GPS接收器架构与设计挑战

表1　卫星信息中每个信框的组成内容

图2　卫星信息组成及接收所需时间
资料来源：u-blox

fix, TTFF)、灵敏度、功耗、尺寸、整合度等，其中又以TTFF与灵敏度最为关键。就TTFF来说，一个GPS接收器必须得知四颗卫星的位置，才能计算出接收器的位置，而要了解TTFF的接收性能，必须先知道卫星信号的基本原理。

GPS卫星信号原理

　　现在天空中的GPS是由24颗卫星群所组成，分别运行在六个轨道面上，每颗卫星会不断地发射关于卫星轨道、时间及各种参数的卫星信息，这些信息的接收正是GPS终端能否成功定位的关键所在。目前GPS卫星分别有1575.42MHz的L1载波及1227.60MHz的L2载波，在载波上调制了C/A电码(C/A code)及P电码，一般我们用得到的是L1及C/A电码，L2及P电码则为美国军方在使用。

图3　冷启动需经过搜寻、接收星历数据及追踪三阶段
资料来源：u-blox

　　在L1上所搭载的卫星信息以信框(Frame)为单位，每个信框为1500 bits，其下又分为五个子信框(Sub-Frame)，它的内容包括卫星的星期时间(Time of week, TOW)、广播星历(Broadcast Ephemeris)、电离层参数及万年历(Almanac)等，请参考表1。其中广播星历为个别卫星本身的精确轨道位置，它每小时更新一次，每次更新的有效性约四小时；万年历则为所有卫星在轨道上的概略位置及其状况等，它每天更新一次，有效时间可达数周。

　　GPS设备的TTFF与其启动条件有关，可以分为三种情况：一是接收器本身完全无有效卫星数据的冷启动(Cold Start)；一是接收器具有有效的万年历数据、时间和起始位置，称为暖启动(Warm Start)；如果再具有更准确的广播星历数据，则称为热启动(Hot Start)。

　　对于一个不具任何有效定位数据的GPS终端来说，最重要的是要收齐四颗卫星个别的广播星历及卫星时间数据，才能正确地计算定位。由于卫星是以50 bit/s的速率来发射信号，因此同步收齐四颗卫星一个完整信框数据的时间，至少需要30秒(即1500bps)，其中需花18秒下载广播星历。万年历方面，由于每次更新的数据需用到25个信框来传送更新的万年历数据，因此要完整的下载，需要用掉12.5分钟。

　　因此，冷启动与热启动的定位时间相差甚大，前者所需时间至少需要18~36秒，接收过程中如果出现了任何干扰而导致信号中断，那就得重新再接收一次。相较之下，如果在GPS设备的内存中已有完整且有效的广播星历资料，只要确认目前在头顶上的四颗卫星，即可立即进行定位计算，定位动作甚至在1秒之内就可完成。

以A-GPS加速定位

　　要加速TTFF的定位速度，最好的方式即是以辅助模式来提供各种星历数据，这正是