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令人無所遁形的全球衛星定位系統
 

【作者: 張皓明】   2000年02月01日 星期二

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在去年的一部好萊塢賣座電影「全民公敵」中,有一段描述飾演律師的男主角威爾史密斯被情治單位利用衛星監視,無論他在大街小巷怎麼閃躲逃逸,仍然無法擺脫對方的追捕。相信這段令人神經緊繃的精彩情節觀眾們一定難以忘懷,同時也不由自主的聯想到:在現實生活中,是不是有人也在監視自己呢?這個問題或許無法在此討論,不過這樣的利用衛星來追蹤,就技術層次而言,絕非難事,因為它所仰仗的就是全球衛星定位系統(Global Positioning System;GPS)。過去國人對全球衛星定位系統這個名詞的印象,往往只出現在一些非常特殊的領域,比如說民航機、遠洋船舶的導航系統,甚至前述的軍事情治單位監控等,與一般人並沒有太大的關係,事實上,它已逐漸進入你我的日常生活之中。


何謂GPS系統?

GPS的全名為NAVSTAR(Navigation Satellite Time and Ranging) GPS,是美國國防部於1970年代為了軍事用途而開始發展的,現在已慢慢跨入商業用途的範圍。它是利用在離地面約二萬零兩百公里高的軌道上運行的人造衛星群所發射出來的訊號,以三角測量原理計算出收訊者在地球上的位置。整個GPS系統可分為下列三部份(圖一):


《圖一 全球衛星定位系統》
《圖一 全球衛星定位系統》

1.太空部份-人造衛星群

GPS一共使用24顆運作衛星,以四顆一組分別運行在六個傾斜角度為55度的軌道面上;另外還有3顆備用衛星。每顆衛星每天繞行地球兩次,使得地球上任何地點在同一時間都至少有四顆衛星在空中提供定位訊號。


2.控制部份-地面控制站

用以追蹤並監控的地面控制站,在全球共有五處,分別為太平洋地區的Hawaii及Kwajalein,印度洋地區的Diego Garcia,大西洋地區的Ascension Island等四座無人監測站(Monitor Stations),以及設於美國科羅拉多州Colorado Springs的Schriever Falcon Air Force Base之主要地面控制站(Master Ground Station)。另外還有四座大型衛星天線站,亦可對衛星進行監測。


3.用戶端部份-GPS接收機

GPS接收機是在GPS系統中一般使用者唯一會接觸到的設備。它會依不同的應用而以各種型式出現,如汽車,航空器,船舶等導航設備,或是個人手持式定位系統等。主要的功能在於接收由GPS衛星所傳來的衛星所在位置,送訊時間,運行速度等資料,並用以計算出接收機所在之位置。


接收機的架構雖然依其用途與廠牌而有所不同,基本架構則是大致相同的(圖二)。而其主要的構成元件可分為下列四類:



《圖二 GPS接收機基本架構》
《圖二 GPS接收機基本架構》

˙IC:包含RF、DSP、16/32-bit Microprocessor、Memory、Real-time Clock、LNA(Low Noise Amplifier)、Display Driver、Memory Interface Logic


˙Crystal Oscillators


˙Keyboards


˙Displays


目前全球主要的GPS IC製造商有Rockwell、Trimble、Motorola、Siemens、SiRF等十多家公司。這些製造商逐漸將各種IC加以整合,推出相關的晶片組,這也是GPS零組件中的最大宗。根據Forward Concepts的資料顯示,GPS IC的市場將由1999年的483百萬美元急速成長到2003年的1651.6百萬美元,非常驚人(圖三)。


《圖三 1998-2003年全球GPS IC產值》
《圖三 1998-2003年全球GPS IC產值》

由於美國擔心GPS被恐怖份子所利用,特地將「選擇性可用度(Selective Availability;SA)」加入訊號,在使用時有95%的機會產生100公尺甚至更高的誤差;不過美國國防部預計在公元2005年停止使用SA來干擾,屆時GPS的準確度將大幅提升。在此之前,民間嘗試使用不同的方法來降低這個誤差,目前最普遍的是差分GPS(Differential GPS; DGPS),它可以將精準度提高,誤差可降低至10公尺以內。


類似相關的系統

由於GPS系統的衛星群與地面監控站都是美國政府所有,為了希望能夠不受制於美國,世界各國也有發展類似於GPS的衛星導航系統,目前有俄國的GLONASS系統與歐洲的Galileo系統。


GLONASS

Global Navigation Satellite System(GLONASS)是由前蘇聯所發展的,其概念與GPS相當類似。從1982年發射第一顆衛星升空之後,到1996年初一共發射了二十四顆衛星。這些衛星分成八顆一組,分別運行於三個不同的軌道面上。軌道面傾斜角度為64.8度,軌道距離地面約25,440公里。其中有兩顆衛星於1996年退役,因此只剩下22顆在運作。GLONASS的地面控制中心(Ground Control Center)在莫斯科,四個監測站分別在St. Petersburg、Ternopol、Eniseisk以及Komsomolsk-na-Amure。但由於蘇聯解體後,俄國的經濟狀況每況愈下,使得GLONASS系統之維護與更新的經費都大受影響。由於可靠度不高,在全球的衛星定位實際使用上大都是將GLONASS當作GPS的輔助系統,單獨使用GLONASS系統的情況則不多見。


Galileo

1999年2月,歐洲委員會(European Commission;EC)有鑒於美國的GPS系統和俄國的GLONASS系統兩者都是軍民兩用的系統,當在牽涉到國家安全時民用部份就會受到影響(如波灣戰爭時期民用GPS接收機經常斷訊),因此提出計畫要發展一套開放、獨立,但相容於現存的GPS與GLONASS系統的全球衛星定位系統-Galileo。這個計畫的經費由歐洲委員會與歐洲太空總署(European Space Agency;ESA)共同籌措,民間則有Alcatel Space、Alenia Aerospazio、Dornier Satellitensysteme GmbH與Matra Marconi Space等公司參與,目前正進行到設計階段(Design Phase)。Galileo系統將使用二十四顆以上的中軌衛星與同步衛星,預計於2005年開始提供服務,屆時將成為第一個沒有軍方色彩的商用全球衛星定位系統。


應用範圍與市場現況

依據美國ITA,Office of Telecommunications的資料顯示,全球GPS產品之市場銷售額由1999年的6,065百萬美元逐年成長,到2003年時將達16,415百萬美元(表一)。而各分類產品銷售額(如圖四)依序為:




《表一 1998-2003年全球GPS市場銷售額》
《表一 1998-2003年全球GPS市場銷售額》

1.汽車衛星導航(Car Navigation)


2.消費性產品(Consumer)


3.位置定位(Mapping)


4.追蹤(Tracking)


5.原廠委託代工(OEM)


6.航空(Aviation)


7.航海(Marine)


8.軍事(Military)


由這個資料可以看出GPS的應用項目。其中前四大項目與一般大眾日常生活有關,佔了85.4%,到公元2003年更高達89.1%。而原先最早促成GPS開發的軍事用途所佔的比例是逐年下降,甚至不到2%。由此可見,GPS的應用與消費大眾的關係日益密切,GPS漸漸融入民眾的日常生活之中。


「汽車衛星導航」所佔的比例向來都是位居第一,這是因為它是現今發展最成熟的GPS應用系統,而且在日本非常風行的緣故。這個現象同樣出現在台灣,目前市面上商用的GPS產品也是以汽車衛星導航系統為主。「消費性產品」則包括了用於野營,登山,海釣等戶外活動使用之手持式個人衛星定位系統,以及與各種消費性電子產品結合的衛星定位系統。這類產品在注重休閒生活的先進國家相當暢銷。在「追蹤」這個項目中,由於美國E-911法令的要求使得行動電話必須開始具備GPS功能(詳見本文「未來趨勢」中之第3點),使得它所佔的比例從1999年的11.9%躍升至2003年的18%(圖四)。


《圖四 1999年及2003年全球GPS市場銷售額各產品所佔比例》
《圖四 1999年及2003年全球GPS市場銷售額各產品所佔比例》

至於國內方面,根據工研院電通所產業資訊部的研究指出,1999年我國GPS相關產品產值約為新台幣六十六億五千萬元,較1998年的五十二億元成長28%,與全球GPS市場同步成長,在我國通訊產品產值排名中也從第六名上升至第四名。從上游的GPS晶片設計與製造到下游的GPS應用,國內總共約有二十家廠商投入。國內廠商優異的生產技術與製造能力,已經使得台灣成為手持式全球衛星定位系統的生產重鎮。由於國內的GPS市場處於萌芽期,需求量不大,因此國內GPS廠商仍以外銷為主,約佔總產值之99%。


未來趨勢

1.產品體積逐漸縮小

由於單晶片系統(System On a Chip;SOC)的趨勢,使得GPS晶片組不論在體積縮小以及降低耗電量上都有極大的突破。在1999年8月,由國人胡國強在矽谷成立的美商瑟孚科技(SiRF International)向全世界發表了該公司最新發展的半導體架構技術,能夠將GPS晶片模組的尺寸縮小到郵票一般大小,同時還提高了準確度。一個多月之後,另一個郵票尺寸大小的GPS接收機(GPS Receiver)晶片模組由IBM、Leica Geosystems及Sierra Monolithics三家公司共同開發成功,而這種運用IBM的SiGe製程所製造的晶片模組的耗電率只有傳統晶片模組的三分之一。由於這些技術使得將GPS功能加入其它產品的可行性大增,如腕錶、大哥大手機、PDA等等,因此這類技術進展對GPS相關產品體積的縮小有相當大的助益。


去年六月日本卡西歐(Casio)公司所發表的全世界第一隻內建GPS功能的原型手錶Pathfinder PAT1GP-1(圖五)就是一個很好的例子,它已經將GPS接收機成功地與電子錶整合在一起。輸入經度與緯度,在有限的顯示幕中已經可以做到位置定位、導航等功能。


《圖五 CASIO Pathfinder PAT1GP-1》
《圖五 CASIO Pathfinder PAT1GP-1》

2.與日常生活的結合日趨緊密

隨著科技的進步,人們除了使用準確的鐘錶來滿足對時間精準的要求之外,對所在位置的精確度要求也日益提高。有三個因素會強化人們想要「知道自己身在何處」的想法:第一,增進日常生活的便利性。由於交通的便利,人們前往從未去過的地方的機會越來越多。當到達一個陌生的地方時,除了地圖之外,最需要了解的莫過於當時的所在位置之資訊。目前市面上的手持式GPS接收機及汽車衛星導航系統都是因應這個需求而產生的。


第二,由於醫療科技的進步,人類平均壽命不斷延長,高齡化社會已經發生在大部份的國家。根據聯合國的資料顯示,已開發國家六十歲以上的老人佔人口的比例,於公元兩千年將達高百分之二十以上。針對為數日漸龐大的銀髮族,產生了許多新的特殊需求,其中一項最重要的是其個人的安全保障,而GPS即時提供所在位置的資訊對於銀髮族在發生危難時的呼救是絕對必要的。


第三,在重大災害發生時,對受困民眾的所在位置進行快速而準確的定位是救援成功的重要關鍵。以這次九二一大地震為例,不論是被困在瓦礫堆或困在山區的民眾,若有GPS的協助來爭取搶救的第一時間,相信一定能將死傷的人數大為減少。因此民眾在日常生活對GPS的需求絕對是有增無減的。


國內第二大IC集團聯電集團與國際知名的組合國際電腦公司(Computer Associates International)於1999年8月宣佈合資籌組OmniTrack公司,運用雙方在晶圓製造與軟體系統開發方面的專長,發展新一代的GPS應用平台。OmniTrack公司所要發展的新一代智慧型定位回報(Intelligent Location-Awareness)應用開發平台,將使GPS廠商能開發出功能更完整的應用系統,提供給消費大眾各種不同的便利服務,使得GPS成為民眾日常生活必備的工具。


3.成為未來行動電話的重要功能之一

這點是專家們預期GPS市場即將快速起飛最重要的因素之一。根據美國官方的統計研究,全美每天透過行動電話打911(即國內的119)求助者大約十萬人左右,而其中有約30%係無法確認來話地點與來話電話號碼。有鑑於此,美國聯邦通信委員會(FCC)公佈E-911(Enhanced-911)的法令來解決這個嚴重的問題。FCC允許行動電話業者採取以修改行動電話網路為主,或是修改行動電話手機為主的兩種途徑來符合E-911的要求。E-911分為兩個階段執行,在1999年9月中對第二階段之規定的最新修定版本中,要求選擇以修改手機來符合E-911要求的行動電話業者從公元2001年三月前要開始銷售具備GPS功能的手機,十月時要有50%的行動電話用戶已使用具備GPS功能的手機。


而其準確度的要求為能對67%打911緊急呼救的發話者提供其位置,誤差範圍為半徑五十公尺,而對95%打911緊急呼救的發話者位置的誤差範圍為半徑一百五十公尺。由於這項法令的制定,亦促使了許多行動電話手機業者如Nokia、Ericsson等公司都開始發展相關的產品。雖然這項E-911法令效力僅限於美國國內,但對它所要解決的問題之需求是不分疆界地域的,因此世界各國的相繼跟進是可預期的,GPS勢必成為行動電話的重要功能之一。


去年十月於日內瓦舉辦的Telecom 99電信展中,芬蘭Benefon公司推出該公司所發展之全世界第一部具備GPS功能的900/1800雙頻GSM行動電話「Benefon Esc!」,它非常地輕巧,體積為129x49x23mm,重量更只有150公克,待機時間也在一百小時以上,幾乎是無可挑剔。它除了具有個人導航功能之外,還可當個人記事本(Personal Organizer)使用。為因應未來行動數據的需求,此手機已內建14.4kbps數據機。這項產品已為將來的行動電話提供了一個很好的範例。


結語

隨著GPS的日漸普及,在我們的汽車上、手錶裡、PDA中、筆記型電腦內都將逐漸配備GPS接收機,提供不同的服務。全球衛星定位服務將如同電力、自來水、電話等公用事業一般,在你我的周遭唾手可得,成為我們工作上與生活上不可或缺的一環。(本文作者任職工研院電通所分析師)


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