GPS接收器架構與設計挑戰

　
表1　衛星信息中每個信框的組成內容
　
圖2　衛星信息組成及接收所需時間
資料來源：u-blox

fix, TTFF)、靈敏度、功耗、尺寸、整合度等，其中又以TTFF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/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。
　
圖3　冷啟動需經過搜尋、接收星歷數據及追蹤三階段
資料來源：u-blox

　　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(Hot Start)。

　　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