GPS打开手机定位市场的一片天

在法令与市场应用需求浮现的状况下，由GPS延伸的位_服务（Location-base Service；LBS）重要性跟着水涨船高。虽然现在仍处于起步的阶段，但预计全球使用位置服务的用户到今年可望发展到3.93亿户，占全球行动用户总数的54％。

从1973年美国国防部开始制定全球定位系统（Global Positioning System；GPS）计画后，历经了整整二十年的时间，才架构起二十四颗卫星（二十一颗工作卫星，三颗备用卫星）的全球GPS网路，能提供全方位的即时导航和定位能力。在布置完成之初，一直都是由军方或国家量测单位在使用这套系统，即使对民间开放，定位的精确度也相当有限，但随着技术的进步及市场民情的需求，GPS的应用不断地拓展，目前已在个人化、生活化的大众化市场取得一席之地，如(图一)所示。

《图一　GPS可运用在很生活化的找朋友定位应用上》

 
美国政府已宣布今年底以前，所有大哥大都要具备「行动定位」功能，当使用者在紧急危难时，凭手机拨出的讯号就能显示所在位置协助搜寻。美国FCC是在1996年时，有鉴于求救电话的激增与急难救助的需求浮现，因此提出了E911（Enhance 911）法令，要求美国境内的行动电话业者需分阶段完成行动定位设备的建设工作，以便能利用行动电话来协助警消与医疗救援机构强化对民众的人身与财产安全的保障，例如在紧急救难时靠手机发出讯号，透过卫星就能回传定位找到受灾者的下落。

在这个法令的刺激下，加上市场其他的应用需求浮现，由GPS延伸的位_服务（Location-base Service；LBS）重要性跟着水涨船高。虽然现在仍处于起步的阶段，但据Strategy Analytics在2003年针对欧洲行动电话使用者的调查显示，45％的使用者希望行动电话有定位导航功能。预计全球使用位置服务的用户到今年可望发展到3.93亿户，占全球行动用户总数的54％；2005年行动网路上的位置服务，在西欧的收入预计可达90亿美元，在美国预计收入可达65亿美元。

以美国的Nextel来说，早在2002年10月即已推出首款具有GPS功能的手机──i88s，目前该公司的所有手机都有GPS的功能，能提供包括下载个人导航地图、快速跟踪和供应链管理等服务。其他各国电信业者在LBS上的服务内容，如(表一)所示。

日本 NTT DoCoMo 的I-Area服务 提供诸如天气预报、地图、交通、当地指南等业务　 KDDI推出基于CDMA 1X的EZnavigation,，GpsMap服务 包括地图功能、美食指南、通信服务、交通资讯、天气预报、紧急资讯等，已有100多万用户　 PHS网路的PDoCo 寻人服务韩国 韩国SKT和KTF分别推出基于A-GPS的位置服务 提供诸如位置导航、找朋友、提供附近餐厅、医院、优惠卷等服务新加坡 SingTel推出基于cell-ID的位置服务 提供包括公共设施功能表、银行服务、休闲娱乐、商店、房?、交通等服务欧美 政府 要求各大营运商需供供类似E-911计画要求的紧急位置服务　 AT&T 找朋友　 Orange 多媒体位置服务         52RD.com

表一　各区域LBS服务提供现况

LBS的服务型态与精确度

LBS是透过一组定位技术获得行动终端的位置资讯（如经纬度座标资料），提供给行动用户本人或他人以及通信系统，以实现各种与位置相关的业务。手持终端的LBS应用范围很广，可以基于话音、短信、WAP、Java/BREW和多媒体短信/邮件向大?用户提供各种服务，包括资讯查询、地图服务、手持终端的导航、弱势群体的跟踪或对老人和儿童的区域警告等。

以这些服务与应用的类型来说，可以分为用户主动请求LBS服务资讯，以及由系统业者根据特定条件，主动向行动终端推送LBS讯息。要达成LBS的服务，又可以分成两个面向，一是位置的取得，二是资讯的提供，由于这两者的技术差异甚大，在标准化的工作上是由不同的组织在分头进行制定。

(1)位置的取得：这属于定位技术的标准，目前主要在3GPP和3GPP2中进行标准化工作。至于相关用户在业务层面的认证授权、业务漫游以及隐私管理等内容的标准工作，目前主要是在开放行动联盟（Open Mobile Association；OMA）中进行，但由于3GPP和3GPP2在OMA中对LBS的流程、网路结构等方面存在分歧，所以标准化的进度可能会放慢。此外，两个组织的分工并不是相当分明，在3GPP2中实际上也在做与OMA相同的工作。

(2)资讯的提供：提供地理资讯层面上的标准工作，目前主要由OGC负责制订，并且已经基本上完成除导航服务之外的其他业务。

在LBS服务中，定位精确度是不可忽略的一项参数指标，影响精确度的问题除了本身所采用定位技术的影响外，由于地理资讯而来的定位系统误差是决定系统精确度的直接原因。在现阶段各种定位系统中，系统误差由以下几部分组成：定位技术绝对误差，即由系统所采用的定位技术决定；地理座标系精确度误差，即由所采用座标位数决定；投影误差，即由实际区域映射投影所?生的位置偏移；比例误差，即由应用服务所采用的服务比例?生，如地图比例尺；标识误差，即对定位目标的标识所?生的误差；随机误差，即随机?生，如无线电干扰等。

在实际应用中，上述各种误差均是带有方向性的向量误差，所以系统误差由上述几种误差综合作用形成，彼此消长。不过有时候并不是精确度越精越好，不同的应用对精确度的要求是不同的，如(表二)所示。

表二　LBS应用需求

行动定位服务虽然已经推出多年，但定位技术仍不算是发展到很成熟、方便的境界。要达到行动定位的目的，目前同时存在着多项技术方案，每种方案又各有其优缺点。主要可以分为以下四种技术方案，其在不同环境的表现比较如(图二)：

《图二　四种定位技术在不同环境之表现比较》
 
＜资料来源：Qualcomm＞

传统GPS接收器

传统的方式以行动终端的GPS接收器，直接经由每12小时环绕地球一次的二十四颗GPS卫星来进行定位。每颗卫星每天环绕地球两次，轨道高度?11000英里，而二十四颗卫星提供全球覆盖系统设计确保在地球上的任何地方、在任何时间都能看得见最少四颗卫星。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作?已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

此方案的好处是不需负担额外的服务成本，但缺点是它很容易受到环境的干扰，只要进入高楼林立的市区或墙壁隔绝的室内，卫星信号的接收表现就会急剧的下降。即使在空旷的区域，此方案的定位速度也相对较慢，精确度也较低。

行动网路系统定位

另一个作法是直接透过行动网路系统来做定位，基于行动网路的解决方案依赖于从行动台（Mobile Station；MS）到多个基地台（Base Station；BS）的信号转发，其中行动台指的就是手机等行动设备。这类的主要标准化技术很多，包括小区ID、增强测量时间差（E-OTD）和到达时间（TOA）或TDOA（OTDOA）等定位技术。有的技术需要增加对应的硬体（如TOA），有些不用（如E-OTD），其中小区ID技术是根据行动台所处的小区ID号来确定用户的位置，其好处是无需对手机和网路进行修改，可以适用于任何行动网路中，而且回应速度很快，通常首次定位只需一秒钟，但缺点是定位较不明确。

A-GPS辅助参数定位

第三种方法是采辅助GPS（Assisted-GPS；A-GPS）定位技术，即利用蜂窝网路提供辅助资讯来帮助卫星作?参考点进行定位，这是目前相当受到重视的一项技术方案。A-GPS是目前唯一通过美国E911规格的定位技术，Strategy Analytics预计至2008年A-GPS手机出货量将超过1亿5000万支。

A-GPS的定位过程为：A-GPS不仅在手机端接收定位资讯，在系统网路端所加装的GPS接收器也会接收定位资讯，并将此资讯传送至手机，此时手机再同时计算由网路端传来的辅助参数资讯与自卫星接收而来的讯号，从而获得准确的所在位置。

A-GPS定位技术直接改善了定位的可用性、灵敏性、精确度和定位耗时，具有比小区ID、E-OTD或TOA/TDOA/OTDOA更高的定位精确度。它能将开机第一次定位时间由GPS的60秒缩短为6到8秒，之后每次定位搜寻时间也从40秒缩短为0.1秒，精准度更是大为提升，从原本500公尺的范围，准确缩小到5到15公尺。

虽然手机内需安装A-GPS晶片才能执行此项功能，但利用辅助参数来提供终端对卫星的定位跟踪时所需要的资料，能够大幅减少终端运算上功耗，最多可以减少终端GPS晶片60％的功耗。

混合型定位方案

由于A-GPS的主要资料还是来自GPS，当在一些环境中（比如高楼间、室内、地下等）GPS无法发挥作用时，行动终端就得使用其他的网路定位技术，如Cell ID、AFLT（针对CDMA的E-OTD）等才能定位。因此，混合型的定位解决方案就是将不同的技术加以整合，提供一个更为可靠、灵活和稳定的解决方案。

混合技术最常见的实施模式是将A-GPS与小区ID组合在一起，增强了覆盖范围和平均定位精确度。A-GPS和小区ID的组合还整合了二者具有的漫游优势，可用于拥有大量传统手机用户的网路之中，其中小区ID可用作传统手机的定位技术，同时也可在A-GPS性能不佳的环境中使用。

《图三　混合型定位方案示意图》
 

＜资料来源：Qualcomm＞

GPS零组件关键厂商

在产品市场方面，市场上提供GPS相关产品的系统厂商相当多，但在关键零组件或模组上，仍存在相当大的门槛，能提供同时满足成本与功能需求的厂商仍屈指可数，以下介绍市场上三家主要的厂商。

SiRF

在厂商方面，除了Qualcomm以其在CDMA网路的权威地位，很早就推出gpsOne定位技术外，在GPS市场的另一个重量级厂商则非SiRF莫属。该公司也是从硅谷掘起的一家技术明星，从1995年成立后，即以其在GPS上的专业技术而不断地攻城略地，至今已掌握展频（spread-spectrum）、射频（RF）、半导体制程、软体等完整的技术。SiRF的主要产品线为SiRFstarII/III，涵盖基频晶片、射频整合电路、软体和工具组等，此外，该公司也提供纯粹IP的合作开发模式。

SiRF的成长极快，在今年第二季就已陆续进行两项收购计画，一项是在4月时收购了瑞典的Kisel，该公司是以硅锗BiCMOS、纯双载子（pure bipolar）和CMOS等各种制程进行射频开发工作，目前已经完成了在蓝芽（Bluetooth）、WiMAX、WLAN、W-CDMA、UWB和GSM/PCS/DCS等领域中的一些设计。

另一个收购案则展现了以小吃大的气势，该公司在6月以现金2000万美元收购了摩托罗拉的GPS晶片组产品线。该项交易还包括，SiRF将成为摩托罗拉的GPS技术首选供应商。此外，SiRF还购买了摩托罗拉正在开发的一些GPS晶片组，这让SiRF可望因这项交易而使其2005年下半年的销售额增加10％左右。

目前台湾推出GPS功能的系统厂商，有很多都是采用SiRF的晶片方案，例如神达（Mitac）最近推出的Mio169 PDA，就采用了SiRFstarIII；而华宝（Compal）推出的基于GSM/GPRS的A-GPS定位手机，其A-GPS技术也是来自SiRF。

Global Locate

在上述对A-GPS的介绍时，当行动终端进入室内这类隔绝性的环境时，该项技术的使用也会受到很大的限制，然而Global Locate这家公司的技术就以能打破这限制而受到瞩目。同样也是在硅谷起家的Global Locate，在1999年成立之初，是以提供行动终端GPS讯号处理技术为主，不过至今已将其产品扩及A-GPS网路基础架构产品和数据服务。

当GPS接收器在室内时，它几乎不可能从卫星得到资料，而单单靠A-GPS功能并不足以让GPS在室内工作，这需要使用到相关器（correlator）来侦测和量测编码的卫星讯号。也就是说，要让GPS在室内工作，除了A-GPS的数据外，还需要有大量的相关器来提供巨量的平行相关运算。

在室内的时候，虽然数据流和编码讯号在穿越建筑物时已变得很微弱，但由于这些讯号每百毫秒（millisecond）都会重覆出现，所以只要采用适当的硬体规划，GPS接收器就能在数秒内累积数千次讯号，在此作法下，即使室内讯号已比在室外时微弱数千次，但仍能被清楚地侦测到。Global Locate在2003年提出IndoorGPS大量平行相关运算技术，此技术在一个单晶片中提供二万个以上的相关器，具有累积或整合数千次量测的运算能力，让GPS在室内也能进行定位工作。

《图四　Global Locate提出的A-GPS解决方案》
 
＜资料来源：Global Locate＞

Qualcomm

CDMA系统对于GPS的功能有相当完善的支援，而在此系统中的主宰厂商Qualcomm自然也在这个市场上掌握了极先进的技术。Qualcomm在定位服务上的代表技术称为gpsOne，这是该公司与其定位系统子公司SnapTrack共同开发的，是一项混合式的A-GPS解决方案。在gpsOne的定位服务架构中，行动台（MS）同时从GPS卫星系统和蜂窝/PCS网路收集测量资料，这些资料被组合起来生成精确的三度空间定位，通过组合这两个资讯源，gpsOne定位解决方案最少只需一颗卫星和一个小区站点就可以完成定位。

GpsOne利用CDMA网路系统来提供精确时间资讯，其中的关键技术称为先进前向链结三角定位（Advanced Forward Link Trilateration；AFLT）技术。系统会先通过A-GPS定位，在A-GPS无法定位的环境中则采用AFLT技术进行定位。此种技术在复杂地形条件下也可保持达到5～50米的高精确度，定位速度快，而且功耗极低，灵敏度较常规GPS高出20dB的灵敏度，也就是提高了30～100倍，因此在钢筋混凝土建筑物的内部深处或市区的楼房间也能顺利定位。gpsOne不仅适用于CDMA，而且可以在GPRS、WCDMA平台上使用。?

《图五　Qualcomm的gpsOne解决方案》
＜资料来源：Qualcomm＞

结论

目前虽然已有许多手机具有GPS的支援功能，但要真正执行行动定位工作，还得另外接上外接式的GPS接收机。GPS接收机的硬体一般由主机、天线和电源组成，该系统是一个使用1.5 GHz固定频率的展频系统。当然，就如同手机的照相功能一样，过去还有外接式的手机相机，但现在几乎都已采内建式的作法，这种情况预估也会在手机GPS应用的设计上出现。现在市场也已有内建GPS功能的手机，但不论是操作的便利性、接收时间、精确度等基本问题都还有很大的改善空间，而更大的问题则是在于耗电性、设计成本和整体产业链的服务环节。

事实上，所谓的位置服务不仅涉及行动终端的设计，还会与网路系统业者的支援（如A-GPS辅助参数的提供），以及地理资讯的提供息息相关。以地理资讯来说，包括基础地理资讯和地图上相关的兴趣点资讯（point of interest；POI），基础地理资讯是指街道、山川、河流、道路、桥梁等基本的地形地貌，POI则是宾馆、饭店、学校、加油站、商场等与人们生活密切相关的资讯。包括终端、网路和资讯建置的这几个环节都得紧密地扣在一起，才能让多样化的位置服务更快的普及。

在技术上，随着市场成熟度的提升，晶片厂商将有能力提供更具整合度的SoC系统单晶片或SiP单封装晶片，也有更多厂商会开发出整合天线、RF和基频的GPS模组，让系统厂商能够以最短的开发时间、最低的开发成本以及最小的开发风险来导入GPS功能。不过，在各种功能同时角逐一块掌心大的电路板资源时，要在手机中加入GPS功能而不过于冲击到既有运算资源、尺寸、耗电与成本议题，仍是件不容易的开发任务。（作者担任电子产业媒体工作者多年，现为自由写作工作者，）