新通訊 20086 月號 88
文.蔡金源
今日的全球衛星定位系統(GPS)技術已成為一門顯學,除了可攜式導航產品(Portable Navigation Device, PND)及車載導航器外,包括手機、各式手持設備如個人數位助理(PDA)、可攜式多媒體播放器(PMP)、行動聯網裝置(MID)甚至連筆記型電腦也都開始內建GPS功能。很顯然地,GPS的定位能力將不會僅限於行車的導航功能,未來將進一步拓展到更多樣的定位服務(LBS)和保全、緊急救援等應用領域。
對於PND來說,目前的成長動力雖仍強大,但市場上的競爭者愈來愈多,加上手機等其他領域對GPS的應用,或是車載資通訊系統(Telematics)內建比例的提升,都會擠壓PND的市場。至於強調個人定位導航應用的手持式設備,其使用的環境不比開闊的行車路面,更須要改善GPS定位的能力。因此,不論就市場本身的競爭性或是應用領域的拓展,GPS相關設備均面臨技術升級的迫切性。本文將介紹GPS的基本原理與效能要求、系統架構差異比較與前瞻性技術。  

GPS接收器左右TTFF性能  

一台GPS終端器要解出自己的3D位置,至少須要取得天上四顆衛星的相對位置。美國的GPS衛星系統是由二十四顆衛星群所組成,分別運行在六個軌道面上,每顆衛星會不斷發送1,575.42MHz的L1載波及1,227.60MHz的L2載波,在載波上調制了C/A電碼(C/A Code)及P電碼,一般我們用得到的是L1及C/A電碼,L2及P電碼則為美國軍方使用。  

在L1上所搭載的衛星訊息以訊框(Frame)為單位,每個訊框為1,500位元(Bits),其下又分為五個子訊框(Sub-Frame),它的內容包括衛星的星期時間(Time of week, TOW)、廣播星曆(Broadcast Ephemeris)、電離層參數及萬年曆(Almanac)(表1)。其中廣播星曆為個別衛星本身的精確軌道位置,其每小時更新一次,每次更新的有效性約四小時;萬年曆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。

表1 衛星訊息中每個訊框的組成內容
子架構內容
1衛星的星期時間、狀況及時鐘改正係數等
2+3廣播星曆的軌道參數
4

電離層參數、調整世界時及衛星配置等

5所有衛星在軌道上的概略位置及其狀況等

當我們在選擇GPS終端設備時,首先會考量的是首次定位時間(Time to First Fix, TTFF),其次才是準確性(Accuracy)和靈敏度(Sensitivity)。GPS設備的TTFF與衛星訊號的取得狀況相關,可以分為四種情況:一是出廠啟動,也就是沒有任何有用資訊;二是只知道GPS的時鐘偏移特性,其他參數都未知,稱為冷啟動(Cold Start);三是知道GPS時鐘偏移特性、精略的時間和粗略的起始位置,以及有效的萬年曆資料,稱為是暖啟動(Warm Start);如果所有的參數都知道,包括更準確的廣播星曆資料,則稱為熱啟動(Hot Start)。  

在出廠啟動的狀況下,GPS終端必須先下載完整的萬年曆資料,如果接收狀況良好的話,需要12.5分鐘才能完成。冷啟動的狀況是要接收四顆以上衛星的廣播星曆資料,才能正確的計算定位,這最快須要花上18秒(一般至少需要30秒)來取得一組衛星的廣播星曆(圖1),而今日的接收器都採多組通道同步進行此一擷取(Acquisition)動作。不過,由於衛星訊號相當微弱,在接收上很容易受到干擾,而且只要一斷訊,就得重頭再接收一次,因此動輒須耗費1分鐘以上的時間。

 

資料來源:u-blox
圖1 衛星訊息組成及接收所需時間

 

GPS接收器本身的架構也會影響TTFF的時間,以及準確性、靈敏度、成本、尺寸、功耗等條件。GPS接收器的架構一般可分為三種,分別是獨立式(Standalone)、主處理器式(Host-based)和軟體式(Software Only),這三種架構各有其優缺點,但在今日的應用上,獨立式的使用優勢最為明顯。  

獨立式的GPS接收器包括天線、射頻(RF)硬體、數位基頻(BB)硬體、輸出介面和韌體等GPS功能組成單元,因此具備從天線接收到定位資料輸出的完整GPS訊號處理能力,其定位資料的輸出介面為NMEA/UBX。相較之下,主處理器式方案由系統中的主處理器來負責GPS接收器的管理及導航應用的運算,接收器只負責從天線接收到衛星追蹤的工作。軟體式方案中,主處理器的工作更繁重,除了射頻工作交由GPS接收器處理之外,其他的基頻硬體、韌體及應用運算工作都交由主處理器來執行(圖2)。

 

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資料來源:u-blox
圖2 GPS接收器方案架構差異說明

 

軟體式方案看起來是最不占空間的做法,但事實不然。採用軟體式方案,其主處理器核心必然要有強大的運算能力,成本自然更高,而且須要採用且更大容量的高速記憶體(RAM),並需其他的周邊元件搭配。不僅如此,軟體式方案的開發曠日廢時,目前市場上的解決方案仍只能做到有限的GPS功能,而且一旦處於訊號較微弱的環境就無法使用。  

模組化方案有助即時上市  

綜合上述比較,獨立式方案仍是今日GPS終端的最佳選擇。在設計上它又可分為模組式、晶片組和單晶片設計,其中模組化方案將GPS功能所需的射頻、基頻及周邊元件如電阻、電容、溫度補償型石英震盪器(TCXO)等皆整合在一塊電路板上。此模組已做了最佳化的設計,因此系統工程師可省下調校RF/BB效能與阻抗匹配等繁重工作,對於產量不大、須快速上市的產品來說,模組化方案是極符合經濟效益的做法。  

當產量規模大時,採用晶片組的客製化設計有可能進一步降低成本和尺寸,但相對地必須付出更多設計及製造上的時間與人力,才有可能將數十種元件有效率地整合在一起工作,並且得自行完成RF/GPS驗證、可靠性測試、升級等工作。一般模組化方案的問世時間(Time to Market)大約只需半年,但採用晶片組的做法則動輒需要一年半以上的時間(表2)。

表2 GPS晶片組與GPS模組開發特性比較
 GPS晶片組GPS模組
開發時間約12~24個月約3~9個月
設計風險因需多次設計循環,設計風險高
開發成本
投資
問世時間慢(>18個月)快(>6個月)
資料來源:u-blox  

整合上最大的功夫在於調校射頻與基頻單元間的溝通效率,因此在模組化與晶片組之間的折衷方案是選用單晶片的做法。目前因射頻與基頻採用的製程技術不同,以u-blox 5晶片組為例,其射頻採0.18微米RF-CMOS製程,基頻採0.13微米CMOS製程,雖因此仍無法做到真正的系統單晶片(SoC),但已可透過封裝方式做出系統級封裝(SiP)單晶片,外觀看起來和SoC並無二致。除了簡化設計之外,單晶片的做法也能縮小尺寸,符合手持式設備小型化的需求。  

相關器為接收器差異關鍵  

同樣是獨立式的GPS接收器,由於技術特性的不同,也會有很大的效能差異。其中的一個關鍵是相關器(Correlator)的數量。相關器的功能在於比對接收到的訊號中是否來自某一特定的衛星訊號,再從此衛星的編號中找出需要的衛星資料,以進行定位運算。由於衛星訊號在傳遞過程中會發生頻率偏移及電碼延遲的現象,更多的相關器數量意味著更強大的電碼比對能力,也就能有效縮短定位的時間。以u-blox 5為例,它內建高達一百萬單位的相關器,能將冷啟動的TTFF時間降到29秒。  

另一個差異化的關鍵是GPS接收器處理雜訊和干擾的能力。由於GPS衛星的訊號相當微弱,接收器的靈敏度與抗雜訊的能力與定位結果息息相關。若為了加速定位,而接收了更多的雜訊,反而容易導致定位座標準確度太差或不穩定的漂移現象。此外,在狹隘的行進空間中,往往存在多徑干擾(Multipath)的問題,GPS接收器的韌體演算法要有能力偵測出多徑干擾訊號,並消除其對定位上的不良影響,而這也是區隔GPS接收器性能優劣的重要指標,通常須經由實測才能分辨出來。  

最佳化的靈敏度讓GPS接收器能有在更多變的環境中使用,甚至在有透明門窗的室內也能夠定位。目前有業者採用專屬的SuperSense技術宣稱,不論是搜尋、追蹤和導航都能做到-160dBm的靈敏度,讓系統能更有彈性的選擇天線類型。這對可攜式產品設計者來說是一大利多,他們只須採用小型化天線就能達到理想的接收性能。  

綜覽前瞻性技術趨勢  

今日的GPS終端朝向更快的定位時間、更準確的定位範圍以及更廣泛的使用環境及更高的靈敏度等方向發展。除了本身的定位能力之外,GPS也開始與其他的技術進行整合,以拓展應用領域。以下介紹幾個重要的發展趨勢:

A-GPS加速定位

在前文的介紹中,我們知道一般自主定位的GPS終端必須完整接收來自天空的必要衛星資料後,才能開始進行定位計算,一旦收訊不良,用戶就得等上許久才能完成定位。為了加速定位時間,因此發展出輔助定位模式(A-GPS),也就是透過連線(Online A-GPS)或離線(Offline A-GPS)等方式,即時或預先下載取得輔助衛星資料。此做法為今日GPS應用的重要趨勢。

GPS/Galileo雙模接收器為大勢所趨

除了美國主導的GPS衛星系統外,由歐盟推動的伽利略(Galileo)衛星系統也正如火如荼地在建置中,未來的GPS終端必然得兼容兩大系統,透過更多衛星同時擷取以得到更佳的涵蓋率、更高的定位準確度及可靠性,並更有效移除多徑干擾的問題。

因應此趨勢,現今已有產品實現了在1,575MHz L1 Band單頻率上對兩套系統的接收功能。它的追蹤通道已可用來追蹤伽利略衛星,而且預備了高達五十個通道數,能夠同時搜尋兩大衛星系統,除了加速定位時間外,也能選擇最佳的訊號來改善定位的準確度、解決多徑干擾問題,進而提升GPS接收的可靠性和可用性。

整合慣性導航克服訊號死角定位挑戰

A-GPS雖然有助於加速定位時間,但當完全接收不到訊號時,GPS終端也無法發揮定位功能。此時,若GPS終端內建方位推估(Dead Reckoning, DR)的慣性導航功能,即使是行駛進入隧道或行走於訊號不佳的巷弄中,GPS終端仍能透過慣性導航來進行暫時的定位功能。GPS系統為絕對定位,與相對定位的DR系統也能設計成互相輔助的整體系統,以獲得最佳化的定位結果(圖3)。

 

資料來源:u-blox
圖3 GPS與DR整合運作模式

 

為了因應市場白熱化的競爭,PND已開始整合更多樣的功能,如無線區域網路(WiFi)、藍牙(Bluetooth)等無線功能,以及支援影音多媒體及資訊處理功能。這無疑提升了它的附加價值,但相對也模糊了產品的定位,與PMP、PDA甚至手機或英特爾(Intel)主導的MID發生卡位的效應。  

很顯然地,要打開GPS終端的應用市場,必須從行車導航拓展到個人化的定位服務。這是一個更要求GPS使用經驗的應用領域,因此GPS的表現將是市場能否成形的主要關鍵。A-GPS是發展個人化GPS終端器使用的必要技術,而GPS接收器本身也得提升靈敏度和準確性,才有可能實現個人化的定位應用功能與服務。  

在解決方案的選擇上,獨立式GPS接收器仍是最理想的設計做法,而模組化的GPS接收器能夠帶來最大的設計效益,大幅減少設計難度,讓產品能快速進入市場。  

(本文作者任職於u-blox)

獨立式/模組化最被看好  
在這三種方案中,獨立式方案的設計最為單純,它不須占用太多的主處理器資源,可採用較低速且標準化的單向傳輸介面,而且因是硬體式架構,所以處理效能和功耗表現都是最佳的。主處理器方案雖能省下約10%的成本及面積,工程師也能對導航功能進行客製化設計,但主處理器與GPS接收器之間必須建立較高速和專屬性的雙向傳輸介面,而且須要開發與既有系統相容的導航應用軟體,複雜度相當地高。  
獨立式GPS接收器效能較佳  
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