ＧＰＳ接收器架構與設計挑戰

GPS無疑為當今電子產業亮點之一，其主力產品便攜式導航產品(Portable Navigation Device，PND)近年來交出極亮麗的銷售佳績。根據“資策會MIC”日前發表的最新預測報告指出，2007年全球PND市場的規模突破2600萬臺，較2006年成長43％，其中標準型PND市場規模將達2320萬臺。

GPS的設備可分為三大類，即車用GPS、便攜式GPS和其它應用設備(如航空、軍用等)。現在當紅的PND屬于車用GPS的一種，另一種則為內置型GPS系統。內置型GPS通常與CD/DVD等車用信息娛樂(Infotainment)系統整合，此類系統的價格極高，可達1000美元；相較之下，PND的價格便宜許多，而且持續在降價，大致可分為三種等級，即PND系統模塊價格約199美元的入門級產品、約299美元的中端產品，以及可達399美元的高端產品。

另一類值得關注的類型則是GPS手機和GPS PDA等便攜式GPS設備，這個市場的用戶數又遠大于車用市場，因此其成長遠景相當令人期待。不過，由于其應用性與汽車導航大相徑庭，強調的是個人化的移動定位增值服務，如各種位置服務(Location basedservice，LBS)，這些服務的內容及服務體系、機制都還在建立當中；此外，由于便攜式GPS設備經常會走入室內使用，因此對于定位技術的要求會更為嚴苛。GPS接收器運作架構

這些GPS設備當中的定位核心單元即是GPS接收模塊。這一模塊包括被動或主動天線、RF前端、GPS引擎、處理器(通常為ARM7)、內存(ROM/RAM)和實時頻率(RTF)IC等，此外還必須搭配溫度補償型振蕩器(TCXO)，如果有特殊的應用需求，還得使用到外部的Flash、EPROM或SerialEEPROM等內存。接收及初步處理好的衛星數據會再通過UART、USB等接口傳送給系統中的主處理器/控制器，再與地圖或其它應用程序結合運算，并輸出定位導航等畫面到顯示器上。

再進一步來看看GPS的運作架構。一般來說，GPS天線與接收器是分開設計的單元，而GPS接收器指的是包括射頻(RF)與數字基帶(BB)兩大部分。在建置上，GPS設備的設計者可以選用分離式的芯片組作法，以獲得較高的設計彈性；也可采用集成的SoC或SiP芯片，以降低采購成本及設計難度，此外，整合式芯片也具有尺寸小的優勢。

在運作架構上，RF前端的功能在于將從GPS天線接收到的高頻衛星信號轉換為基帶可讀取的中、低頻信號，再利用GPS基帶來進行衛星信號采集(acquisition)及追蹤(tracking)的工作。在GPS引擎中的主要組成為所謂的相關器(correlator)，由相關器再組成通道(channel)，而相關器與通道的數量正是決定定位效能好壞的關鍵所在，因此GPS芯片制造商無不致力于提升其數量，其中高端GPS接收器的相關器件數量甚至已可達一百萬個，而通道數可達50個(u-blox 5)。

要看一個GPS接收器的性能，往往會比較幾個條件，即首次定位時間(Time to firstfiX，TTFF)、靈敏度、功耗、尺寸、整合度等，其中又以TrFF與靈敏度最為關鍵。就TTFF來說，一個GPS接收器必須得知四顆衛星的位置，才能計算出接收器的位置，而要了解TTFF的接收性能，必須先知道衛星信號的基本原理。

GPS衛星信號原理

現在天空中的GPS是由24顆衛星群所組成，分別運行在六個軌道面上，每顆衛星會不斷地發射關于衛星軌道、時間及各種參數的衛星信息，這些信息的接收正是GPS終端能否成功定位的關鍵所在。目前GPS衛星分別有1575.42MHz的L1載波及1227.60MHz的L2載波，在載波上調制了C/A電碼(C/Acode)及P電碼，一般我們用得到的是L1及C/A電碼，L2及P電碼則為美國軍方在使用。

在L1上所搭載的衛星信息以信框(Frame)為單位，每個信框為1500 bits，其下又分為五個子信框(Sub-Frame)，它的內容包括衛星的星期時間(Time of week TOW)、廣播星歷(Broadcast Ephemeris)、電離層參數及萬年歷(Almanac)等，請參考表1。其中廣播星歷為個別衛星本身的精確軌道位置，它每小時更新一次，每次更新的有效性約四小時，萬年歷則為所有衛星在軌道上的概略位置及其狀況等，它每天更新一次，有效時間可達數周。

GPS設備的TTFF與其啟動條件有關，可以分為三種情況：一是接收器本身完全無有效衛星數據的冷啟動(Cold Start)；一是接收器具有有效的萬年歷數據、時間和起始位置，稱為暖啟動(Warm Start)；如果再具有更準確的廣播星歷數據，則稱為熱啟動(HotStart)。

對于一個不具任何有效定位數據的GPS終端來說，最重要的是要收齊四顆衛星個別的廣播星歷及衛星時間數據，才能正確地計算定位。由于衛星是以50 bit/s的速率來發射信號，因此同步收齊四顆衛星一個完整信框數據的時間，至少需要30秒(即1500bps)，其中需花18秒下載廣播星歷。萬年歷方面，由于每次更新的數據需用到25個信框來傳送更新的萬年歷數據，因此要完整的下載，需要用掉12.5分鐘。

因此，冷啟動與熱啟動的定位時間相差甚大，前者所需時間至少需要18～36秒，接收過程中如果出現了任何干擾而導致信號中斷，那就得重新再接收一次。相較之下，如果在GPS設備的內存中已有完整且有效的廣播星歷資料，只要確認目前在頭頂上的四顆衛星，即可立即進行定位計算，定位動作甚至在1秒之內就可完成。

以A－GPS加速定位

要加速TTFF的定位速度，最好的方式即是以輔助模式來提供各種星歷數據，這正是所謂的輔助式GPS(Assisted GPS，A-GPS)。A-GPS的運作架構上又可以分為兩大模式，一是由電信運營商來提供輔助信息的模式，一是由設備制造商所提供的輔助模式。運營商的A-GPS架構又可分為為控制平面(Control plane)和用戶平面(User plane)兩種作法，這類的模式能夠提供質量穩定、實時且準確的輔助信息，但建置成本極高，而且用戶必須負擔額外的聯機或服務成本。

為了打破運營商的控制，有些GPS設備或芯片公司(如u-blox或已被Broadcom并購的Global Locate)已開始提供免費的輔助數據。Global Locate公司提出LTO(Long-TermOrbit)it術，能將廣播星歷數據的有效時間延長到2～10天；u-blox也提出AlmanacPlus技術，它可使用十天至兩周左右，但所提供位置的準確性會隨著時間而下降，下載后前幾天準確度最高，時間愈久準確度就愈低，因此最好能經常維持數據的更新。

在A-GPS的架構中，會由GPS全球參考網絡(Worldwide Reference Network，WWRN)所建置的基站來監控衛星的移動，并持續將觀測到的數據傳送給網絡中的中央服務器，通過此服務器來計算預測衛星未來的移動位置等數據，這些輔助數據會再傳送給通信網路中的A-GPS服務器。當具A-GPS功能的終端器尋求輔助數據時，就能通過GSM、GPRS、CDMA或UMTS等移動通信網路來實時傳送，稱為聯機式的A-GPS。另一種方式是讓用戶以離線的方式預先下載這些輔助數據，該用戶可在他方便的時間通過因特網或移動網絡來進行下載。

GPS接收器設計挑戰

今日的GPS市場競爭愈來愈激烈，為了實現市場區別，GPS設備有必要發展出應對策略。就一般性PND的市場來說，由于獨立型設備的定位技術已發展到可接受的程度，因此未來有幾種走向，一是朝更多附加功能發展，例如整合Wi-Fi、藍牙(BT)及UWB等無線功能，以及AM/FM收音機、移動電視、視信輸入(video in)等AV影音功能，也可導入硬盤(HDD)、觸控面板及外部喇叭輸出等功能。SiRF并購(Centralit)，的原因，正是希望發展出屬于自己的一套整合應用平臺。

另一個走向則是往更高功能發展，例如提供能夠更快定位的A-GPS功能與服務、提升定位追蹤的靈敏度，或是加入MEMS運動傳感器，為汽車提供不中斷的定位功能。在PND或內裝式GPS中導入三軸加速度計和陀螺儀(Gyroscope)或磁羅盤等MEMS組件，就能夠在GPS信號不良時進行替代性的方位推估工作。

其原理是通過三軸加速度計所提供的加速度及運動方向變化，以及陀螺儀的轉向測量，來計算出車輛位移上的改變，并繼續在地圖上顯示導航的功能。在短距離內，DR系統所提供的數據比GPS的信號來得準確，不過，當時間增加時，誤差累積效應會愈來愈大，導航的精確度就會大幅下降。

還有一個重要的發展趨勢，就是軟件式GPS的開發。所謂軟件式GPS是運用GPU或手機的基帶/應用處理器和GPS軟件來取代今日的GPS基帶功能，這對于PND來說可以省下約5美元的系統成本。除了降低成本外，軟件式的GPS接收器方案還有助于縮小設計尺寸及提升設計彈性，讓產品能隨著新功能、新規格的演進而進行升級。不過，軟件式GPS仍得克服性能不佳、整合不易，而且會占用極大的處理器資源等設計難題。