40.92(90×1.023) |
所有的伽利略衛星訊號因使用CDMA的關係可共享相同的頻率，每個伽利略衛星在不同的頻率、不同的訊號下，會使用不同的測距碼(Ranging Code)展頻。圖2所示為伽利略衛星訊號在不同頻段所提供的服務項目。
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| 圖2 伽利略衛星在不同頻段所提供的服務項目 |
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圖3所示為E5a和E5b頻段內伽利略導航訊號的屬性。在E5頻段上，伽利略衛星提供E5a和E5b兩種導航訊號，E5a是一種開放式接取的訊號，由資料頻道和導引頻道組成，分別是E5a-I和E5a-Q，其測距碼和導航資料都未經加密，因此開放給所有的用戶使用。
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| 圖3 E5a和E5b頻段內伽利略衛星訊號的屬性 |
E5a的導航資料串流相當於F/NAV的訊息類型，傳送基本資料作為導航和計時之用；E5b與E5a相同，也是由一個資料頻道和導引頻道組成，分別是E5b-I和E5b-Q，不同的是，E5b的導航資料串流相當於I/NAV的訊息類型，包含即時性的訊息和加密的商用資料。
E5a和E5b頻段的範圍是從1,164M～1,214MHz，中心頻率分別為1,176.45和1,207.14 MHz。每個訊號具有同相(In-phase, I)和正交相(Quadrature-phase, Q)的成分，I和Q使用10Mcps的展頻碼作為展頻。I訊號是被導航資料調變；Q訊號並未攜帶任何資料訊息，而是作為導引訊號(Pilot Tone)，導引訊號又稱為測距碼，在E5a、E5b和L1載波頻率上共提供三個測距碼給所有的用戶使用。因為沒有攜帶任何導航資料，所以導航訊號可允許任何長度的同相處理(Coherent Process)，因而增加訊號的追蹤靈敏度(Tracking Sensitivity)和擷取靈敏度(Acquisition Sensitivity)，但是同相處理的長度仍然會受到參考頻率源的頻漂率限制(Frequency Drift Rate)。
伽利略系統提供的OS服務分別位在E5a、E5b和L1頻段的資料和導引訊號上。數種不同的接收組合皆可獲得OS服務，可使用雙頻接收機接收L1和E5a獲得最佳的電離層誤差的消除，或使用單頻接收機接收E5a、E5b、L1和E5a/E5b的頻段。E5a和E5b訊號的主要特色就是可被當作獨立的訊號或單一的寬頻訊號，低價的接收機可使用兩個訊號的任何一個，但E5a較適合，因為E5a是和現代的GPS L5訊號使用相同的頻率，可使用簡單的接收機同時接收E5a和L5訊號，而不須使用複雜的接收機接收E5b和L5兩個不同頻率的訊號。
此外，使用具有足夠頻寬的寬頻接收機同時接收E5a和E5b訊號會具有較佳的測距精確度和抑制多重路徑的能力，而俗稱公分級的定位是指接收機能同時接收E5a、E5b和L1頻段的訊號。
E5a和E5b訊號是由單一的E5載波利用稱為交替式二進位偏置載波(Alternate Binary Offset Carrier, altBOC)調變的兩種訊號。即使E5a和E5b訊號可被分開接收，事實上都是由altBOC產生出來的兩個頻率成分。目前定義的調變形式為altBOC(15,10)，保持使用在現代化的GPS M碼的軍規訊號標準BOC調變的簡單性，altBOC調變具有固定包絡(Constant Envelope)，因此接收機可輕易區別這兩個頻譜的波瓣(Lobe)。
E5a的I訊號是由50bit/s的導航資料調變，但不具完整的資訊，而E5b的I訊號是由250bit/s的資料所調變，且具有完整的資訊。此外，E5a頻段是開放給OS和CS使用；E5b頻段是開放給OS、CS和SOL服務使用。 |
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圖4所示為E6頻段內伽利略衛星訊號所使用的調變型式、碼片率(Code Rate)和資料率。E6頻段的頻率範圍為1,260M～1,300MHz，且包含C/NAV和G/NAV訊號，中心頻率為1,278.75MHz。C/NAV訊號開放給CS服務使用，I和Q訊號是由5Mcps的展頻碼展頻，I訊號是由資料率為1,000bit/s的資料，並以BPSK的方式調變；Q訊號為導引訊號，因此不含任何資料訊息。G/NAV訊號是開放給PRS服務使用，I訊號的調變方式為BOC(10,5)而資料率則還沒有定案。
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| 圖4 E6頻段內伽利略衛星訊號的屬性 |
在E6頻段上面伽利略衛星提供E6C和E6P兩種導航訊號。E6C是商用接取的導航訊號，是由一個資料頻道和導引頻道組成，分別是E6-B和E6-C，其測距碼和導航資料都是利用商業演算法加密，E6C的導航資料串流相當於C/NAV的訊息類型。E6P是在E6-A的頻道傳輸，且是限制接取的訊號，其測距碼和導航資料利用政府提供的演算法加密，E6P的導航資料串流相當於G/NAV的訊息類型。 |
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為簡化起見大多數的時候E2-L1-E1頻段被稱為L1頻段，其範圍從1,559M～1,591MHz。L1頻段包含G/NAV和I/NAV訊號，G/NAV是開放給PRS服務使用；I/NAV則是開放給OS、CS和SOL服務使用；G/NAV訊號只有I訊號成分，其展頻碼和調變方式皆有待進一步定義，I/NAV的I訊號成分由250bit/s的資料以BOC(1,1)的方式調變，利用這種調變方式允許GPS和伽利略訊號使用相同的頻率並降低互相的干擾，表4所示為主要的伽利略衛星訊號的屬性。
表4 伽利略衛星訊號主要的屬性 |
| 訊號 |
中央頻率
(MHz) |
晶片速度
(Mchip/s) |
測距碼加密 |
資料速率
符號/秒(bit/s)
|
數據加密 |
支援服務 |
| 1 |
E5a-I |
資料 |
1,176.45 |
10 |
無 |
50(25) |
無 |
OS/SoL |
| 2 |
E5a-Q |
導引訊號 |
1,176.45 |
10 |
無 |
無資料 |
-- |
OS/SoL |
| 3 |
E5b-I |
資料 |
1,207.14 |
10 |
無 |
250(125) |
有些 |
OS/SoL/CS |
| 4 |
E5b-Q |
導引訊號 |
1,207.14 |
10 |
無 |
無資料 |
-- |
OS/SoL/CS |
| 5 |
E6-A |
資料 |
1,278.75 |
5 |
政府 |
tbd |
有 |
PRS |
| 6 |
E6-B |
資料 |
1,278.75 |
5 |
商業 |
1,000(500) |
有 |
CS |
| 7 |
E6-C |
導引訊號 |
1,278.75 |
5 |
商業 |
無資料 |
-- |
CS |
| 8 |
E2-L1-E1-A |
資料 |
1,575.42 |
M |
政府 |
tbd |
有 |
PSR |
| 9 |
E2-L1-E1-B |
資料 |
1,575.42 |
2 |
無 |
250(125) |
有些 |
OS/SoL/CS |
| 10 |
E2-L1-E1-C |
導引訊號 |
1,575.42 |
2 |
無 |
無資料 |
-- |
OS/SoL/CS |
| 11 |
L6 |
資料 |
1,544.10 |
-- |
-- |
-- |
-- |
SAR |
在L1頻段上面伽利略衛星提供L1F和L1P兩種導航訊號。L1F是開放式接取的導航訊號，由一個資料頻道和導引頻道所組成，分別是L1-B和L1-C。L1F的測距碼和導航資料都未經加密，因此所有的用戶皆可免費使用。
L1F的導航資料串流相當於I/NAV的訊息類型並且包含即時性的訊息和部分加密的商用資料。L1P是傳輸在L1-A的頻道且限制接取，其測距碼和導航資料是利用政府提供的演算法加密，L1P的導航資料串流相當於G/NAV的訊息類型，圖5所示為L1頻段的訊號屬性。
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| 圖5 L1頻段的訊號屬性 |
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PRN碼決定伽利略系統建置
伽利略導航訊號使用的PRN碼是決定系統屬性的重要因素之一，因此如何選擇一組適合的PRN碼是伽利略系統建置時的一項重要選擇。這些參數包含PRN碼的長度、和資料率的關係及PRN碼的自相關(Auto-correlation)和互相關(Cross-correlation)屬性，展頻碼的屬性也會影響冷開機(Cold Start)時的擷取時間。
互相關(干擾)有一部分是受到使用展頻碼的屬性決定。對E5a頻段而言，展頻碼的選擇須特別注意，因在該頻段伽利略系統和GPS系統是使用相同的調變架構和相同的碼片率。訊號的擷取時間和接收機訊號處理的能力高度相關，伽利略系統的構想是在E5頻段的接收機在冷開機的狀況下可具有30～50秒的擷取時間。對E6頻段的CS服務項目，伽利略系統規畫的冷開機時間為30秒(單頻接收機)。表5所示為伽利略系統所使用的展頻碼的重要特性。
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| 表5 伽利略系統展頻碼的重要特性 |
BOC調變為方波子載波調變
BOC的訊號一般都是以
的方式表示，其中
為子載波的頻率，
為碼片率；通常為1.023MHz的整數倍，如BOC(10,5)的訊號代表子載波的頻率為
，碼片率為
。
和這兩個參數提供自由度將訊號的功率聚集在所配置頻譜的特定位置，以降低其他訊號干擾。再者，BOC調變在高/低旁帶(Upper/Lower Sideband)的冗餘(Redundancy)提供接收機對訊號擷取、碼追蹤(Code Tracking)、載波追蹤(Carrier Tracking)和資料解調變上一項很大的優勢。
標準的BOC調變是一種方波子載波調變(Square Subcarrier Modulation)，圖6所示為標準BOC調變原理。訊號
會被乘上頻率為的方波子載波
--(1)
這會將訊號的頻譜分割成位在載波頻率的左側和右側兩部分(見圖6黑色箭頭)。將公式(1)利用傅立葉轉換從時域轉換成頻域，可得公式(2)。
--(2)
子載波調變的結果會將傳統的BPSK調變的頻譜分割成對稱的兩部分，在載波頻率上面則不會有訊號的能量存在。
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| 圖6 標準BOC調變架構的示意圖 |
altBOC調變的想法就是進行和標準BOC調變相同的程序，不同點在於，altBOC調變基頻訊號是乘上複數的方波子載波。在此種方式之下訊號的頻譜並不會被分割而是會被移至較高的頻率。顯然地，利用altBOC調變也可以將訊號移位至較低的頻率。訊號
是由不同的測距碼和導航資料訊息組成，利用altBOC調變可以將
的不同成分位移至較高和較低的頻率，因此一個BOC訊號的兩個旁波瓣可攜帶不同的訊息。
而altBOC訊號可以利用公式表示為
，其中
指在E5a頻段資料頻道所使用的PRN碼，
為在E5b頻段資料頻道所使用的PRN碼，還可以公式
、
、
表示，而為E5a和E5b頻率位移至
，而
，
。
訊號的頻譜會由一條主線和諧波成分所組成，這一條主線的頻率會和頻率為的理想正弦複數訊號的頻率相同，較低的諧波成分距離主線的間隔為
。altBOC的另一種表示式為
，該公式物理意義為altBOC訊號
是由
波形調變
再加上
的波形調變
的正交成分所組成，亦可以下列兩個公式表示。
因為BOC訊號是由公式和所形成，因此產生了兩個BOC訊號且互為正交。
對BOC(15,10)的訊號，
和
會滿足
，其中為子載波的週期，為PRN碼的週期，因此在一碼片的週期內，子載波的相位值(
和的幅角)會歷經1.5次的循環。因和的值只有+1或-1，因此可以改寫為
，
的值是由和及和決定。伽利略衛星所傳送的訊號是載波、BOC調變、PRN碼展頻和導航資料調變的結果，圖7所示為伽利略衛星所傳送的訊號。
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| 圖7 伽利略衛星傳送的訊號 |