【GPS技術專欄】手機整合GPS勢在必行 A-GPS挑戰全能定位系統

2007-02-27
各國對於緊急事件的救助,都致力於提升時間效率與精準度。美國政府有感於報案者經常無法清楚述說求援所在地,因此要求行動電話系統業者必須能經行動電話蜂巢網路架構精確標定出發話者的位置,讓已被廣泛使用的行動電話和緊急求援電話號碼911結合,這也就是所謂的Enhanced 911(E911)政策。  

由上可知,E911正是為了提升與改善報案效能而制定的,因此根據美國聯邦通訊委員會(FCC)的規定,行動通訊業者對於撥打911之手機,應有95%信心度將之定位在50公尺範圍內,才能發揮真正效用。過去,T-Mobile、AT&T Wireless、Cingular Wireless等三家業者自2003年起在基地台加裝軟體,以計算訊號到達時間差(Time Difference of Arrival, TDOA)的方式進行定位解算。雖然這種定位效果不會比全球衛星定位系統(GPS)定位來得準確,但GPS若置身於一個不佳或全無訊號的情況下,在關鍵時刻定位可能完全失效,因此TDOA並非毫無用途。而為了克服GPS訊號不佳的缺點,行動電話輔助型GPS(Assisted GPS, A-GPS)也就應運而生。  

傳統GPS仍力有未逮  

自從2000年5月1日,美國政府宣布放棄實施多年的GPS定位精確訊號管制措施,解除衛星定位擾動干擾碼(Selective Availability, S/A)的傳送後,GPS不須修改任何軟硬體,定位精確度就可在95%的信心度之下,將誤差值從100公尺降至15公尺。當時,市場分析單位表示,GPS 創造的營收會每2~3年成長一倍;而對照這5年來的市場發展,也確實如此。  

由於GPS衛星訊號非常微弱,GPS接收裝置必須與2萬公里外地平線上的12顆GPS衛星維持視線接觸,才能達到最理想的運作。也就是說,衛星與接收裝置的天線間不能有阻隔物;或是維持這種狀況的衛星數目不足4顆,座標位置便無法運算出來。  

正因上述因素,當衛星定位使用者在室內、都市大樓叢集地區、狹窄巷道或郊外高山阻絕天空的地區時,GPS定位功能就可能會短暫失效。此外,接收不良的狀況如果持續太久,即使後來出現在上方視野良好的地方,GPS接收裝置可能也無法立即算出座標位置,必須等待來自衛星的軌道參數值收齊足夠後才會恢復功能。值得一提的是,這段等候時間不等,依中斷時間長短而定,短至15秒,有時甚至長達好幾分鐘,GPS才能正常運作。  

A-GPS突破既有界限  

要解決GPS無法發揮功用的方式之一,就是加強A-GPS的效能,而A-GPS所以會持續發展,主要動力乃來自美國政府的強制政策。A-GPS是透過在蜂巢行動電話系統架構下,加裝輔助伺服器,以進行GPS衛星定位相關參數的蒐集與解算;隨後透過行動電話連線,隨時提供相關數據予GPS接收裝置,讓GPS 使用者不會再出現間斷的GPS定位服務訊號。在A-GPS系統架構下,GPS接收裝置內部要進行細部設計修改,使之具備A-GPS解算能力。不過由於複雜的運算交由伺服器代勞,所以GPS接收裝置完成座標定位的速度便快了許多。  

一般而言,A-GPS的工作模式分為兩種:一種方式是由A-GPS伺服器負責完成位置解算,內建GPS的行動手機在發話時將所處環境當時接收的GPS訊號,傳至行動電話系統的A-GPS伺服器,藉由伺服器快速運算能力完成解算,並將座標值傳回GPS行動電話手機,或視需要傳至911勤務中心;另一種工作模式,則是由伺服器傳出衛星星曆(Almanac)資料、軌道參數(Ephemeris)等相關數據資料,提供GPS接收裝置完成定位解算。  

A-GPS平台解決方案一應俱全  

隨著A-GPS愈受重視,各項平台的解決方案也陸續問世。目前通訊晶片廠商開發出的A-GPS產品,已有40多家廠商採用,全世界使用的手機機型不下250種,手機數量更達1億5,000萬支。  

隨著應用的多元化,通訊晶片廠商更直接將無線傳輸數據機及射頻晶片整合,完成了各種或數種合成通訊平台的晶片,以滿足GPS衛星資料快速蒐集與定位、導航中同時通話、導航功能強化、多媒體影音及共用射頻電路等產品開發的需要。目前已知的平台如下:  

.CDMA2000  

.CDMA2000/GSM/GPRS  

.WCDMA(UMTS)/GSM/GPRS  

.WCDMA(UMTS)/GSM/GPRS/EDGE  

.WCDMA(UMTS)/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE  

.WCDMA(UMTS)/HSDPA, GSM/GPRS/EDGE  

.WCDMA(UMTS)/HSDPA, GSM/GPRS/EDGE, HSUPA  

.CDMA2000, WCDMA(UMTS)/HSDPA, GSM/ GPRS/EDGE  

即時交通資訊將刺激GPS手機市場  

為提升GPS的應用,另有其他技術帶來資訊的普及。如廣播資料系統(Radio Data System, RDS)副載波頻段就是各廣播電台調頻(FM)波段中特別定義的一個波段。而交通訊息頻道(Traffic Message Channel, TMC)則是RDS多項應用中的一項特定項目,目的是廣播即時的交通與氣象訊息。  

TMC的基礎運作概念是將數據訊息在聽不見的情況下傳送與接收,而搭載有TMC解碼器的汽車音響與導航系統就會進行解碼,並呈現給用路人。其最大特色是能將路徑上發生的路況進行即時監控,做出警示或修正路徑的建議,讓用路人最為受益。  

目前歐洲市場上出現的智慧型手機已內建有GPS及RDS-TMC訊號接收解碼晶片,可以接收這種訊息。對於一般的PDA/PPC使用者,經由藍牙外接的GPS/RDS-TMC合成設備也可以享受動態道路引導的便利。  

不過,RDS-TMC整體系統運作牽連極廣,如交通監控系統、道路救援服務公司、用路人通報之交通流量、事故通報、氣象等相關訊息,被交通資訊中心蒐集後,會全部傳給TMC交通資訊服務單位或業者,而系統會根據ALERT-C編碼協定,產生適於廣播傳輸的TMC訊息,再送至當地的調頻廣播電台利用RDS 編碼器轉換訊號後發送。  

一般而言,事件經通報後約經30秒處理時間,便能呈現給用路人參考。在歐洲多數國家TMC訊息的提供是免費的;在美國與英國,一年的訊號接收使用費約60美元。澳洲從今年起開始了TMC的服務,在台灣還未聽說有跟進的計畫。  

參加RDS規格制訂的歐洲18個創始國家中,奧地利、比利時、丹麥、芬蘭、法國、德國、義大利、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典、瑞士與英國等已開始播送RDS-TMC。捷克、匈牙利與葡萄牙也將加入廣播服務的行列。  

GPS手機增添運動休閒  

趣味性  

GPS同時也延伸出一種世界性的藏寶尋寶遊戲,並在2000年開始起了一些變化。藉由網路、GPS衛星定位、行動電話的普及與協同使用,越來越多人投入這項目前定名為Geocaching的遊戲。任何人都可在世界各地置放所謂的「寶物」,並將置放點的GPS座標公告於網站,以利他人尋找。  

電信業者、GPS製造商、手機製造商均已聯合開發產品與加值服務,便利這些玩家進行遊戲。目前網站上已登錄數十萬件的「寶物」,它們分散在全世界210個國家,每天都有上萬件被尋獲的紀錄,這些數字還持續增加中。用搜尋引擎搜尋關鍵字Geocaching,可以進入網站了解遊戲玩法,並加入遊戲行列。經查詢得知目前在台灣的藏寶紀錄僅有105件,可見這項遊戲在台灣還在啟蒙階段。從事測量的專業人士經常上山下海,若能在測量點附近依遊戲規則,順道置放一些寶藏,確實可以增添許多樂趣。此外,手機若配有GPS與照相功能,能將照片註記GPS座標與時間,將更能為遊戲增加趣味與價值。  

GPS手機可望大放異彩  

過去行動裝置技術與產品尚不成熟,在室內、車內、高架道路底層,行動電話可以發話的環境,由於GPS訊號微弱,GPS接收裝置無法獲得定位,使得以位置資訊為基礎的加值服務(Location Based Service, LBS)變得不可行,但A-GPS系統解決了這項難題。它除了協助報案外,也可讓行動電話業者為其客戶提供道路上的轉彎引導、推銷臨近特色或優惠商品,這些都是LBS可帶來的便利 。  

未來的GPS手機可能具備幾項功能,諸如將目前所在地點或預計前往地點的位置座標用文字簡訊傳到手機;而手機能根據簡訊所收到的目的地座標規畫出行走路線;或是具有電子羅盤功能,即使沒有電子地圖,都可提供指引;依發話所在地下載當地的地圖畫面等,都是可以預期的新興功能。  

而不同產品也有不同應用,如簡單型GPS手機可以提供孩童行蹤查尋的服務,讓為人父母者利用手機或上服務網站,確知孩童目前所在位置。有關孩童使用的 GPS手機,基本上功能是簡單的,它可被設定發話額度、被允許撥出的電話號碼、可以發話的時間。至於功能完整型GPS手機除滿足商務的需要外,還具備接收 TMC即時交通資訊的功能,配合外加的電子地圖與導航軟體,且可以動態調整行車路線以避開擁塞或施工封閉的路段。  

總之,GPS行動手機的功能組合可以是多元的,以現今的技術與未來可獲得的交通服務資訊來看,將所有功能整合在一起確實有其必要性(圖1)。  

(本文作者為建國科技大學電腦與通訊工程系系主任)  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌73期3月號)  

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