關於衛星導航系統的兩三事 - 戶外用品

※ [本文轉錄自 Hiking 看板 #1J0ORKNs ]

作者: rextsai (Rex Tsai) 看板: Hiking
標題: [情報] 關於衛星導航系統的兩三事
時間: Mon Feb 17 11:47:56 2014


線上好讀版: http://blog.nutsfactory.net/2014/02/17/about-gps-tracker/

大約是 2008 年的時候，為了 [1]OpenStreetMap 活動，跟著 [2]KaLUG 團購，一起買了
[3]HOLUX M-241，當時大部分行動裝置並沒有內建 GPS，只有某些高單價的 PDA 有全球定
位系統功能。相對 M-241 在當時的市場性價比很高，使用 MTK 技術，很驚訝居然到目前
為止仍[4]持續銷售。實際使用上經歷一些技術問題

1. 使用的 MTK 協定有相容問題，當初使用 mtkbabel 無法匯出，必須給點小 patch. 但
是已經比其他的 logger 來的容易使用。
2. 紀錄的軌跡有嚴重的[5]漂移問題，增加了一些後製處理的困擾。
3. 電池插槽容易[6]鬆脫重置，造成裝置一直關機或重開，非常惱人。

後來又陸續買了 [7]Garmin Dakota 20, [8]Nokion AW100, 智慧型手機 iOS, Android 等
等包含 GPS 功能的裝置來紀錄軌跡。這篇文章分享一些個人對於衛星定位系統的理解，希
望可以幫助其他朋友採購的作為參考依據。

評估要件

這幾年的 GPS 裝置的入手價格越來越低，參與 OpenSteetMap 的門檻也越來越低。有些朋
友想購買新的 GPS 裝置，來紀錄踏查軌跡，到底購買的時候要考量哪些產品條件？以下是
我認為構成一個好產品的評估要件

o 準確性 (Accuracy)
o 用電量 (Power consumertion)
o 操作界面 (User interface design)
o 防水性 (Water proof)
o 耐用性 (Durability)

這些條件取決於產品定位與設計。當然，準確性是最主要的評估要件，而硬體本身就是最
大的侷限，從技術面來分析，大約可以分成[9]下面幾項

o 接收晶片 (Receiver chip)
o 無線接收 (RF design)
o 軟體/韌體設計 (Firmware)
o 輔助儀器 (Sensors)

以下逐一討論。

接收晶片 (receiver chip)

從過去 GPS Receiver Chip 通常是一棵獨立的元件，到現在行動裝置流行的市場，衛星定
位系統已經逐漸變成整合進 [10]SoC 的基本功能。[11]衛星定位系統 (Satellite
navigation) 遠在約 20,000km 以外的衛星軌道，[12]定位訊號廣播穿送到地表後，強度
約在 -125dBm to -130dBm. 在接收到衛星傳送的[13]導航資訊之後，接收器會得到以下的
資訊

o 衛星星曆 ([14]Almanac) ，可用以計算所有的[15]衛星大略位置，至少六天更新一次
。
o 星曆表 (Ephemeris), 計算衛星位置，通常每兩小時更新一次。
o 時間與時鐘誤差資訊。
o 衛星健康狀態資訊。
o 電離層資訊。

在訊號抵達地表成功判讀前，有許多[16]原因會造成誤差，其中天氣與量測環境是最容易
影響收訊的因子

o [17]大氣效應 (Atmospheric Effects)，訊號穿越時會受到干擾延遲，理論上 70 ns
的大氣延遲將產生約 10 公尺的殘餘誤差 (Residual error)。
o 氣候造成濕度提高、能見度下降。也會影響訊號延遲與強度。
o 多重路徑誤差 (Multipath effects)
o 星曆表 (Ephemeris) 與時間誤差

這些 RF 誤差需要再[18]處理，像是常見的因為建築物或地面造成訊號反射誤差，可以用
[19]Narrow Correlator Spacing 來處理，大氣效應產生的[20]電離層誤差也可以透過韌
體來做修正。然評估晶片效能，優先考慮的是[21]靈敏度 (Sensitivity)，感度越高，越
能處理微弱的訊號，在室內或遮蔽時有顯著的差異，另外新型晶片設計也可以抑制多重路
徑誤差，提高準確度。更新頻率 (Update rate /Fix Rate)，這是指從感應晶片傳過來的
頻率有多高，通常是一秒 1 點到 10 點間 (1-10 Hz)，例如 M-241 可[22]程式化成 1 到
5Hz. 一般登山步行一秒一點很夠用，但是如果你用來紀錄賽車或無人飛行器軌跡，就會發
現精度不足囉。衛星系統會發出數種無線電[23]訊號頻道，這些頻道各帶有不同的資訊。
要完成定位功能，只需要 L1, L2 頻道。L1 頻道中帶有捕獲碼 aka (C/A, Coarse/
Acquisition Code) 與測距碼 (P碼)，若支援 L2 頻道之資料，則可[24]計算出[25]電離
層全電子含量（Total Electron Content, TEC) 所造成的延遲，或是使用於 [26]OPUS 等
[27]GPS post-processing service 系統提高定位準確度。但受到美國軍方管制，一般民
用定位系統只支援 L1 (1575.42Mhz±5MHz, GLONASS 1602±8MHz)。但即便無法對 L2 解碼
，民間定位系統仍可以[28]分析載波 (carrier wave) 的方式進行即時動態測量 ([29]
Real Time Kinematic correction)，估算[30]大氣效應誤差。因應民用需求，[31]2005
年後，新的 [32]Block-IIR-M GPS 衛星會送出 [33]Civilian L2 (L2C) 訊號，但要到
2016 年後 [34]Next Generation Operational Control System (OCX) 才正式啟用。上述
系統談的是美國 [35]NAVSTAR Global Positioning System (GPS)，在 2013 年四月前，
全球定位系統只支援 NAVSTAR，但現在市場已經有 Russian 的 [36]GLONASS 系統可用。
另外在 2020 年還有中國的[37]北斗衛星導航系統、歐洲的 [38]Galileo 系統。現在新款
的晶片也可以支援 Multi-[39]GNSS，市面上的手持產品有 Garmin [40]eTrex 等，至於手
機產品如 [41]Qualcomm Snapdragon 400 等也同時支援 [42]GPS 與 GLONASS. 另外一個
值得考慮的是晶片可以支援的處理頻道數量，理論上只要三個衛星就可以計算出平面定位
，取得四顆衛星能取得 [43]3D 定位。也就是說，裝置最低需要同時處理四個 L1 頻道訊
號。但是在成功取得定位前，裝置必須搜索所有可能訊號，以找出最接近的衛星，在[44]
首次定位前，同時間能夠處理的衛星訊號數越多，[45]首次定位也就越快、越省電，定位
之後也能有效率的鎖定衛星訊號。以前只有美國系統，加上地表角度，天空最多同時可以
看到一打以內的衛星，所以大概只需要十二組頻道。但是若加上俄國等系統，你也就需要
更多的「處理頻道」。簡而言之，[46]處理頻道的益處是減短定位時間、減少因遮蔽失去
訊號的機會、提高省電。但必須認識的是，處理頻道是很容易誤解的銷售詞彙，各家廠商
定義不同。要注意產品規格上說的處理頻道是支援 L1, L2, 那些衛星系統、哪些輔助定位
系統。千萬小心那些灌水的數字。

無線接收 (RF design)

除了晶片性能外，另外一個嚴重影響接收能力的是無線射頻接收設計，衛星訊號在抵達晶
片前，會通過[47]天線、[48]射頻前端模組等，然後才會轉成[49]中頻進到數位處理的階
段。由於全球定位系統的頻譜位於 [50]VHF 頻段，與 [51]ANT、電信網路、藍牙或無線網
路不同，使用獨立的[52]接收天線，在小型的裝置上常見使用平板天線 ([53]patch
antenna)，專業一點的手持裝置則可能選用四臂螺旋式天線 (Quadrifilar Helix
Antenna)，看起來像是傳統黑金剛的大型天線，收訊效能比平板天線好。不同的天線設計
造成優劣有別的[54]增益效果，不過技術演進使晶片感度大幅提昇，處理訊號反射誤差等
等能力提高，在開闊環境效能可能十分接近，但是若是大樓林立的都市環境或樹林中，才
會看出明顯差異。有些手持式衛星定位系統甚至保留外接接頭，可以外接主動式天線來提
高收訊效果。例如裝於汽車上，為了避免車廂金屬屏蔽，可以拉線到車輛外面，但必須注
意天線的線路會因為長度增加增加衰減。通過天線進入[55]射頻前端模組時又可再分成以
下幾個元件來評估。

o 低噪音放大器 ([56]Low Noise Amplifier)
o 濾波器 (Filters)
o Down Convertor.
o 時脈 (Clock)
o RF Circuit Layout.

通過天線，進入 RF Front end 後會依序進入上述元件進行訊號增強、過濾、轉換，但這
些元件皆已經高度模組化，使用者很難從外觀去判斷[57]性能差異或是進行客觀的評估，
畢竟缺乏測試設備，也難以獨立的對每個元件進行測試，但是只要其中一個元件設計失誤
，就會影響使用效能。特別是整合到電路板上後造成的訊號[58]干擾[59]問題，在在考驗
製造商的工藝技術。前提是製造商願意重視數位定位的性能。由於目前在智慧型手機，許
多使用者的用途都是在室內打卡、查詢附近路徑，大部分的時候只要壟統的位置資訊即可
滿足，更重要的是電話通信的訊號必須良好。也因此衛星定位的天線的優先值總是被排到
最後，而且依照市場需求，外型是消費者採購的優先考量，為了配合機構設計，天線可能
會移到勉強可用的位置。也因此，有些手機必須手持螢幕朝向臉部才能夠成功定位。甚至
有些產品是沒有經過嚴謹測試就上市了。像是 2012 年推出的 [60]ASUS Eee Pad
Transformer Prime，大膽採用金屬外殼，結果導致 [61]GPS 功能無法接收訊號失效。金
屬會屏蔽電波訊號，請不要再弄清楚手機天線位置前隨便安裝金屬製造的外框阿。

軟體/韌體設計 (Firmware)

談完了[62]基頻處理的硬體，接下來來談談韌體。全球定位系統有許多可以縮短定位時間
或提高定位精準的技術，這些技術並非全部在韌體中，也可能以軟體導航實作，許多技術
也需要依賴硬體的資訊才能完成。以下逐一討論

o [63]Assisted GPS
o [64]全球衛星導航增強系統 (GNSS Augmentation System)
o [65]慣性導航系統 (Inertial navigation system)

Assisted-GPS

Assisted-GPS 或 A-GPS 是第一個最容易讓人混淆的的名詞了，最基本的概念是不從衛星
抓取衛星星曆 ([66]Almanac) 與星曆表 (Ephemeris)，而是透過 IP 網路或離線取得可用
的星曆資料，甚至透過其他技術預先取得大致位置，再利用此粗估位置推算可見衛星，避
免緩慢的[67]猜測行為，如此就可加速[68]第一次定位的時間。若沒有預先快取的星曆資
料，就必須等待定位時透過衛星訊號下載，如此會增長第一次定位時間。若關機一段時間
，星曆資料已經過期，也必須重新下載 (cold start)。容易令人混淆的是在[69]電信網路
協定中，除了使用 TCP/IP 最多採行的 OMA 協定 [70]"Secure User Plane Location" (
[71]SUPL) aka Mobile Station Based 外，還有另外一種 Mobile Station Assisted,
Control Plane Protocol 則是透過基地台計算行動電話位址，然後將位址資訊傳送回手機
。這兩種技術是完全相反的。除了透過電信網路的協定外外，在 Android 的 [72]GPS HAL
中，你也可以發現有 XTRA 支援的 [73]API，可以透過網際網路下載星曆資料，然後再其
他的 [74]Geolocation 系統透過 WiFi ESSID 或 Cell ID 取得約略位址，餵回給 GPS 以
加速定位速度。然而 XTRA 是 [75]Qualcomm 的技術，其他晶片廠商各有不同的作法，如
MTK 則叫做 EPO (Extended Prediction Orbit)。在有線上資源的加持下，手機在首次定
位的速度常常贏過手持式 GPS 裝置。像是 Garmin 的裝置，若你拜訪另外一個國家，它常
常會只利用上次使用的快取搜尋衛星，導致非常第一次定位非常久。協定與方式不同，但
是都是透過線上網路取得星曆與粗略位置。也有產品是使用離線星曆的方式，像是我手上
持有的 Nikon AW100 三防相機，就支援離線 [76]aGPS，Nikon 的星曆只有七天，每七日
得重新下載進 SD Card，並從相機選單中更新資料至衛星定位模組。

全球衛星導航增強系統 (GNSS Augmentation System)

[77]全球衛星導航增強系統 (GNSS Augmentation System) 是利用[78]差分全球定位系統
(Differential GPS, DGPS) 技術，簡單講是在地面設立數個參考基站，由於基站位置是固
定的，因此可以透過差分改正（Deviation Correction) 推算大氣延遲、時鐘漂移 (clock
drift)。這種增強系統又分為衛星式系統 (satellite-based augmentation system,
SBAS) 與陸地系統 (Ground-based augmentation system, GBAS). 衛星式系統又稱為
WADGPS, wide-area DGPS，是將陸地基站的資訊再透過衛星廣播出去。其中比較知名的是
歐洲 [79]European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS)、日本的 [80]
Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS)、美國的 [81]Wide Area
Augmentation System (WAAS)，像 WAAS 為例子，可以定位到[82]平面 1 公尺、垂直 1.5
公尺的精確度。由於使用的頻段一致，可以以韌體實作不需要額外的無線接收硬體，不少
產品支援 WADGPS。至於陸地系統 (Ground-based augmentation system, GBAS) 使用的頻
譜不同，一般民用消費性產品並不支援。

慣性導航系統 (Inertial navigation system)

另外一個有顯著差別的是[83]慣性導航系統 (Inertial navigation system)，由於定位時
時常會通過林木遮蔽處或隧道等環境，此時會遺失衛星訊號，部份系統的作法是在重新取
得定位前，不予紀錄。但是也有作法是利用利用輔助感應器 (Sensors) 的情報來做[84]航
位推算 (Dead Reckoning, deduced reckoning)[85]。一般在定位系統或智慧型手機上常
可看到以下感應器

o [86]氣壓計 (Barometer)
o [87]電子羅盤/磁力感測器 (magnetic sensor)
o [88]陀螺儀 (Gyroscope sensor)
o [89]加速計 (Accelerometer)
o [90]記步器 (Pedometer)
o 踏頻、輪圈轉速等

這些感應器可以提供高度、方向、加速度、角速度、速度等移動資訊，透過這些資訊即可
以慣性推算運動的位置。當然準確度是很可疑的，但是可以作為暫時遺失訊號的備用機制
，彌補無法錄記軌跡的問題。部份民用衛星定位系統支援慣性導航功能。

其他注意事項

市面上的產品大致可以分為三類

o 記錄器 (Logger) / 手錶 (GPS Watch)
o 智慧型手機 (Smart Phone)
o 衛星導航系統 (Handheld GPS)

若要購買專門的器材，第一優先依照使用需求購買，市面產品多樣，有適合方便跑步紀錄
的手錶、自行車等專用產品，產品大小對於運動類型有很大的影響，某些自行車專用可以
順便紀錄踏頻、輪圈，都已經整合妥當，使用起來也比較方便。特別注意某些舊款產品能
收的處理頻道較少、或是沒有數位羅盤功能，這都會造成定位較慢或不容易使用。像是
HOLUX M-241 就沒有數位羅盤，功能中的行進方向是透過軌跡計算出運動方向。如果會進
行兩天以上深山的行程，可能會進入濃霧、大雨的惡劣氣候中，而且無法當天撤退，筆者
建議購買防水的手持式衛星導航系統，最好是附有四臂螺旋式天線的產品。因為在山中，
必須用到衛星定位系統就是視線不良，無法透過地圖判讀與目標定位。特別是天候狀況不
佳、攸關性命時，你不會希望拿出一個可能進水損壞，或只有特定角度收的到訊號的裝置
出來。若是輕鬆且避開惡劣天候的行程，手機可以取代大部分的 GPS 功能，而且性能強大
，撥看地圖效率遠比傳統手持定位系統好。無論是 [91]MTK 平台或是 [92]Qualcomm，衛
星定位功能皆已整合，Qualcomm 平台宣稱可以精準至 2 公尺 (應搭配 WADGPS) 精確度與
省電比起兩三年前大幅提昇許多。但是購買時，仍須注意產品的無線接收設計，如果以性
能為優先考量，就別考慮好看的金屬外殼機種吧。使用上必須注意的是手機有[93]數種定
位方式，可以透過網路 (WiFi, Cell Id) 或是 GPS 訊號，但由於 GPS 訊號往往定位較慢
且耗電，許多開發者會使用預設的網路定位方式，這會造成切換電信基地台或收到其他無
線網路基地台時，產生漂移的問題，也因此我們會看到[94]迷路的悲劇。若要導航使用，
建議使用專門的軟體，像是 [95]OruxMaps，功能強大也可以預載離線地圖，以免沒有網路
可存取線上圖資系統。除了參考本文寫的各項要點外，在購買的時候，規格上常常會寫一
些令人困惑的精確度，例如 [96]Garmin Dakota 20

<10公尺,95%、RMS、Typical，無S/A干擾下，單機定位

這是指，這個測量有 95% 的信心度，[97]RMS 指大約有 [98]63%-69% 是在十公尺之內的
精確度。無 S/A 干擾指無美國的誤差干擾 [99]Selective availability，這項干擾措施
已經於 2000 年 5 月停止，單機定位指沒有利用 DGPS 的定位增強系統定位。這個測試應
該是在開闊區域進行，若進入如在深谷中，由於收到訊號的[100]角度太窄，更容易產生計
算誤差，要小心地形所造成的誤差，不能只看表面規格。很遺憾，市場上沒有手機在規格
上標明衛星定位精確度。另外則是紀錄軌跡的精度功能，其實一般通用的 [101]GPX (GPS
Exchange Format) 檔案格式可以包含精度情報，例如定位的類型 (fix) 是 2d, 3d 還是
DGPS, 收到幾顆衛星 (SAT), 精度因子 ([102]Dilution of precision, DOP) 等。定位時
可能產生的錯誤太多，就算可以收到數顆衛星資訊，推算過程中必定產生誤差，精度因子
是透過衛星的位置算出可能的錯誤範圍，藉此可以得知該軌跡點的可信賴度。仍而一般戶
外休閒用手持衛星追蹤裝置並未提供此資訊，另外在手機，如果直接使用[103]標準程式界
面，精確度也會被轉換成以[104]公尺為距離的誤差。能夠取出完整資訊的只有 [105]NMEA
格式，但 NMEA 需要再次被處理過才好分享給其他軟體使用。無論是使用手機或專門導航
系統，記得要多帶電池。多日行程也請攜帶紙本地圖與指北針。電子產品有可能失效，而
多個小事故累積起來往往會產生悲劇。

Ref

o National Marine Electronics Association - NMEA [106]http://www.nmea.org/
o An Introduction to GNSS | Chapter 4 - Real-Time Kinematic | NovAtel [107]
http://www.novatel.com/an-introduction-to-gnss/
chapter-4-advanced-gnss-concepts/real-time-kinematic-rtk/
o Fw: [心得] 爬山不要完全相信手機地圖GPS - 看板 Hiking - 批踢踢實業坊 [108]
http://www.ptt.cc/bbs/Hiking/M.1380538573.A.408.html
o GPS explained: Position Determination [109]http://www.kowoma.de/en/gps/
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/www.brighthub.com/electronics/gps/articles/42609.aspx
o GPS 接收器測試 - National Instruments [111]http://www.ni.com/white-paper/
7189/zht/
o GPS 無線標準 - National Instruments [112]http://www.ni.com/white-paper/7139
/zht/
o Re: [心得] 爬山不要完全相信手機地圖GPS - 看板 Hiking - 批踢踢實業坊 [113]
http://www.ptt.cc/bbs/Hiking/M.1380710553.A.1D6.html
o The reference for Global Navigation Satellite Systems - Navipedia [114]
http://www.navipedia.net/index.php/Main_Page
o What is the True Accuracy of the Best Handheld GPS System - Understanding
the Accuracy of GPS [115]http://www.brighthub.com/electronics/gps/articles/
43189.aspx


References:

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[3] https://wiki.openstreetmap.org/wiki/Holux_M-241
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[5] http://scilib.typepad.com/techreviews/2008/01/holux-m-241-gps.html
[6] https://wiki.openstreetmap.org/wiki/Holux_M-241#Durability
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[61] http://www.anandtech.com/show/5285/asus-eee-pad-transformer-prime-gps-issue-explained
[62] https://en.wikipedia.org/wiki/Baseband
[63] https://en.wikipedia.org/wiki/Assisted_GPS
[64] https://en.wikipedia.org/wiki/GNSS_augmentation
[65] https://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_navigation_system
[66] https://en.wikipedia.org/wiki/GPS_signals#Almanac
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[69] http://www.2cm.com.tw/technologyshow_content.asp?sn=0807220011
[70] https://en.wikipedia.org/wiki/Secure_User_Plane_Location
[71] https://en.wikipedia.org/wiki/Secure_User_Plane_Location
[72] https://source.android.com/devices/reference/gps_8h_source.html
[73] http://www.kandroid.com/pdk/docs/gps.html#androidGPSInterface
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[76] http://nikonimglib.com/agps/index.html.en
[77] https://en.wikipedia.org/wiki/GNSS_augmentation
[78] https://en.wikipedia.org/wiki/Differential_GPS
[79] https://en.wikipedia.org/wiki/European_Geostationary_Navigation_Overlay_Service
[80] https://en.wikipedia.org/wiki/Multi-functional_Satellite_Augmentation_System
[81] https://en.wikipedia.org/wiki/Wide_Area_Augmentation_System
[82] https://en.wikipedia.org/wiki/Wide_Area_Augmentation_System
[83] https://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_navigation_system
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[90] https://en.wikipedia.org/wiki/Pedometer
[91] http://www.mtk.com.tw/_tw/03_news/01-2_newsDetail.php?sn=1101
[92] http://www.qualcomm.com/media/blog/2011/12/15/gps-and-glonass-dual-core-location-your-phone
[93] https://developer.android.com/reference/android/location/LocationManager.html
[94] http://www.ptt.cc/bbs/Hiking/M.1380538573.A.408.html
[95] http://www.oruxmaps.com/
[96] http://www.garmin.com.tw/products/onthetrail/dakota20/
[97] https://en.wikipedia.org/wiki/Root_mean_square
[98] https://en.wikipedia.org/wiki/Circular_error_probable
[99] https://en.wikipedia.org/wiki/Error_analysis_for_the_Global_Positioning_System#Selective_availability
[100] https://wiki.openstreetmap.org/wiki/Accuracy_of_GPS_data#Enclosed_spaces
[101] http://www.topografix.com/gpx.asp
[102] https://en.wikipedia.org/wiki/Dilution_of_precision_%28GPS%29
[103] https://developer.android.com/reference/android/location/Location.html
[104] https://developer.android.com/reference/android/location/Location.html#getAccuracy%28%29
[105] https://en.wikipedia.org/wiki/NMEA_0183
[106] http://www.nmea.org/
[107] http://www.novatel.com/an-introduction-to-gnss/chapter-4-advanced-gnss-concepts/real-time-kinematic-rtk/
[108] http://www.ptt.cc/bbs/Hiking/M.1380538573.A.408.html
[109] http://www.kowoma.de/en/gps/positioning.htm
[110] http://www.brighthub.com/electronics/gps/articles/42609.aspx
[111] http://www.ni.com/white-paper/7189/zht/
[112] http://www.ni.com/white-paper/7139/zht/
[113] http://www.ptt.cc/bbs/Hiking/M.1380710553.A.1D6.html
[114] http://www.navipedia.net/index.php/Main_Page
[115] http://www.brighthub.com/electronics/gps/articles/43189.aspx

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