近年來，GPS在消費性電子與通訊電子領域不斷拓展其市場，智慧型手機自今年起大量整合GPS功能，iSuppli預測到了2011年，幾乎所有的智慧型手機都將整合GPS功能。愈來愈多的手持裝置包括Netbook、MID甚至是數位相機，同樣強調支援GPS的定位功能。

消費電子產品市場主要偏重在導航與位置服務（LBS）等定位應用。另有一個定位追蹤應用的新興市值得注意。常見的是對人或資產的安全或防盜追蹤，在對人的追蹤應用上，主要針對老人、小孩及病人等特定對象，透過專用的GPS追蹤器（GPS Tracker），可以隨時回報使用對象的位置、按下緊急按鈕時則可傳送警示訊息及位置資訊，或啟用專線通話功能。當然，追蹤對象也可以是犯人或任何個人。

《圖一　Location Based Technologies公司的定位產品PocketFinde採用u-blox的軟體GPS與GSM方案，口袋大小，可用來追蹤人或寵物》

另一個極受重視的應用，即是對重要資產的監控與防盜功能。這項應用最早用於汽車市場，例如各大車廠為出廠汽車所提供的失車尋回功能。目前手機中也開始提供此項服務，最有名的即iPhone所提供的“Find My iPhone”功能。一旦iPhone不慎遺失，使用者可透過Mobile Me服務中的Find My iPhone功能來傳送一個訊息給自己的iPhone，並強迫iPhone發出聲響，同時傳回iPhone當下所在的位置，甚至可以從遠端下指令將手機的資料清除，以免重要資料外洩。

前不久一名芝加哥的iPhone用戶，即成功利用此功能尋回自己的iPhone，讓小偷大為吃驚。很顯然地，每個人身邊都有一些重要的隨身資產，除了汽車、手機，還有筆電、自行車、名牌皮包、寵物等等，相信很多人都有遺失或失竊的心痛經驗，例如愈來愈多人喜歡騎自行車，但即使上了鎖仍很容易遭竊，若能在出廠時即在支架中加裝GPS追蹤器，尋回愛車的機會就大幅增加。

這些資產都是GPS追蹤器的潛在市場，未來的應用成長必然相當驚人。然而，GPS追蹤器的應用不僅止於消費性的應用，還有更大的商機在於公共運輸、工業、公共環境、醫療、研究等用途。舉例來說，車隊管理就是最常見的應用，為公車、計程車、砂石車等加裝追蹤器，即可管控車隊的行程。在生態研究上，也可為野生動物掛上追蹤器來了解其移動作息狀況。

重要資產的監控與防盜功能也受到重視，汽車是最早的應用領域，目前手機中也開始提供此項服務，最有名的即iPhone所提供的Find My iPhone功能。除此之外，GPS追蹤器可應用於公共運輸、工業、公共環境、醫療、研究等用途。

《圖二　台北市公車動態資訊系統入口網站：GPS/GPRS結合的實現》

GPS追蹤器設計關鍵

就GPS追蹤器的設計上，要實現行動追蹤的能力，有兩大關鍵，一是GPS定位，一是透過行動網路回傳定位資料。因此，一台GPS追蹤器的主要組成單元為GPS接收器和行動數據機，這兩者往往就佔系統近8成的成本。如何提升定位性能和傳輸可靠性、延長電池壽命，以及降低系統成本及設計複雜度，則是GPS追蹤器需考量的設計重點。

提升定位靈敏度

PND的導航運用上以室外環境居多，因此多著重定位時間（TTFF）及準確性的設計要求，對於靈敏度（sensitivity）的能力反而沒有那麼重視。不過對於個人或資產的追蹤用途來說，被追蹤對象經常會進出室內或天空有遮蔽的環境，這時一般靈敏度不高的GPS接收器立即失去定位能力，追蹤器可能馬上失效。即使轉為基地台三角定位，但因誤差範圍大，追蹤上的可用性較低。

晶片架構及演算能力是決定GPS接收器靈敏度的關鍵。衛星傳輸的功率輸出大約是30 W，而高度為離地表2萬公里。當我們在開放空間（Open sky）的室外接收時，其訊號強度已衰減到大約-120 dBm（1×10～15W）；當移動到有遮蔽的環境中，大概還要加上20～30dBm的衰減。因此，一般達到-145dBm的GPS接收器仍無法滿足追蹤器的需求，目前廠商已可做到-160dBm的靈敏度。

以u-blox的AMY模組為例，已可以做到-160dBm的靈敏度。這個程度的靈敏度能大幅改善追蹤器的使用範圍，即使處於室內，只要近門窗邊，追蹤器仍能正常的工作，這讓小孩、老人、病人或貴重資產的看護、追蹤能夠更為完善。當然，如果對象移動到離窗戶很遠的室內、地下室或進入隧道中，由於GPS訊號已衰減太多，那就很難再進行定位。

支援A-GPS輔助定位

一般採自主定位（Autonomous Positioning）的GPS裝置必須要在訊號條件佳的開放天空中接收到4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。因此，在冷啟動（cold start） 的條件下，定位成功的時間（Time to first fix；TTFF）往往需要30秒到數分鐘的時間。

要加速GPS追蹤器的定位速度，最好的方式是支援A-GPS服務。此作法是預先為GPS接收器提供需要的衛星訊號，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。如此一來，GPS接收器可跨過這些資料的接收瓶頸，進而加速定位的時間，一般可以做到1秒鐘即定位完成。請參考圖一所示。

《圖三　冷啟動時，具有Ephemeris或差分Almanac修正資料的A-GPS終端器能快速的定位 》 資料來源：u-blox

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（Off-line 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。u-blox也對此提出AssistNow Online和AssistNow Offline的解決方案，其中AssistNow Online強調提供連線品質的保證，而AssistNow Offline則透過專屬的AlmanacPlus®演算法來提升軌道預測的準確度，有效時間也能延長到14天（一般離線方案的有效時間只有5～10天）。

提升行動數據機可用性

GPS追蹤器的定位資料需靠行動數據機（及無線通訊收發器模組）發送出去，運用的行動網路可以是GSM、GPRS、3G或HSDPA/HSUPA等系統。由於資料量並不大，一般以GSM或GPRS系統即可滿足。對於GPS追蹤器來說，其行動數據機的選擇上需評估各種支援能力，包括多頻支援、語音支援、AT Command支援等。採用GSM系統是以簡訊方式發出，在數據傳輸時採用與語音相同的電路交換方式，需要預先建立從發送端到接收端的持續連接，在通信過程中無論有無數據傳出，始終獨佔著信道。GPRS則是基於封包交換的一套無線數據傳輸方式，可以在不浪費網路資源的情況下實現較高速的數據傳輸。

以u-blox的LEON模組為例，它能支援850/900/1800/1900 MHz四個頻段、HR/FR/EFR/AMR語音功能，以及AT Command的標準及延伸介面（UDP/IP、TCP/IP、GPS、Aiding、ADC、GPIO等），同時也支援SMS短訊及電路交換資料（Circuit Switch Data, CSD）等功能。

《圖四　GSM/GPRS收發器模組架構（以u-blox LEON為例） 》 資料來源：u-blox

進一步來看，因應用的不同，追蹤器對數據機的要求也會不同。在基本的運用上，數據機只需提供標準的資料通訊（如UDP/IP和TCP/IP堆疊），以及類比音訊功能，並透過UART進行韌體升級。如果傳輸的資料量較大，也可選擇支援FTP、HTTP、SMTP等網路功能的方案。

其他的選擇要領包括小型化、低功耗、符合電信規範等。在封裝上採用表面黏著技術（SMT）可做到佔位面積很小的目標，這是因為SMT焊墊（pad）只在封裝的兩側，與球閘（Ball-Grid）或柵格（Land-Grid）陣列方案相比，不但安裝簡單、PCB佈局成本較低，同時可簡化品管作業。

低功耗表現

GPS追蹤器除強調小型化的可攜性外，也要求長時間的電池使用壽命，因此GPS接收器與行動數據機的功耗表現是重要的評估關鍵。對於GPS接收器而言，基頻和射頻單元所需的最低運作電壓並不相同，因此分別提供電壓源能有效降低功耗。

以u-blox的GPS模組（AMY）為例，它讓系統能為基頻及射頻分別提供1.4 V及1.8 V的電壓源，因而能達到僅64 mW的追蹤功耗表現；如果提供1.8 V單一電壓源，模組的功耗為72 mW，3V的功耗則為120 mW。在數據機方面，以LEON模組為例，待機時做到只有小於1.6mA的電流損耗，即使在GPRS的通訊工作中，也能保持小於350mA的損耗。

GPS與數據機的整合規劃

一般GPS追蹤器的作法會將GPS接收器和GSM/GPRS收發器模組分別接到微控制器（MCU），兩者之間獨立作業。不過，當追蹤不到目標時，這種作法容易造成GPS定位失敗或GSM斷訊的責任不清問題。此外，其運作上需佔用較多的微控制器運算資源，也需用到較多的傳輸介面。因此，GPS接收器與GSM/GPRS收發器模組的整合會是更理想的設計架構。

在整合型的架構中，微控制器透過GSM/GPRS收發器模組與GPS接收器溝通，也就是GPS接收器定位後的NMEA訊息資料會經由收發器模組傳送給微控制器，因此微控制器只需以一個UART介面與GSM/GPRS收發器模組相連即可，而收發器與GPS接收器則透過簡單的I2C（DDC）介面結合在一起，請參考圖三。

《圖五　GSM/GPRS收發器模組與GPS接收器整合架構 》 資料來源：u-blox

在此架構下可以省下從GPS接收器到微控制器的UART介面，並重覆使用現存的語法分析器（parser）。對於GPS的控制則可採用標準或延伸的AT Command指令。AT command是當數據機處於指令態時，由資料終端設備（Data Terminal Equipment；DTE）送給資料通訊設備（Data Communication Equipment； DCE）的一串文字，透過AT Command指令集可以進行控制及資料傳輸。

除了GPS接收器及行動數據機外，GPS追蹤器的架構中需整合對A-GPS的支援，才能得到令人滿意的表現。圖四為整合u-blox AssistNow A-GPS功能的追蹤器架構，當微控制器啟用AssistNow功能，LEON收發器模組會自動下載A-GPS的衛星定位輔助資料，並自動將資料提供給u-blox 5 GPS接收器。此架構能夠提供更佳的GPS表現和更快的TTFF；對於微控制器來說，不需佔用微控制器的運算資源，也不用為整合A-GPS而投入軟體開發的人力。

《圖六　整合u-blox AssistNow A-GPS功能的追蹤器架構 》 資料來源：u-blox

結論

GPS追蹤器是一項應用廣泛且商機龐大的新興產品類型，舉凡對小孩、老人、病人等特定對象的看護追蹤；汽車、手機、自行車、名牌皮包等重要資產的防盜追蹤；或車隊管理、野生動物研究等特定追蹤計畫，都是GPS追蹤器的目標市場。

然而，有別於導航應用，追蹤器經常被使用於衛星訊號較弱的環境，因而必須在定位能力及通訊整合上有更高的要求。GPS接收器靈敏度的提升，是讓突破今日追蹤器使用限制的一大關鍵，當靈敏度提升到-160dBm左右時，即時小孩在教室中，或老人在狹窄的巷弄中，也能夠有效的追蹤到他們的位置。

追蹤器內的核心模組為GPS接收器與行動數據機，過去在設計上常需投入相當資源進行整合開發，但使用時仍經常會發生不明斷訊的問題。為了解決這個瓶頸，u-blox提出GSM/GPRS收發器與GPS接收器的整合架構，讓兩者緊密地一起工作。如此一來，不僅能簡化設計、減低主處理器的工作負擔，也能自動支援A-GPS服務，提升追蹤器的定位速度。這種GPS、GSM/GPRS與A-GPS的整合設計，將是GPS追蹤器未來在設計上的必然趨勢。

（作者為u-blox台灣分公司產品應用工程師）