七大關鍵技術當後盾　GPS朝加值/整合方向發展

E911法案扮演了催化劑的角色。聯邦傳播委員會(FCC)及美國國會在1999年通過該法案，規定當手機使用者撥打911緊急電話時，手機可自動提供通話位置。原本，輔助全球衛星定位系統(A-GPS)只用於行動電話網路與GPS時間同步的時間校對，且主要是用於分碼多重存取(CDMA)的電信網路。而全球最通行的電信網路全球行動通訊系統(GSM)和3G並不與GPS時間同步。所以在早期，一般認為非GPS技術如現在已被淘汰的增強型觀測時間差E-OTD，會在E911法案中勝出。然而，正如現在所見的，GPS和全球導航衛星系統(GNSS)成了手持裝置定位系統的大贏家。

七大關鍵技術鞏固GPS地位

E911法案是GPS在美國發展的主要動力，並間接促進了全球對GPS的發展。這要歸功於以下所要談論的七個關鍵技術(表1)，它們讓GPS技術在過去多年來逐漸成熟。

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輔助全球衛星定位系統

關於輔助全球衛星定位系統有三件值得記住的事：「更快、更長、更高」，這就如同奧林匹克運動會的名言「更快、更強、更高」。A-GPS最顯著的特徵，是使用衛星軌跡的資料傳送替代原有基地台傳送相同或等量的軌道數據，所以A-GPS接收速度非常快。 圖1　A-GPS:縮小搜尋空域來延長整合時間，提高靈敏度。 在過去，接收器必須在二維電碼/頻率空域中，搜尋每一個GPS衛星訊號。而輔助數據縮減了搜尋範圍，讓裝置可以用更長的時間來做訊號整合，換句話說，就是敏感度更高(圖1)，也就是前面所謂的更長、更高。 接著，進一步說明電碼/頻率搜尋，並介紹精確校時、概略校時及大量平行關聯器等概念。任何輔助數據都可以減少頻率搜尋次數。頻率搜尋的概念就像轉動車上的收音機旋鈕，尋找電台位置，只不過由於衛星移動，會產生不同的GPS頻率，亦即都普勒效應。假使可以預先得知衛星是如何設置的，就可以縮小頻率搜尋的範圍。 電碼延遲(Code Delay)則更加敏銳。C/A電碼的重複週期為1毫秒(ms)，所以如果可以在獲得衛星訊號前就得知比1毫秒更精確的GPS時間，便能縮小電碼延遲搜尋區域，此即為「精確校時」。 CDMA通訊網路是與GPS的時間同步，而最普遍的通訊網路如GSM和3G則不然。後者與GPS時間有±2秒的誤差，稱為概略校時。最初，只有精確校時的網路可以應用A-GPS，但後來因為有了大量平行關聯器和高靈敏度兩項關鍵技術，所以局勢改觀。

‧	大量平行關聯器
	傳統的GPS中，每個頻道只有二到三個關聯器。它們會搜尋電碼延遲空域直到搜索到訊號，然後用一組關聯器追蹤峰值的前端，及用另一組追蹤峰值的後端，所以被稱為「前後關聯器」。 大量平行關聯器是指，有足夠數量的關聯器同時在多個頻道中對所有的C/A電碼延遲進行搜尋。就硬體而言，這意味著有上萬個關聯器在運作。大量平行關聯器的好處是，所有的電碼延遲搜尋都是平行運作，因此接收器可以用更長的時間來整合訊號，即使沒有精確對時也無所謂。所以，現在接收器可以更快、更長、更高，也就是更高的靈敏度，這不限於在何種電信網路中執行A-GPS。 在最初，一般認為室內GPS定位會受限於高靈敏度，但發覺使用體積更小、更便宜天線，實際成果卻也不差。雖然小而便宜的天線會降低性能表現，但是它們已被配備在所有的智慧型手機上，且被手機廠商用來執行有關A-GPS的功能。

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概略時間導航

有以上的說明可知，A-GPS輔助不再受限於解碼軌道數據，所以可以更快，並且能夠透過大量平行關聯器使用概略對時，因此可以更長的時間做訊號整合及提高靈敏度。然而，要測量精確初估的距離(Pseudorange)，並計算行進時間，還是須要花時間對衛星所傳送的星期時間(Time of Week, TOW)解碼，解碼後取得位置以執行導航。概略校時導航就是要解決一些衛星的星期時間問題，而不是直接解碼。其主要關鍵的技術是，仰賴在標準導航中的方程式內加入額外狀態資料，並於著名的視線矩陣(Line-of-sight Matrix)內加入相對應的欄位來解決TOW的問題。 這個技術的成果是，定位所需的時間會比解讀衛星的星期時間如1秒、2秒或3秒還要更快，或者可以在衛星訊號微弱狀態下，無法解讀衛星的星期時間時，仍然可以進行實際上的定位。因為可以有更快的首次定位時間(TTFF)，毋須經常喚醒接收器來維持熱啟動狀態，因此可延長電池壽命。

‧	時間短的星期時間
	另一個與概略時間導航技術相提並論的是時間短的衛星星期時間解碼，也就是降低解讀衛星的星期時間數據的門檻標準。在1999年，衛星接收的訊號強度可讓接收器解讀衛星的星期時間最低標準可達到-142dBm。這是因為在整合訊號以20毫秒為間隔時，可以偵測到-142dBm訊號數據位元中強度。然而，解讀衛星之星期時間的技術不斷演進，現在最低可接受強度已經降低到-152dBm。

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主機式GPS、無線射頻CMOS

主機式GPS和無線射頻互補式金屬氧化物半導體(RF-CMOS)是第六及第七項關鍵技術。從傳統的系統單晶片(SoC)架構出發，就可以清楚地認識主機式架構(Host-based)。SoC GPS通常是單一封裝，但封裝中包含三個獨立的元件，有三個矽晶片被包在一起，基頻(Baseband)元件包含中央處理器(CPU)、分開的無線調頻器及一個快閃記憶體(Flash Memory)。如果要降低成本，在不使用快閃記憶體的情況下，唯一的方法是改用唯讀記憶體(ROM)，它可以包含在基頻元件中。然而，這也意味著將無法隨時更新接收器的軟體，以便使用剛剛討論的最新發展技術。 相對來說，主機式架構不須要在GPS晶片中具備CPU功能。其主因是在智慧型手機和其他含有GPS產品上，其既有的CPU和快閃記憶體都能額外提供GPS運算時所需的低功耗。同時，無線射頻CMOS技術可讓無線調頻器和基頻元件同時包含在單一GPS晶片中。此為主機式架構GPS特質和優勢。這一切的結果代表著晶片價格可大幅降低，但性能依舊可以維持。

GPS發展遠超出預期

A-GPS技術已經引領科技大步向前。回顧過去，可以想想這個問題「從技術水準和消費者市場層面上，是否已經達到原先預期的目標嗎？」。以下根據全球導航衛星系統的消費者端來回答這個問題。

一般認為，體積小而便宜的天線會影響品質的表現，但是一個成本低於4美元的單一GPS晶片，效能超過一個成本19,000美元的接收器。這聽起來簡直是自相矛盾，甚至不可思議。但可從首次定位時間、靈敏度和城市精確度(Urban Accuracy)的數據來證實這點。

另一個晶片革命的觀點是，目前已經達到GPS單系統技術開發的高點，難以再往上。然而，還有許多有待解決的問題，特別是都會區訊號屏障及室內使用方面。但是這些問題絕不會是由GPS(或其他個別的系統)能夠獨自解決的。所以可以把下一個10年視為「GPS加值」，單一GPS的時代很快就會成為明日黃花。

這也不能解讀為GPS的失敗，甚至正好相反。因為GPS單一系統運作得十分良好，以至於在過去多年行動電話內附GPS的銷售總量已達五億支，基於此銷售基礎，所以可以大膽地將GPS推展到衛星導航從未涉足過的領域，因為目前已開始嘗試突破單一GPS的表現瓶頸。

在不久的將來，就會看到大量的GPS加值產品，例如GPS+微機電系統(MEMS)、GPS+無線區域網路(Wi-Fi)、GPS+網路測量報告(NMR)、GPS+羅盤(Compass)及GPS+蘇聯全球導航衛星系統(GLONASS)、日本準天頂導航衛星系統(QZSS)、歐洲伽利略衛星系統。將來能夠進行最大程度整合的公司，就會是贏家。所以，套句邱吉爾的話，目前的狀況並不是GPS的終點，甚至談不上接近終點，了不起只能算是初階段的結束。

GPS消費市場達成目標

要知道幾年前是如何預測市場的，可以看看GNSS預測的摘要部分，摘錄自Len Jacobson的《GNSS應用及市場》一書。在摘要中，有一份對2010年消費市場的預測。Frost & Sullivan 2006報告預測，在2010年可攜式導航裝置(PND)及手持裝置(不包括行動電話)市場會達到27億美元、八百三十萬台數(平均銷售價格325美元)。對照實況，目前的市場大約是60億美元、四千萬台數(平均售價為150美元)。

簡言之，以美元而論，消費市場的規模比幾年前所預估的還要大上一倍，這還不包括手機市場。雖然價格比預估要低一半，但出售量是預估的四倍之多。

談到行動電話，回頭看看1999年，那時大家預估A-GPS只會在精確校時通訊網路中被採用(如CDMA)。如今A-GPS已經大量使用在全球精 確校時及概略校時通訊網路中，包括歐洲和北 美的GSM，以及日本的寬頻分碼多重存取(WCDMA)。

最近3年GPS消費市場，特別是行動電話市場已經大幅成長，內建於手機的GPS接受器數量超過了以往所有內建GPS產品數量的總和。而到如今，每年全球民用導航衛星系統接收器產量99%以上的數量皆使用L1-only C/A Code GPS接收器。

所以，從消費市場觀點，是否已經達到預期的目標？是的！不只達到，而且已經遠遠超過預期的成績。接著，回顧一下過去10年的技術發展，看看這些技術是否已經達到原先預期的目標。

GPS發展依循摩爾定律

摩爾定律表示，在一定的電晶體數目下，晶片體積每兩年便會縮小一半。而實際狀況如表2所述，表2中列出配備大量平行關聯器之A-GPS這個等級的GPS晶片，以及這些晶片在不同年代中的發表年分。

表2也列出了技術製程，也就是在單一矽晶片上，單閘極晶片的線性尺寸。相較於上一代，晶片的長寬大約會縮小70%，亦即面積縮小為一半。所以可以發現，摩爾定律在GPS是適用的，大約每兩年，技術就會發展到一個新的層次，並且晶片尺寸縮小一半。2010年才剛剛開始，人們已經開始在談論下一代，也就是40奈米的GPS晶片。

為了方便理解，先介紹許多行動電話上使用的博通(Broadcom)BCM 4751晶片。這個晶片的大小是2.9毫米×3.1毫米，大約就是在紙上看到這個大寫字母B的大小，這是單一元件的主機式架構GPS/SBAS接收器，包含了射頻前端(RF Front End)、低雜訊放大器(LNA)、基頻及電源管理單元(PMU)。過去20年來，摩爾定律已經重複了十回，所以同樣的晶片在20年前，尺寸會比現在大上210毫米，大約是一千倍大。當然不可能會有這麼大的晶片，但要說的是，GPS晶片並不只是隨著摩爾定律變小而已，它還變得更複雜，功能性更強。

最低價GPS性能不惡

基本上，GPS接收器只做啟動、追蹤微弱訊號、計算定位速度時間和位置這三件事。撇開繁瑣的細節不談，主要重點可歸納為速度、靈敏度和精確度。

從90年代以來，首次定位時間和靈敏度都有一定程度的進步，這要歸功於前述七個關鍵技術。即使沒有精確時間，首次定位時間在輔助冷開機或未輔助暖開機之下，已經可以達到1秒。這比90年代傳統GPS表現好上四十五倍。在靈敏度方面，到1998年為止，大約有三十倍的進步，達到-150dBm，而2006年又增進了十倍，到160dBm。說不定假以時日，將會擁有一千倍的靈敏度。那麼準確度又是如何呢？

有些低價晶片被當成是低精確度的代名詞，不過這並不正確。的確體積小、成本低的天線會降低定位準確度，然而就相同天線而言，在行動電話極為普遍的環境中，現今市場上最低價的GPS接收器，其性能表現卻優於最貴的GPS接收器。下面圖表的數據會說明這一點。

首先，連接一個最小、最低價的GPS接收器，到一個最好的扼流圈天線上，架設到可以清楚看見天空的開闊屋頂上。圖2左側是定位點散布情形，箭頭指向的圈圈顯示有二千個定位點，它的的中位數值是0.9公尺。右側是一個價值19,000美元的勘測級專業GPS(Survey-grade GPS)接收器量測的結果，使用的是同樣的天線。

圖2　在屋頂架設同樣的大型天線，左圖是低價GPS，右圖為勘測級專業GPS。

所以，勘測級專業GPS比含GPS行動電話的精準度表現要好上60公分，或者說好上三倍也可以。但先別急，因為這種在屋頂上架扼流圈天線的測試環境既非典型的消費者情境，也不是今日面對的主要挑戰。

接下來，要在一個比較典型的使用環境中，觀察一般消費型天線的精確度表現如何。圖3顯示一個主動式平板天線，亦即PND所內建的類型，在聖荷西(San Jose)市區的定位情形。聖荷西是一個典型的美國都市，不算是對GPS最嚴峻的挑戰，但也不是太容易。城中的街道萊斯通巷(Lightstone Alley)只有5米寬，兩側都是高聳建築物。

圖3　行動電話GPS(白點)表現v.s.實際參照(藍點)

若要測量精確度，必須使用實際參照的方法，結合GPS及配備環狀雷射陀螺儀的戰術級慣性測量裝置(Tactical Grade IMU)，可以在圖上顯示藍色小點，而白色小點是低價GPS的定位情形。大多數時間，白色小點都和藍色小點重疊，偶而會看到一些錯開的地方，至於圖中紅色線段顯示的是水平誤差。水平誤差的中位數值是4.4米。

圖4比較了低價及高價的GPS接收器的表現。當勘測級專業接收器(Survey-grade Receiver)接上行動電話使用的平板天線時，出現很多個定位間距(Position Gap)，而且當汽車不動時，定位卻仍飄移(在圖的左下及上側區域，路口的地方)，這是因為都會環境的訊號比較微弱。但別急著下結論，因為這也還不是消費型GPS最嚴苛的測試。在嚴峻的都會高樓密集區如舊金山、紐約、芝加哥、上海、台北、東京新宿之類地區，才是終極挑戰。通常在這些地方，最多只能直接接收到一顆或二顆GPS衛星，也許也可以藉著偵測到清楚的反射訊號而收到其他衛星系統的衛星訊號，但這不是經常談到的GPS多路徑效應，GPS多路徑效應指的是「同時有直接訊號也有反射訊號」，但這裡卻是「只有反射訊號，其他都沒了。」GPS的直接訊號通常都會被高聳密集的建築物遮蔽，而無法被偵測到，因此很難獲得良好精確度。

圖4　在接上小型平板天線後，行動電話(左圖)與勘測級專業GPS(右圖)之比較。

圖5並列比較了行動電話上的GPS和勘測級專業GPS，在安裝同樣的小型天線後，在舊金山金融區做測試。勘測級專業GPS完全無法定位，圖6顯示可得訊號，並解釋了原因。在蒙哥馬利街(Montgomery Street)上，只有依據直接可得的衛星，訊號強度是-132dBm，所有其他的衛星的訊號強度都低於-140dBm，傳統GPS無法獲取訊號。要能夠在這種嚴峻的環境中有辦法定到位置的，行動電話中必須具備高靈敏度的GPS接收器。

圖5　在都會高樓密集的環境下，行動電話(左圖)與勘測級專業GPS(右圖)之比較。

圖6　都會高樓密集環境中的訊號分析

所以簡言之，低成本的接收器並不會犧牲效能。而且相反地，由於有先前提到的七樣關鍵技術的演進和突破，首次定位時間和靈敏度都有驚人進步，而且定位精準度也沒有打折扣。事實上，在都會區環境中，低成本接收器比起傳統接收器，以及新型動輒上千美元的勘測級專業接收器卻毫不遜色。

關鍵技術遠超過早期預測

由以上可知GPS消費市場規模超過預期，但從技術觀點來說，答案較不明確。在過去10年，消費型GPS技術進步簡直一日千里。精確來說，是因為這些關鍵技術遠遠超過早期的預測。但是單獨靠GPS在室內的定位功能卻明顯不足，理想中，要讓GPS在室外運作得與室內一樣好，但是目前還無法做到，在現階段，無法在單一GPS本身技術上有明顯的突破來改善室內定位的效果。

大家不會期望單一GPS的首次定位時間可以進步到四十五倍，或是靈敏度可以再提升個30dB。但希望藉由其他技術的整合來提高效能。圖7顯示的是一個市場上存在的GPS+MEMS例子，型號是TomTom 950，使用博通BCM4750晶片(也就是上面實驗中所使用的同樣晶片)、再加上與MEMS加速度計及MEMS時率迴轉儀的整合，如此一來，在舊金山的都會高樓密集區中進行測試時，可獲得更良好的定位效果，精確度提升30%，最差錯誤數目超過一半。此測試結果也顯示出方向精確度尤其優異。

在圖7線條圖顯示的是在舊金山測試中，對只含GPS產品的衛星訊號都很差。就單一GPS來說，定向的角度誤差甚至於達到45度，這也是使用過只含GPS的用戶都會遇到的情形：突然之間地圖旋轉到錯誤的方向。如果整合MEMS時率迴轉儀，定向的角度誤差即可縮小到只有3度，和45度誤差相比可說有十五倍的進步。這類似過去10年GPS發生的各類演進，主要是因為有「GPS加值」。

圖7　舊金山測試中，GPS+MEMS整合後PND定位精確度(左圖)及定向精確度(右圖)。

在未來幾年，將會開始看到許多技術加值到GPS上，如Wi-Fi、NMR/ MRL(採用GSM及3G手機協助定位)，當然還有GPS+蘇聯導航衛星系統、羅盤、日本準天頂衛星系統和歐洲伽利略衛星系統。

技術整合力強就是贏家

近年來大多數智慧型手機、小筆電等具有劃時代意義的類似產品，都配備GPS和Wi-Fi，而且也有許多配備3G網路卡，所以GPS科技若發展出包含Wi-Fi和MRL定位，將是再自然不過的事。尋找整合多種無線晶片供應商，也是自然的趨勢。畢竟，當有晶片供應商已經準備好的時候，為何還要花功夫自己動手，解決整合不同無線共存的問題呢？

展望下個10年的導航科技，未來的GPS特色是會加上其他技術。誰有能力把技術整合到最大程度，誰就是最大的贏家。

(本文作者為博通資深技術總監暨領航長)