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蔡金源／u-blox臺灣分公司產品應用工程師

前言：行動用戶時常處於建築物林立的街道中、騎樓下，甚至是室內的環境中，由於這些地方的訊號接收條件很差，用戶往往得長時間等待不一定能夠成功的第一次 定位，透過輔助定位方式，也就是A-GPS（即Aiding GPS或Assisted GPS），已成為GPS發展上的必然趨勢。

GPS衛星訊息組成



GPS的應用日益普及，車用導航及PDA/PND可攜式導航設備在市場上大行其道，而其應用領域除了與相片、影音播放相結合外，也逐漸從汽車導航跨入行人 的徒步隨身導航，在應用性上也更強調位置服務（Location-based Service, LBS），也就是從定位功能延伸出附近餐廳、景點、捷運/公車路線等加值服務。不僅如此，美國E911法案更要求每台手機中要具備GPS的功能，以在緊急 時刻發揮定位尋人的用途。



當GPS的應用不斷地推進個人的隨身應用時，傳統的GPS定位方式就出現了不小的使用瓶頸。採用自主定位（Autonomous Positioning）的獨立式GPS設備，必須要在訊號條件佳的開放天空中接收到四顆以上的衛星，才能順利解出終端用戶所在的位置；不僅如此，此設備 的GPS接收器還得不間斷地接收30秒以上的時間，才能將GPS衛星訊號完整收齊，接著才能進行定位計算。對於隨身導航應用來說，自主定位在開機後的第一 次定位時間（Time to first fix, TTFF）實在太長，而且行動用戶時常處於建築物林立的街道中、騎樓下，甚至是室內的環境中，由於這些地方的訊號接收條件很差，用戶往往得長時間等待第一 次定位，而且還不一定能夠成功。在此情況下，透過另一套網路來取得衛星訊息的輔助定位方式，也就是A-GPS（即Aiding GPS或Assisted GPS），已成為GPS發展上的一個必然趨勢。



GPS衛星訊息組成

在深入探討A-GPS之前，我們必須先掌握一般GPS自主定位的基本原理及衛星訊息的組成，才能了解A-GPS的優勢所在。目前在天空中有多套定位衛星系 統在運作，包括美國的GPS系統、俄國的GLONASS系統，以及歐盟在建置中的Galileo系統，其中以美國的GPS為今日市場應用的主流，也是本文 中所探討的系統。



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於衛星軌道、時間及各種參數的衛星訊息，這些訊息的接收正是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/A code）及P電碼，一般我們用得到的是L1及C/A電碼，L2及P電碼則為美國軍方在使用。



在L1上所搭載的衛星訊息以訊框（Frame）為單位，每個訊框為1500 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）等，請參考下列表一。其中廣播星曆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，有效時間可達數週。





對於一個不具任何有效定位資料的GPS終端來說，最重要的是要收齊四顆衛星個別的廣播星曆及衛星時間資料，才能正確的計算定位。由於衛星是以50 bit/s(bps)的速率來發射訊號，因此同步收齊四顆衛星一個完整訊框資料的時間，至少需要30秒（即1500bit/ 50bps），其中需花18秒下載廣播星曆。萬年曆方面，由於每次更新的資料需用到25個訊框來傳送更新的萬年曆資料，因此要完整的下載，需要用掉 12.5分鐘。




圖說：衛星訊息組成及接收所需時間（資料來源：u-blox）



對於GPS終端來說，啟動開機時本身是否具有有效的衛星訊息，將決定它第一次定位的速度。如果是完全無資料的狀況，稱為冷開機（Cold Start），順利接收訊號的話，大約需18-36秒才能完成定位；不過，由於廣播星曆的下載不能間斷，如果因訊號微弱而一時斷訊的話，就得從頭再接收， 這就得耗費更長的定位時間。因此，更佳的狀況是終端機本身已具有可用的Almanac或Ephemeris，如果已具有Almanac，即稱為暖啟動 （Warm Start）；最快的條件是已具有Ephemeris，稱為熱啟動（Hot Start）。



開放式的A-GPS服務

一般的A-GPS系統由GPS全球參考網路、發佈輔助資料的中央伺服器，以及具A-GPS功能的接收器所組成。GPS全球參考網路必須建置廣大的監控基地 台，並持續且準確地監控衛星的移動。它會將監控得到的相關衛星資料傳送給高效能的中央伺服器，此伺服器會依據這些資料來預測衛星未來的移動軌跡。 IGS（International GNNS-Service）即是這樣的一個網路，它在全球持續地運作著。



GPS接收器的運作程序，第一步是搜尋衛星訊號、再接收廣播星曆，接著才能定位與追蹤。如果能預先取得衛星訊息，或以更快的速度來下載廣播星曆，那就能加 速定位的速度，請參考下圖。要取得這些輔助資料有兩種方式，一是即時性的透過GSM、GPRS、CDMA或UMTS等行動通訊系統來取得，也就是連線式的 A-GPS（Online A-GPS）；另一種是採離線方式（Offline A-GPS），也就是依使用者的方便，透過行動網路或直接由網際網路預先下載衛星資料，當需要時就能做為輔助定位之用。以下將介紹這兩種方式的特性及差異 所在。




圖說：冷啟動時，具有Ephemeris或差分Almanac修正資料的終端器能快速的定位。（資料來源：u-blox）



1. 連線式A-GPS

一個具連線式A-GPS功能的終端器，可以由兩種介面來與行動網路溝通，一是控制平面（Control plane），一是用戶平面（User plane）。前者是不同行動系統針對定位輔助功能所定義的介面規格，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA則是IS-801A。 除了介面規格不同外，不同的系統服務商往往會建立屬於自己的控制平面運作系統，此舉雖然能保證較佳的服務品質，但建置成本極高，用戶也得受限於系統服務 商。



另一種介面系統為用戶平面，它使用的是由OMA組織所定義的一套通用介面規格，稱為SUPL（Secure User Plane Location）。它透過將RRC、RRLP等訊息包裹為一致性的規格後再發送出去，與TCP/IP的架構極為接近。由於其通用性高，系統建置成本較 低，因此有助於A-GPS在手機等行動設備中的推行。



採用連線式A-GPS，不同的作法會影響其定位效率。第一個影響的因素為連線效率，這和行動通訊商的服務品質及用戶所在位置息息相關，是較不可控的因素。 CDMA和GSM/GPRS的協定中都定義出A-GPS手機的最低運作效能標準：CDMA的標準定義在3GPP2 C.S0036-0（TIA 916），GSM/GPRS則是3GPP TS 25.171。其中CDMA要求最大的反應時間（即最長的TTFF）是在16秒之內，GSM則是20秒。目前各家的解決方案都致力於滿足這項要求，以u- blox的AssistNow Online為例，它已能達到、甚至超過標準的要求，進而能提供連線品質保證的服務。



第二個因素則與下載的衛星資料內容有關，當所獲得的有用資料愈多，定位的速度也就愈快。例如若能取得GPS時間（GPS Time），則可大幅縮短定位時間；這是因為衛星的移動很快（每秒移動800公尺），GPS時間有助於掌握衛星的確切位置。GPS時間又可分為粗略GPS 時間（Coarse GPS time）和精確GPS時間（Precise GPS time），前者的定位時間要約30秒鐘，後者只需數秒鐘即可。



當支援A-GPS的終端啟動時，它會同時接收來自天空中的衛星訊號，並透過用戶平面（如GPRS）來連結行動網路的基地站，此基地站會透過網際網路來與取 得全球參考網路資料的伺服器連結；GPS終端通常會從伺服器端下載包括Ephemeris、Almanac、概略位置、時間、衛星健康狀態等資料，除了 Ephemeris是必要的，其他資料為選擇性的。這些資料並不需儲存在GPS接收器或系統的記憶體中，而且每次啟動連結時，資料都會更新。請參考 Online A-GPS的服務架構示意圖。

圖說：Online A-GPS服務架構示意圖（資料來源：u-blox）



2. 離線式A-GPS

另一種方式是採離線方式。在使用前，GPS終端先透過行動網路或網際網路從伺服器端中取得輔助資料，這些資料通常是預先推測的Almanac或 Ephemeris衛星軌道資料，當它們被儲存下來後，與伺服器的連結就可以中斷。下次GPS接收器啟動時，儲存的資料會被用來決定當前的軌道資料，以幫 助導航定位。



在此情況下，接收器不需等到所有的資料都從衛星下載回來後，才能開始計算，它能很快的開始進行導航。輔助資料的有效性與資料供應者有關，大約可以維持十天 至兩週左右，但所提供位置的準確性會隨著時間而下降，下載後前幾天準確度最高，時間愈久準確度就愈低，因此最好能經常維持資料的更新。



衛星軌道預測的準確度也與資料供應者的專業能力密切相關。如果直接提供衛星的Almanac，由於它只提供所有衛星軌道的概略位置，與實際的衛星軌道之間 存在著大約3-5公里的誤差，若直接以此資料來進行定位，計算出來的位置會偏移不少。因此，專業的資料供應者會藉由天文學及重力等模式來預測及修正衛星軌 道，以u-blox提出的AlmanacPlus 技術為例，可以透過差分萬年曆修正資料（Differential Almanac Correction Data）的作法，將衛星軌道的準確度提升到10-50公尺，如下圖所示。




圖說：透過AlmanacPlus差分萬年曆修正資料來提升軌道預測的準確度。（資料來源：u-blox）



從Offline A-GPS服務架構示意圖中可以看出，具離線式A-GPS功能的行動終端透過TCP/IP的協定方式來與標準的鏡射（Mirror）或代理（Proxy） 伺服器溝通，以取得複製到此伺服器中的輔助衛星資料。此一Mirror/Proxy伺服器也是透過標準的HTTP連結來與主伺服器（Root server）溝通，以取得壓縮過的衛星訊息資料；主伺服器的資料則來自如IGS的全球參考網路。




Offline A-GPS服務架構示意圖（資料來源：u-blox）



與離線式A-GPS相比，連線式A-GPS以Ephemeris來進行定位，因此可以得到較佳的準確性。不過，Ephemeris的有效性短，必須隨時更 新，而且容易受限於行動通訊系統的連線時間及連線品質。相較之下，離線式A-GPS因不需花費時間在衛星軌道資料的下載，也不會受到基地台涵蓋範圍的限 制，再加上在定位時不需隨時保持連線，因此可省下不少連線費用，是相當便利的一項定位方案。目前市場已出現一些離線式的解決方案，其資料的有效時間大約只 有5 到 10天，而以u-blox AssistNow Offline來說，除了以上述的AlmanacPlus來提供更準確的資料外，其有效時間已可以達到14天。



A-GPS終端系統規劃

在行動終端的GPS次系統建置上，可視手機製造商的需求採用不同的架構：一種是採用單晶片的方式，此晶片整合了GPS的射頻及基頻功能，有助於設備業者降 低成本及安裝尺寸；另一種是採用射頻與基頻獨立的晶片組模式，此方式讓設備業者有較大的設計彈性，但系統工程師必須有能力去調整整體系統的效能，設計上的 挑戰性較高；還有一種是將基頻功能整合到手機的應用處理器或基頻晶片當中，但此種作法會佔用大量的主處理器運算資源。



就連線式A-GPS來說，系統規劃上必須考慮到定位運算的主體在那一端。如果是由行動終端來負責運算工作，則稱為MS-based模式（MS為 Mobile Station的縮寫）；若由網路伺服器端來進行定位運算，再送回給終端，則稱為MS-assisted模式。MS-based的模式在取得網路輔助資料 後，就回到獨立運算的狀態，運作上較為單純，但對終端系統的運算資源要求較高。



MS-assisted則較為複雜，終端器得將接收到的衛星訊號資料傳送給網路伺服器，由伺服器計算出結果後再將位置資訊送回給終端器，此舉雖能降低終端器的運算負荷，而且能進行較複雜的運算以取得更精確的位置，但對於連線品質要求甚高，因為一旦失聯就會失去定位結果。



在系統架構上，主處理器和GPS接收器透過UART、SPI or I2C等標準的序列介面來進行溝通。離線模式中，從伺服器端下載來的資料通常儲存於非揮發性的Flash EPROM中，依演算法邏輯的不同，GPS接收器與記憶體溝通方式可以分為兩種：一是接收器直接與Flash EPROM溝通，一是接收器透過主處理器來與記憶體溝通。前者需要額外配置一顆Flash EPROM記憶體，後者則只需使用主處理器的記憶體即可，因此可節省設計成本與空間。此外，在行動終端上建置A-GPS方案，會希望不要對主處理器造成太 大的負擔。以AssistNow?方案為例，即強調將所有的運算工作都交給GPS接收器，因此不需要為CPU進行客製化的工作，建置上更為容易。




圖說：GPS接收器配置專屬記憶體的運作架構。（資料來源：u-blox）




圖說：GPS接收器透過主處理器取得儲存資料的運作架構。（資料來源：u-blox）



在記憶體的需求上，連線式A-GPS對於記憶體容量的要求極低，以u-blox的AssistNow Online為例，每次下載的檔案大小只有1-3KB；離線式A-GPS的記憶體需求量也不算大，以AssistNow Offline來說，下載一天的衛星預測資料，大約只需要10KB，十四天的預測資料量則約為90KB。



具A-GPS功能的行動終端，也可以同時支援連線及離線模式。當終端器一啟動時，內部的GPS接收器會自動檢查在Flash EPROM中的有效衛星資料，當找不到可有效使用的Ephemeris時資料時，它就會用採用離線模式，以或修正過的Almanac資料來輔助定位運算。 一旦終端器透過行動網路取得有效的Ephemeris時，系統就會利用它來取代離線資料，以取得更精確的定位結果。同樣的，當Ephemeris又失效 時，系統則會再切回來使用離線模式。



結論：早在一、兩年前，市場上即開始預期GPS會從車用導航及PDA導航應用，進入到手機當中，不過，GPS手機的推出與市場的接受度始終慢了半拍，這和 A-GPS一直受限於行動業者的建置進度有關。當行動業者以封閉性的獲利心態來經營A-GPS定位服務時，就會讓手機製造業者覺得綁手綁腳，一般用戶也難 以感受到A-GPS的使用優勢。



本文提出一套開放式的A-GPS運作模式，也就是透過通用行動網路介面（SUPL）或網際網路來取得開放性的衛星輔助資料，並以彈性的連線或離線方式來實 現更快的定位速度或更精確的定位，以及更可靠的定位導航品質。此套作法有助於打開A-GPS在行動終端的市場，讓GPS真正成為手機的新殺手級應用。 （www.u-blox.com）