車用影音與GPS技術發展及應用(1)-GPS技術如何精益求精？

（郭長祐／DigiTimes.com）

許多人認為GPS的雜訊（Selective Availability；SA）解除了，GPS就從此沒有分別了，但答案恰恰相反，SA解除後民用與軍用的精度依然有差距，且民間對定位技術的運用方式 與軍方大有不同，如此使得各種強化、提升GPS的技術方案紛紛被提出。到底GPS有哪些強化與提升技術？本文以下將對此逐一瞭解與探究。

　附註：GPS完整且正式的名稱是NAVSTAR GPS（Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System）。

　■第二、三、四波段的計畫

　多數人都知道美國國防部為了建構GPS的全球定位網，至少發射了24枚的衛星上太空，其中21枚立即投入運作，3枚待備運用，且每年的系統維護費用高達4億美元，但其實之後也陸續有新的衛星被發射升空。

去（2005）年美國開始發射新一代的GPS衛星，新一代的衛星正式提供第二個民用波段：L2C，這不僅是民間可用的波段數增加，且新衛星與新波段的精度、穩定性都比過往更理想，此外新衛星也提供更佳的軍用支援能力，然而這方面只對美國軍方有益。

　不過，要讓新一代的衛星完全取代舊衛星還需要數年的時間，眼前已升空的新衛星尚無法達到完整的地球覆蓋率，往後的數年必須持續發射更多顆的新衛星，其新波段、新的精度、穩定度表現才能覆蓋全球，且想當然爾，目前發射上去的新一代衛星，自是優先服務北美地區。

　不僅是第二民用波段，依據規劃未來還會開通第三、第四的民用波段，屆時隨著可用波段的增加，定位性的電子應用必然會更加普遍，同時也會刺激消費者的換用與升級需求，支援新波段、預先支援未來新波段的GPS產品必然會有賣點與商機。

　附註：現有與未來的數個GPS波段為：L1波段－1.57542GHz、L2波段－1.22760GHz、L3波段－1.38105GHz、L4波段－1.84140GHz（新波段）、L5波段－1.17645GHz（新波段）。

　■地面站修正誤差

　解除了SA在時脈信號上所加摻的隨機雜訊後，GPS的精度從100公尺提升至15公尺，但這對民間應用而言依然是不夠，15公尺已可以是偏移一條巷子或是四線道的寬度，所以有許多修正精度的方案紛紛被提出。

　 首先是DGPS（Differential-GPS），DGPS是在陸地上建立多處固定位置的地面站，地面站會向外廣播無線訊號，接收了地面站的無線信號 與來自天空的衛星定位信號後，地面站的信號可以用來修正衛星信號的誤差，以此獲得更高的定位精度，一般而言DGPS可以將GPS精度縮至3公尺內。

　除了DGPS外，另一種也是地面廣播站型態的修正技術是WAAS（Wide Area Augmentation System），是由美國交通運輸部相關的聯邦飛航管理局所建立，在美國本土（包含阿拉斯加）佈建25個地面站來提供誤差修正的無線信號。

WAAS與DGPS相比有幾個優點，首先是精度更高，可以達僅有6英呎（約2公尺）的誤差，而且可用的覆蓋率較廣，DGPS大致只能在陸地上使用，而WAAS則可以延伸到海上，這表示海上航行的船隻也能受用。

　更重要的是，DGPS所發送出的無線信號，接收端必須使用另外一種接收器才能接收，而WAAS則不用，原有能接收GPS信號的裝置也同時能收到WAAS的信號，使原有僅支援標準GPS的產品也能獲得精度提升。

　附註：「美國交通運輸部」全稱為Department of Transportation，簡稱為DOT。

　附註：「美國聯邦飛航管理局」全稱為Federal Aviation Administration，簡稱為FAA。

　可惜的是，WAAS僅適合在北美地區使用，離開北美即便是南美地區也無法使用，更不用說是歐洲與亞洲。很明顯的：地面站的輔助修正技術相當具有地域性，也因此世界各地都有自己的地面站佈建計畫，透過地區性的建設來強化定位精度。

　 舉例而言，歐洲就有所謂的EGNOS（Euro Geostationary Navigation Overlay Service）的技術建設，日本方面也有MSAS（Multi-Functional Satellite Augmentation System），加拿大也有CDGPS（Canada-Wide DGPS Correction Service）等，這些都能以現有的GPS信號為基礎進行精準度的再強化，以上這些技術今日一般統稱為定位校準系統。


以上這些校準系統也都是免費使用，但也有商業型的校準服務，如StarFire或OmniSTAR，StarFire技術上與FAA的WAAS較近似，最理想的情況下可以將誤差縮小到只有2.5公分。

　 至於OmniSTAR，其校準精度依據接收的信號品質而定，就水平方位而言，有67％∼73％的機會可將誤差縮小至0.5公尺內，有95％∼97％的機會 小於1公尺，而99％的機會小於1.5公尺，至於垂直（高度）性的誤差多為水平誤差的2.0倍∼2.5倍間，OmniSTAR的精度提升服務是採行年制收 費。

　■E911催生出A-GPS

　在北美（美國與加拿大）地區撥打緊急求助的電話號碼是911（國內是 顛倒過來：119），撥打911後受理的站台可以得知來電方的電話號碼，此即是今日所熟知的Caller ID，並從電話號碼透過電腦推查出求助的所在區域，此一般也稱為Caller Location。

　不過，911主要是針對固網電話而設 計，現有的行動電話系統多尚未具備此一機制，倘若用行動電話撥打緊急求助，除了知道來電號碼之外並無法得知求助者的所在位置，對此美國政府期望將911的 來電號碼顯示、來電方位得知遍及到所有的電話系統上，包括行動電話也必須納入，所以提出了E911的構想，並透過立法方式，要求日後的手機必須具備定位功 能，以此呼應與加速實現全面的E911。為了因應E911的需求，因此有了A-GPS（協助式GPS）的技術。

所謂的A-GPS其實是一種取捨折衷的技術，由於行動電話無論就電池電力或是執行運算力等都有限，供應電力、運算力給一般的語音通信都已是相當吃緊，很難再負荷GPS所需的信號解析與運算。

　 所以，A-GPS其實是在行動電話上裝設GPS接收器，接收到信號後只進行簡易的處理，緊接著再將信號資料以行動電話的無線通信方式（例如GSM、3G 等）傳送到行動電話的無線基地台上，無線基地台上有協助定位解析運算的伺服器，稱為Assistance Server（Mobile Location Server），由其負責主要的運算工作，當結果求出後再將結果資訊以相同的無線通訊方式傳回給行動電話，如此行動電話就可以知道自身所處的地點方位。

　 很明顯的，A-GPS必須在行動電話服務的覆蓋範圍內才有用，所以目前多只能在都會區內使用。此外，A-GPS雖是以因應及合乎法規為第一目標，然而日後 一旦具備A-GPS的手機大量普及，也極適合延伸支援與實現方位型服務（Location Based Services；LBS）。

　附註：高通（Qualcomm）的gpsOne技術即是種A-GPS技術。

　■手機基地台定位

　A -GPS可以說是「既使用GPS無線接收，也使用手機無線收發」的定位技術，事實上即便手機的電力與運算力充沛，也都不適合自行完成定位信號的運算解析， 因為使用手機的地方多半也是不易接收GPS信號的地方，例如建築物內、騎樓、有行道樹遮蔽的步道，這些場所對GPS接收器而言都有程度不一的接收阻礙。

　 所以在都會區內，GPS的信號接收品質不如開闊地般的良好，反而更需要倚賴與借重其他的定位技術，特別是手機的無線基地台定位，之前所述的A-GPS只是 負責分擔運算負荷並進行定位資訊的收發，但實際上也有以手機基地台所形成的定位技術，例如PHS基地台運用智慧型天線及分空多方存取（SDMA）等技術， 可以為每個PHS手機用戶進行定位，進而提供防止小孩被綁、防止失智老人走失、以及就近交友等服務。

　不過，PHS基地台的定位有其誤差 性，最大可達100公尺，且現有主流的GSM、3G等也都還不具備標準的定位方式，目前被提出的手機基地台定位技術主要有COO（Cell Of Origin）法、TA（Timing Advance）法、E-OTD（Enhanced Observed Time Difference）法等。

　 乍聽之下手機定位技術有可能在市區內全面取代GPS定位，但眼前來看仍是兩者互補長短為多，特別是PHS以外的手機定位，其定位區必須在三個基地台同時覆 蓋的區域才有效用，不似一般手機通話，只要處在一個基地台的覆蓋區內即可使用，因此手機基地台定位的覆蓋性仍是有限，特別是行車或遠行仍需倚賴GPS。


　■慣性定位、地磁定位

　手機基地台定位可說是GPS定位的一項輔助，尤其是進入 GPS信號無法接收或接收品質不佳的區域時，不過有些地方不僅是GPS信號接收不到，就連手機通訊服務信號也難以到達，例如極長的隧道、地下停車場等，這 時GPS、手機這兩種無線信號都難以施展。如此是否就真的無法再定位了呢？

　關於此答案是否定的，這時還能用的技術就是慣性導航 （inertial guidance system），慣性導航並非是新技術，許多飛行物早已使用此項技術，例如飛機飛航、飛彈發射後的初期定向等都會使用慣性導航、慣性導引的技術，而倚賴的 組件是陀螺儀（Gyroscope，簡稱：Gyro）與加速度計（Acceleration Sensor），也稱加速度感測器（Acceleration Sensor）。

　此方面的導航與定位技術就與無線技術或電子技術大大不 同，慣性導引的陀螺儀部分，從最早的機械式陀螺儀，到強化改進的光纖陀螺儀，到現在的雷射陀螺儀，考驗的是光電領域的技術，且過往多只用於航太與軍武層 面。至於加速度感測器今日也多使用微機電（MicroElectroMechanical Systems；MEMS）技術，屬於機電領域，且正朝奈米（nanometer）水準邁進。

　另外，若不使用慣性導航定位也還有一種定位技術可以使用，即是地磁定位，運用地球本體的磁偏角特性，以磁阻感測器來進行感測，形成所謂的「電子羅盤」，以此來得知方位與移動量。


■結論

　最後，各位可以很明顯的看出，除了GPS外，有愈來愈多的相關定位技術可作為GPS的輔助，包括地面校準站、基地台輔助、慣性輔助、地磁輔助等，再加上更多的新衛星升空、新波段開通，所以筆者說：GPS的精度絕對不是以取消SA為終點，相反的還是個起點。

　同樣的，全世界不只一種衛星定位系統，除了美國的GPS外還有歐洲的Galileo（伽利略）系統、中國的北斗導航系統，再加上前述的一堆地面校準技術，再加上一堆的行動電話基地台技術，加上慣性與地磁技術，看來定位科技的競爭連戰國熱度都不到，還處於紛向雜據的春秋。

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