摘要
本文介紹Global Locate的長期軌道 (Long Term Orbit，LTO) 技術，有時又稱為「擴充式星曆表」(extended ephemeris) 技術。LTO是一種GPS輔助資料，不需無線連結到輔助性全球定位系統 (Assisted GPS，A-GPS) 伺服器就能提供輔助資料給A-GPS裝置。傳統A-GPS系統雖然大幅改善GPS效能，但是A-GPS裝置幾乎每小時都要連結到A-GPS伺服器以便下載最新的輔助資料。LTO資料則可透過網際網路獲得，而且有效期限長達數天，這使得連結需求大幅降低。
Global Locate透過其全球參考網路 (Worldwide Reference Network，WWRN) 追蹤GPS星座來產生LTO資料。所有GPS衛星的追蹤資料會被編譯成完整的軌道模型，然後產生精確度符合導航要求的未來軌道預測。就長期精確度而言，LTO早已達到廣播星曆 (broadcast ephemeris) 的水準。在商業應用方面，LTO資料不僅獲得HP的iPAQ Mobile Messenger採用，也是行動網路業者部署A-GPS系統以支援E911和行動定位服務 (Mobile Location Services) 時不可或缺的一環。自2002年起，WWRN和LTO基礎設施的系統妥善率一直維持在99.999%以上。LTO使得行動無線用戶只要更新資料一次就能連續數天享受A-GPS的效能優勢，這在緊急狀況或無法上網取得A-GPS資料時非常有用。
LTO可用來實現加強型自主操作 (Enhanced Autonomous operation)，此時GPS裝置不需使用手機辨識 (Cell ID)、精確網路時間或連結到A-GPS伺服器，就能達到A-GPS的首次定位時間 (Time-To-First-Fix，TTFF)、靈敏度和精確度。在安全用戶面定位 (Secure User Plane Location，SUPL) 系統環境裡，LTO為行動網路業者提供媲美或超過傳統A-GPS的效能，成本只有把A-GPS系統整合到控制面 (Control Plane，C-Plane) 架構的幾分之一。
介紹
美國政府於20005年5月1日宣佈一項有關於GPS系統的革命性措施，它也是GPS歷史上最重要的事件之一。當時的美國總統克林頓在其開場白中精準扼要地闡述了這件事的重要性：
「今天，我很高興宣佈美國將從今晚午夜起，不再刻意降低提供給公眾使用GPS訊號的精準度。我們把這項降低精確度的做法 ─ ”選擇性干擾” (Selective Availability，SA) 移除。這表示民間GPS用戶將能把他們的定位精準度提高到目前的十倍以上。」
關閉選擇性干擾擴大了GPS在消費技術領域的用途。就在那天晚上，一種全新的「地理藏寶」(geocaching) 遊戲正式誕生：「有位老兄為了慶祝美國政府關閉選擇性干擾，於是在5月3日把一個裝了寶物的盒子藏到美國奧勒岡州波特蘭市郊某處。到了5月6日，已有兩組人馬找到藏寶地點，其中一人還在盒內的筆記本留下記錄。」就在地理藏寶遊戲出現後數天，LTO也正式誕生。
概念
Global Locate的工程師很快就認識到在沒有選擇性干擾的情形下使用GPS的重要性。私人GPS參考網路不需要消除選擇性干擾造成的誤差就能追蹤衛星軌道。標準軌道模擬技術接著可以利用追蹤資料精確預測未來的軌道資料 (星曆)。美國空軍從GPS衛星所廣播的星曆就是以零誤差的追蹤資料做為基礎，Global Locate也計劃像他們一樣使用自己的追蹤資料做為LTO的基礎。
有了LTO後，GPS應用不再受限於廣播星曆短短4小時的有效期限和50bps的GPS廣播速率。我們現能計算出有效期限長達數天而非數小時的星曆資料。LTO定位精確度實際上已和廣播星曆的定位精確度不相上下。
A-GPS系統至少每隔4小時就須重新傳送輔助資料給無線裝置；相形之下，LTO不用網路就能讓行動裝置連續數天維持高水準的A-GPS定位效能，這對首次定位時間、沒有網路時的導航作業和其它重要的A-GPS用戶經驗都有很大影響。選擇性干擾的關閉大幅提升了GPS的定位精確度，Global Locate也因此得以推出這項前途看好的LTO技術。
架構
美國空軍的第2太空作戰中隊投入大量資源和人力來維持GPS系統控制設施的5個地面監測站作業。這些地面監測站的功能包括蒐集美國空軍在其科羅拉多州獵鷹空軍基地的主控制站 (Master Control Station) 裡計算星曆表所用的追蹤資料。美國空軍從主控制站把這些星曆上傳到衛星，再由衛星把它當成「即時」(live) 星曆廣播出去。
Global Locate很快就瞭解LTO資料的精確度不可能超過其來源，另外它還需要一個至少與監測站一樣可靠的網路。Global Locate 2000年推出LTO時也開始發展一套全球參考網路 (WWRN)，它會蒐集即時星曆、設定格式、再透過無線網路傳送給行動裝置。LTO概念的出現剛好對WWRN產生影響，這套架構專門協助蒐集極端精確可靠的GPS衛星追蹤資料，以便LTO根據這些資料進行運算。
Global Locate認為WWRN應該是99.999%時間都能正常運轉的高冗餘性網路，還能在不到1秒的延遲時間內提供來自所有GPS衛星的廣播星曆。Global Locate隨即以這些要求為起點，展開LTO的發展和商業化作業。
Global Locate為了同時進行LTO和WWRN的開發作業，特別使用美國太空總署噴射推進實驗室 (JPL) 等地球研究機構所提供的GPS資料。Global Locate根據這些精確的軌道資料來源發展出專用軟體，它能利用過去的追蹤資料模擬不同效應對於每顆GPS衛星的運行軌道影響。
LTO計算是以地心引力的質量分佈動態模型為起點 (包含地殼移動、地心運動和其它地質效應)，同時將進動 (precession)、章動 (nutation) 和地磁力全部納入考慮。計算過程從地球表面向外展開，並且模擬海洋和電離層效應以便決定它們對於衛星觀測的影響。月球和其它行星的重力效應也會納入分析，這包括月球的進動和章動。最後，它還會仔細分析可能影響LTO計算的太陽重力與輻射效應以及其它現象。
經過一段時間的深入研究後，初步結果顯示Global Locate應能達成原訂設計目標，為每個GPS衛星建立精確度能夠連續多日維持在1公尺內的軌道模型。跨過了這個初步設計階段後，利用Matlab執行進一步發展和設計最佳化的C++程式碼等工作就進展極為快速。
網路實作
就在Global Locate的一個團隊正在設計LTO模擬程式的同時，另一個網路作業團隊也在發展構成WWRN的各種設施、連結、軟體應用、程序和支援架構。到了最後，只剩下南極大陸沒有WWRN設施。下圖顯示WWRN的整體佈局，我們會在後面簡單介紹安裝在整合資料中心 (Hub Data Center) 的LTO子網路。
圖1：WWRN整體方塊圖
Global Locate在2002年完成WWRN，此後它就一直在提供A-GPS資料服務。WWRN負責產生LTO資料，其核心功能包括即時星曆的蒐集、格式化和重新傳送。如同右下圖所示，WWRN將資料下傳到LTO子網，由子網將資料加入LTO，最後再透過LTO T-n上行鏈路轉送給LTO用戶。
LTO子網包含各種Linux、Unix和Windows伺服器和網路裝置平台以及支援WAAS的商業等級GPS接收機硬體。
圖2：LTO子網負責產生和傳送LTO資料
為了管理LTO模擬應用帶來的龐大運算量，所有處理作業會分散到一群專用的伺服器硬體。這使得LTO子網在幾分鐘內就能重新計算LTO資料，同時將它轉換成可供下載的加密格式。下載過程在56kbps的GPRS網路上只需要一或兩秒，LTO資料還能利用寬頻上行鏈路透過公用網際網路提供給用戶。
效能分析：LTO精確度
Global Locate希望利用LTO發展長期星曆資料，不僅有效期限必須長達數天，定位精確度也要達到廣播星曆的水準。圖3顯示LTO與廣播星曆計算結果的差距 (y軸，以公尺為單位)，從圖中可看出這項目標已經達成。
圖3：LTO與廣播星曆的平均計算結果差異
從圖3可看出計算結果的平均差異變化，「新出爐」LTO資料的差異約為半公尺，接著逐漸增加到4天後的1.2公尺左右。這個誤差小於廣播星曆本身的誤差，因此我們可以忽略它對LBS和E911等行動裝置應用的影響。
圖3的平均差異代表所有GPS衛星的平均值。我們若以0.5天 (12小時) 為間距取出圖3的資料點，再把衛星資料各自展開即可得到圖4所示的12條曲線。我們還能將x軸展開以顯示某個4小時內的有效廣播星曆。從圖中可以看出所有衛星的距離誤差都未超過3公尺，實際誤差通常還會更小。
圖4：利用LTO (間距12小時) 與廣播星曆計算個別衛星距離所得的差異
由於LTO與廣播星曆軌道並不完全相同，使用者常會發現他們位置的絕對精確度會有很小的改變。儘管如此，使用LTO卻更容易取得衛星資料，因為就算訊號太弱或時斷時續而無法解碼取得廣播星曆，接收機仍能使用所有的虛擬距離 (pseudo-ranges)，這使得LTO通常可以提供較好的衛星精確度衰減因子 (Dilution of Precision，DOP)。圖3和4顯示實際應用的精確度可連續數天維持在1公尺內，使用者通常會發現LTO的精確度略高於廣播星曆。
如圖5所示，道路駕駛測試清楚展現了LTO的精確度優勢。圖5裡的兩條測試路線是在美國加州聖荷西市 (San Jose, California) 的商業辦公區和輕工業區進行，其中藍色路線代表接收機使用LTO (加強型自主式)，黃色路線則是使用直接從GPS衛星解碼取得星曆資料的自主式 (autonomous) 接收機。行車路線是從左上角開始，到右下角結束。
圖5：LTO與自主式GPS的導航能力比較
自主式接收機雖能解碼取得多顆衛星的星曆資料，它的精確度衰減因子卻遠不如能夠同時使用所有衛星的LTO接收機。在測試過程中，測試車輛離開停車場後向右轉一次，然後再右轉一次朝向圖裡的東南角落前進，我們從圖中即可看出LTO擁有相當明顯的精確度優勢：藍色LTO路線與實際駕駛路線相當吻合，代表自主式接收機的黃色路線則出現相當大的誤差。
在從03:00開始的大部份直線行駛道路上，黃色路線約比實際行駛路線偏北10公尺，接著它又變成比實際路線偏南約5公尺。這條代表自主式接收機的黃色路線要到05:44開始的最後一段路程才能趕上LTO的精確度，此時這兩條路線就大致重疊在一起。
這兩台接收機同時接上電源和進行熱開機，它們都知道最新的位置和時間，但沒有廣播星曆資料。兩台接收機並排安裝在汽車的儀錶板，它們從熱開機到離開停車場為止的時間都是2分25秒。
效能分析：LTO首次定位時間
前述的精確度實驗證明LTO已實現其兩大承諾之一，至於它在加快首次定位時間方面的優勢將在下述實驗裡得到證明。圖6顯示一台標準自主式GPS接收機和另一台配備加強型自主式LTO的HP iPAQ在多種測試環境 (如圖片所示) 的首次定位時間比較，其中包括這兩台裝置在四個測試環境裡的首次定位時間。
圖6：首次定位時間比較
效能
初步商業部署
在提出原始專利申請後不到30個月的時間，LTO就在數個大型iDEN無線網路展開商業操作。LTO最初是在iDEN行動網路業者所使用的A-GPS伺服器內擔任「緊急GPS資料供應」，其用途是讓A-GPS伺服器能在WWRN饋送給行動網路業者的資料中斷時繼續為iDEN用戶提供輔助資料。
LTO的作業逼真度 (operational fidelity) 已在2002年秋季認證測試 (Fall 2002 Acceptance Testing) 獲得證明，當時A-GPS系統只靠手機的LTO運行，它與A-GPS伺服器的所有資料連線都已中斷，廣播星曆也早已過期。就在這項測試結束後還不到一年，LTO的用途就在颶風伊沙貝爾來襲時獲得證明；伊沙貝爾登陸時，Global Locate客戶的行動網路作業設施全都無法提供即時連線。
雖然沒有外界提供的即時A-GPS資料，A-GPS伺服器仍得以靠著LTO完美運行，並且隨時回應用戶對GPS輔助資料的要求，提供事先計算和儲存在記憶體的LTO (不是廣播) 資料。如前所述，這些LTO的定位精確度就如同最初設想一樣，完全不輸給廣播星曆。狂風暴雨雖僅持續一天，LTO卻已準備好在未來的許多日子裡繼續工作。
圖7：颶風伊沙貝爾於2003年9月18日早上11:50 (EDT時間) 登陸美國東岸
應用導入和大規模商業部署
無論過去或現在，讓LTO在網路裡擔任緊急備援都是這項技術的重要應用之一，只不過Global Locate的最終目標是利用LTO帶動A-GPS行動裝置發展。但在此之前，還有許多工作必須完成。
3GPP已針對行動網路定義多種A-GPS資料服務標準，這意味著LTO資料應能與行動裝置的即時星曆交換使用。LTO雖曾在認證測試過程中實際用於iDEN手機，行動網路業者設施在諸如颶風伊沙貝爾來襲期間也曾經歷短暫的系統效能下降，但LTO在這些事件中扮演的角色其實就像飛機座艙裡的緊急氧氣供應，距離真正獲得消費性產品採用還有一大段距離。Global Locate的目標是把LTO帶到行動裝置用戶手中。
Global Locate已在HP合作下把LTO商業化成為HP新推出 “Quick GPS Connection” 技術背後的引擎，使得這項目標能夠順利實現。Quick GPS Connection是HP為其iPAQ Mobile Messenger 6500系列使用者提供的免費資料下載服務。如圖8所示，6500系列已將LTO帶到行動用戶的手裡。
圖8：HP iPAQ Mobile Messenger 6500系列
6500是智慧型PDA手機，可透過無線下載或基座連接至網際網路來取得LTO資料。因此就算行動網路業者沒有提供A-GPS基礎設施，HP產品仍能取得輔助資料。為iPAQ提供服務的行動網路業者不需做任何事，只要提供管道讓用戶連線到Quick GPS Connection網站即可。他們的用戶將如預期般進入Global Locate設置和管理的LTO子網，整個過程就像是前面的描述。
本文無法詳細介紹iPAQ的直覺式操作界面，只能說它通常會在與個人電腦同步更新資料時或每經過一段預設時間後就透過無線連結自動下載LTO資料。一般而言，多數使用者會在每天開始前執行主動同步 (Active Sync) 功能來取得LTO資料。另外，使用者若有必要還能隨時點選Global Locate圖示以便下載LTO，這個圖示就在iPAQ螢幕界面右下方的一個小圓圈，我們可在圖8的iPAQ圖片裡看到這個圖示。
圖9 (實際資料，y軸尺度刻意隱藏) 顯示許多用戶在作者撰寫本文的同一個星期裡同時連接到Quick GPS Connection基礎設施。圖中每一點都代表一位iPAQ客戶透過Quick GPS Connection進行下載。
圖9：在一個多星期的時間裡下載LTO的用戶數目
不同顏色的部份代表iPAQ的兩個不同市場，分別是由Global Locate位於美東地區 (深灰色) 和美西地區 (淺灰色) 的整合資料中心提供服務。七個峰值顯示上班開車時間的連線數量最多，因為iPAQ用戶通常會在這個時間下載LTO資料。雖然使用者多半是以背景作業方式執行LTO下載，我們仍可從這些峰值看出iPAQ何時處於開機狀態。從左邊算起第5和第6個峰值的幅度較小，代表當時應為週末。這兩組曲線的變化有些落差，因為兩個市場的時區相差約8小時。
圖10 (實際資料，y軸尺度刻意隱藏) 是一段較長時間的LTO下載情形，它把每7天的平均值和峰值 (圖10的紅色和綠色曲線) 壓縮成兩個點。HP iPAQ hw6515在2005年7月1日結束全球測試階段，並正式在市場上推出。
圖10：LTO下載，2005年夏季
優點
在使用和不使用LTO資料的情形下比較HP iPAQ 6500系列等GPS產品的首次定位時間即可看出兩者的差異。使用LTO能省下從衛星下載星曆資料 (以前述50bps緩慢速率) 所需的數分鐘時間，同時將室外的首次定位時間縮短為數秒 (有時甚至不到1秒)，許多室內環境也僅需數十秒。就算應用環境的訊號強度低至-160dBm，它也能收到GPS訊號。
高精確度的好處在於它與用戶從即時星曆取得的資料幾乎完全相同。GPS年曆 (almanac) 是另一種廣為人知的長期軌道資料，但其誤差卻可能達到數百公里。LTO的精確度則媲美傳統A-GPS系統，誤差只有數公尺。
未來展望
雖然Quick GPS Connection確可將LTO帶給手機，但是A-GPS伺服器和應用與LTO的結合才是真正潛力所在。透過開放行動聯盟 (Open Mobile Alliance，OMA) 的SUPL (Secure User Plane for Location) 架構標準，行動網路業者的IP「用戶面」(user plane) 通道不僅能支援LTO，甚至整個A-GPS行動服務基礎設施都能部署在行動網路業界機房以外的其它地方。
LTO的導入很簡單，廠商不必像早期iDEN工程師一樣為了使用A-GPS而整合多家業者的網路。他們只要為裝置增加軔體，使它能透過SUPL的行動定位協定 (Mobile Location Protocol) 和網際網路連接到所代管的服務即可。
隨著LTO和使用LTO的SUPL技術日益普遍，透過手機享受A-GPS語音導航應用等第一代服務的用戶數目將會逐漸成長。有了這些技術後，任何人只要買支SUPL電話，裝上電信公司提供的SIM手機卡，就能在不連接網路的情形下連續多日使用LTO支援的語音導航功能。相較之下，目前這類應用離開網路幾分鐘就會失效 – 而且往往是在用戶最需要它的時候。
今天的A-GPS已能配合E911系統把醫療人員送到最需要的地方，或是引導使用者經由最快速的路徑從A點移動到B點；再過幾年，A-GPS就會像引導人們走過網路世界的網際網路一樣，以某種類似的力量和彈性引導用戶通過這個實際世界。透過包含LTO和SUPL在內的A-GPS技術協助，我們將能把網際網路革命的某些成果帶回這個真實世界。
在LTO和SUPL的支援下，這類應用正變得日益普及。
結語
自從選擇性干擾被關閉後，地理藏寶和LTO在這五年裡已有長足進步。LTO發展迄今經歷了許多重要事件，它最初是一種國防技術，隨後因為美國總統的行政命令而得以大幅提高精確度以供民眾使用，接著是首度商業應用於iDEN網路，然後又大規模導入HP iPAQ 6500產品，這整個過程可說多采多姿。可預見的是，未來五年的發展會比過去五年更加精采。
在結束這篇文章前，值得一提的是Global Locate LTOP專利的所有人之一最近才在他的小孩和HP iPAQ 6515協助下，前往蘇格蘭進行多次的地理藏寶大探險。他是透過無線網際網路從LTO子網下載LTO資料到HP裝置後順利找到寶藏，這些LTO資料則是WWRN的追蹤資料經過處理而得。就這個探險歷程來說，身在蘇格蘭的他當然有理由舉酒慶祝LTO迄今取得的驚人成就。
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廠商聯絡資訊
關於Global Locate
Global Locate致力為無線裝置和網路提供A-GPS產品與服務，公司總部位於美國加州聖荷西 (San Jose)，在紐約、東京、台北和馬德里則設有業務據點。Global Locate的A-GPS產品線包括World Wide Reference Network (WWRN™)、A-GPS伺服器以及整合式Global Locate® IndoorGPS®晶片組。詳細資訊，請至以下網站查詢：www.globallocate.com。或電洽在台代理商益登科技。
本文介紹Global Locate的長期軌道 (Long Term Orbit，LTO) 技術，有時又稱為「擴充式星曆表」(extended ephemeris) 技術。LTO是一種GPS輔助資料，不需無線連結到輔助性全球定位系統 (Assisted GPS，A-GPS) 伺服器就能提供輔助資料給A-GPS裝置。傳統A-GPS系統雖然大幅改善GPS效能，但是A-GPS裝置幾乎每小時都要連結到A-GPS伺服器以便下載最新的輔助資料。LTO資料則可透過網際網路獲得，而且有效期限長達數天，這使得連結需求大幅降低。
Global Locate透過其全球參考網路 (Worldwide Reference Network，WWRN) 追蹤GPS星座來產生LTO資料。所有GPS衛星的追蹤資料會被編譯成完整的軌道模型，然後產生精確度符合導航要求的未來軌道預測。就長期精確度而言，LTO早已達到廣播星曆 (broadcast ephemeris) 的水準。在商業應用方面，LTO資料不僅獲得HP的iPAQ Mobile Messenger採用，也是行動網路業者部署A-GPS系統以支援E911和行動定位服務 (Mobile Location Services) 時不可或缺的一環。自2002年起，WWRN和LTO基礎設施的系統妥善率一直維持在99.999%以上。LTO使得行動無線用戶只要更新資料一次就能連續數天享受A-GPS的效能優勢，這在緊急狀況或無法上網取得A-GPS資料時非常有用。
LTO可用來實現加強型自主操作 (Enhanced Autonomous operation)，此時GPS裝置不需使用手機辨識 (Cell ID)、精確網路時間或連結到A-GPS伺服器，就能達到A-GPS的首次定位時間 (Time-To-First-Fix，TTFF)、靈敏度和精確度。在安全用戶面定位 (Secure User Plane Location，SUPL) 系統環境裡，LTO為行動網路業者提供媲美或超過傳統A-GPS的效能，成本只有把A-GPS系統整合到控制面 (Control Plane，C-Plane) 架構的幾分之一。
介紹
美國政府於20005年5月1日宣佈一項有關於GPS系統的革命性措施，它也是GPS歷史上最重要的事件之一。當時的美國總統克林頓在其開場白中精準扼要地闡述了這件事的重要性：
「今天，我很高興宣佈美國將從今晚午夜起，不再刻意降低提供給公眾使用GPS訊號的精準度。我們把這項降低精確度的做法 ─ ”選擇性干擾” (Selective Availability，SA) 移除。這表示民間GPS用戶將能把他們的定位精準度提高到目前的十倍以上。」
關閉選擇性干擾擴大了GPS在消費技術領域的用途。就在那天晚上，一種全新的「地理藏寶」(geocaching) 遊戲正式誕生：「有位老兄為了慶祝美國政府關閉選擇性干擾，於是在5月3日把一個裝了寶物的盒子藏到美國奧勒岡州波特蘭市郊某處。到了5月6日，已有兩組人馬找到藏寶地點，其中一人還在盒內的筆記本留下記錄。」就在地理藏寶遊戲出現後數天，LTO也正式誕生。
概念
Global Locate的工程師很快就認識到在沒有選擇性干擾的情形下使用GPS的重要性。私人GPS參考網路不需要消除選擇性干擾造成的誤差就能追蹤衛星軌道。標準軌道模擬技術接著可以利用追蹤資料精確預測未來的軌道資料 (星曆)。美國空軍從GPS衛星所廣播的星曆就是以零誤差的追蹤資料做為基礎，Global Locate也計劃像他們一樣使用自己的追蹤資料做為LTO的基礎。
有了LTO後，GPS應用不再受限於廣播星曆短短4小時的有效期限和50bps的GPS廣播速率。我們現能計算出有效期限長達數天而非數小時的星曆資料。LTO定位精確度實際上已和廣播星曆的定位精確度不相上下。
A-GPS系統至少每隔4小時就須重新傳送輔助資料給無線裝置；相形之下，LTO不用網路就能讓行動裝置連續數天維持高水準的A-GPS定位效能，這對首次定位時間、沒有網路時的導航作業和其它重要的A-GPS用戶經驗都有很大影響。選擇性干擾的關閉大幅提升了GPS的定位精確度，Global Locate也因此得以推出這項前途看好的LTO技術。
架構
美國空軍的第2太空作戰中隊投入大量資源和人力來維持GPS系統控制設施的5個地面監測站作業。這些地面監測站的功能包括蒐集美國空軍在其科羅拉多州獵鷹空軍基地的主控制站 (Master Control Station) 裡計算星曆表所用的追蹤資料。美國空軍從主控制站把這些星曆上傳到衛星，再由衛星把它當成「即時」(live) 星曆廣播出去。
Global Locate很快就瞭解LTO資料的精確度不可能超過其來源，另外它還需要一個至少與監測站一樣可靠的網路。Global Locate 2000年推出LTO時也開始發展一套全球參考網路 (WWRN)，它會蒐集即時星曆、設定格式、再透過無線網路傳送給行動裝置。LTO概念的出現剛好對WWRN產生影響，這套架構專門協助蒐集極端精確可靠的GPS衛星追蹤資料，以便LTO根據這些資料進行運算。
Global Locate認為WWRN應該是99.999%時間都能正常運轉的高冗餘性網路，還能在不到1秒的延遲時間內提供來自所有GPS衛星的廣播星曆。Global Locate隨即以這些要求為起點，展開LTO的發展和商業化作業。
Global Locate為了同時進行LTO和WWRN的開發作業，特別使用美國太空總署噴射推進實驗室 (JPL) 等地球研究機構所提供的GPS資料。Global Locate根據這些精確的軌道資料來源發展出專用軟體，它能利用過去的追蹤資料模擬不同效應對於每顆GPS衛星的運行軌道影響。
LTO計算是以地心引力的質量分佈動態模型為起點 (包含地殼移動、地心運動和其它地質效應)，同時將進動 (precession)、章動 (nutation) 和地磁力全部納入考慮。計算過程從地球表面向外展開，並且模擬海洋和電離層效應以便決定它們對於衛星觀測的影響。月球和其它行星的重力效應也會納入分析，這包括月球的進動和章動。最後，它還會仔細分析可能影響LTO計算的太陽重力與輻射效應以及其它現象。
經過一段時間的深入研究後，初步結果顯示Global Locate應能達成原訂設計目標，為每個GPS衛星建立精確度能夠連續多日維持在1公尺內的軌道模型。跨過了這個初步設計階段後，利用Matlab執行進一步發展和設計最佳化的C++程式碼等工作就進展極為快速。
網路實作
就在Global Locate的一個團隊正在設計LTO模擬程式的同時，另一個網路作業團隊也在發展構成WWRN的各種設施、連結、軟體應用、程序和支援架構。到了最後，只剩下南極大陸沒有WWRN設施。下圖顯示WWRN的整體佈局，我們會在後面簡單介紹安裝在整合資料中心 (Hub Data Center) 的LTO子網路。
圖1：WWRN整體方塊圖
Global Locate在2002年完成WWRN，此後它就一直在提供A-GPS資料服務。WWRN負責產生LTO資料，其核心功能包括即時星曆的蒐集、格式化和重新傳送。如同右下圖所示，WWRN將資料下傳到LTO子網，由子網將資料加入LTO，最後再透過LTO T-n上行鏈路轉送給LTO用戶。
LTO子網包含各種Linux、Unix和Windows伺服器和網路裝置平台以及支援WAAS的商業等級GPS接收機硬體。
圖2：LTO子網負責產生和傳送LTO資料
為了管理LTO模擬應用帶來的龐大運算量，所有處理作業會分散到一群專用的伺服器硬體。這使得LTO子網在幾分鐘內就能重新計算LTO資料，同時將它轉換成可供下載的加密格式。下載過程在56kbps的GPRS網路上只需要一或兩秒，LTO資料還能利用寬頻上行鏈路透過公用網際網路提供給用戶。
效能分析：LTO精確度
Global Locate希望利用LTO發展長期星曆資料，不僅有效期限必須長達數天，定位精確度也要達到廣播星曆的水準。圖3顯示LTO與廣播星曆計算結果的差距 (y軸，以公尺為單位)，從圖中可看出這項目標已經達成。
圖3：LTO與廣播星曆的平均計算結果差異
從圖3可看出計算結果的平均差異變化，「新出爐」LTO資料的差異約為半公尺，接著逐漸增加到4天後的1.2公尺左右。這個誤差小於廣播星曆本身的誤差，因此我們可以忽略它對LBS和E911等行動裝置應用的影響。
圖3的平均差異代表所有GPS衛星的平均值。我們若以0.5天 (12小時) 為間距取出圖3的資料點，再把衛星資料各自展開即可得到圖4所示的12條曲線。我們還能將x軸展開以顯示某個4小時內的有效廣播星曆。從圖中可以看出所有衛星的距離誤差都未超過3公尺，實際誤差通常還會更小。
圖4：利用LTO (間距12小時) 與廣播星曆計算個別衛星距離所得的差異
由於LTO與廣播星曆軌道並不完全相同，使用者常會發現他們位置的絕對精確度會有很小的改變。儘管如此，使用LTO卻更容易取得衛星資料，因為就算訊號太弱或時斷時續而無法解碼取得廣播星曆，接收機仍能使用所有的虛擬距離 (pseudo-ranges)，這使得LTO通常可以提供較好的衛星精確度衰減因子 (Dilution of Precision，DOP)。圖3和4顯示實際應用的精確度可連續數天維持在1公尺內，使用者通常會發現LTO的精確度略高於廣播星曆。
如圖5所示，道路駕駛測試清楚展現了LTO的精確度優勢。圖5裡的兩條測試路線是在美國加州聖荷西市 (San Jose, California) 的商業辦公區和輕工業區進行，其中藍色路線代表接收機使用LTO (加強型自主式)，黃色路線則是使用直接從GPS衛星解碼取得星曆資料的自主式 (autonomous) 接收機。行車路線是從左上角開始，到右下角結束。
圖5：LTO與自主式GPS的導航能力比較
自主式接收機雖能解碼取得多顆衛星的星曆資料，它的精確度衰減因子卻遠不如能夠同時使用所有衛星的LTO接收機。在測試過程中，測試車輛離開停車場後向右轉一次，然後再右轉一次朝向圖裡的東南角落前進，我們從圖中即可看出LTO擁有相當明顯的精確度優勢：藍色LTO路線與實際駕駛路線相當吻合，代表自主式接收機的黃色路線則出現相當大的誤差。
在從03:00開始的大部份直線行駛道路上，黃色路線約比實際行駛路線偏北10公尺，接著它又變成比實際路線偏南約5公尺。這條代表自主式接收機的黃色路線要到05:44開始的最後一段路程才能趕上LTO的精確度，此時這兩條路線就大致重疊在一起。
這兩台接收機同時接上電源和進行熱開機，它們都知道最新的位置和時間，但沒有廣播星曆資料。兩台接收機並排安裝在汽車的儀錶板，它們從熱開機到離開停車場為止的時間都是2分25秒。
效能分析：LTO首次定位時間
前述的精確度實驗證明LTO已實現其兩大承諾之一，至於它在加快首次定位時間方面的優勢將在下述實驗裡得到證明。圖6顯示一台標準自主式GPS接收機和另一台配備加強型自主式LTO的HP iPAQ在多種測試環境 (如圖片所示) 的首次定位時間比較，其中包括這兩台裝置在四個測試環境裡的首次定位時間。
圖6：首次定位時間比較
效能
初步商業部署
在提出原始專利申請後不到30個月的時間，LTO就在數個大型iDEN無線網路展開商業操作。LTO最初是在iDEN行動網路業者所使用的A-GPS伺服器內擔任「緊急GPS資料供應」，其用途是讓A-GPS伺服器能在WWRN饋送給行動網路業者的資料中斷時繼續為iDEN用戶提供輔助資料。
LTO的作業逼真度 (operational fidelity) 已在2002年秋季認證測試 (Fall 2002 Acceptance Testing) 獲得證明，當時A-GPS系統只靠手機的LTO運行，它與A-GPS伺服器的所有資料連線都已中斷，廣播星曆也早已過期。就在這項測試結束後還不到一年，LTO的用途就在颶風伊沙貝爾來襲時獲得證明；伊沙貝爾登陸時，Global Locate客戶的行動網路作業設施全都無法提供即時連線。
雖然沒有外界提供的即時A-GPS資料，A-GPS伺服器仍得以靠著LTO完美運行，並且隨時回應用戶對GPS輔助資料的要求，提供事先計算和儲存在記憶體的LTO (不是廣播) 資料。如前所述，這些LTO的定位精確度就如同最初設想一樣，完全不輸給廣播星曆。狂風暴雨雖僅持續一天，LTO卻已準備好在未來的許多日子裡繼續工作。
圖7：颶風伊沙貝爾於2003年9月18日早上11:50 (EDT時間) 登陸美國東岸
應用導入和大規模商業部署
無論過去或現在，讓LTO在網路裡擔任緊急備援都是這項技術的重要應用之一，只不過Global Locate的最終目標是利用LTO帶動A-GPS行動裝置發展。但在此之前，還有許多工作必須完成。
3GPP已針對行動網路定義多種A-GPS資料服務標準，這意味著LTO資料應能與行動裝置的即時星曆交換使用。LTO雖曾在認證測試過程中實際用於iDEN手機，行動網路業者設施在諸如颶風伊沙貝爾來襲期間也曾經歷短暫的系統效能下降，但LTO在這些事件中扮演的角色其實就像飛機座艙裡的緊急氧氣供應，距離真正獲得消費性產品採用還有一大段距離。Global Locate的目標是把LTO帶到行動裝置用戶手中。
Global Locate已在HP合作下把LTO商業化成為HP新推出 “Quick GPS Connection” 技術背後的引擎，使得這項目標能夠順利實現。Quick GPS Connection是HP為其iPAQ Mobile Messenger 6500系列使用者提供的免費資料下載服務。如圖8所示，6500系列已將LTO帶到行動用戶的手裡。
圖8：HP iPAQ Mobile Messenger 6500系列
6500是智慧型PDA手機，可透過無線下載或基座連接至網際網路來取得LTO資料。因此就算行動網路業者沒有提供A-GPS基礎設施，HP產品仍能取得輔助資料。為iPAQ提供服務的行動網路業者不需做任何事，只要提供管道讓用戶連線到Quick GPS Connection網站即可。他們的用戶將如預期般進入Global Locate設置和管理的LTO子網，整個過程就像是前面的描述。
本文無法詳細介紹iPAQ的直覺式操作界面，只能說它通常會在與個人電腦同步更新資料時或每經過一段預設時間後就透過無線連結自動下載LTO資料。一般而言，多數使用者會在每天開始前執行主動同步 (Active Sync) 功能來取得LTO資料。另外，使用者若有必要還能隨時點選Global Locate圖示以便下載LTO，這個圖示就在iPAQ螢幕界面右下方的一個小圓圈，我們可在圖8的iPAQ圖片裡看到這個圖示。
圖9 (實際資料，y軸尺度刻意隱藏) 顯示許多用戶在作者撰寫本文的同一個星期裡同時連接到Quick GPS Connection基礎設施。圖中每一點都代表一位iPAQ客戶透過Quick GPS Connection進行下載。
圖9：在一個多星期的時間裡下載LTO的用戶數目
不同顏色的部份代表iPAQ的兩個不同市場，分別是由Global Locate位於美東地區 (深灰色) 和美西地區 (淺灰色) 的整合資料中心提供服務。七個峰值顯示上班開車時間的連線數量最多，因為iPAQ用戶通常會在這個時間下載LTO資料。雖然使用者多半是以背景作業方式執行LTO下載，我們仍可從這些峰值看出iPAQ何時處於開機狀態。從左邊算起第5和第6個峰值的幅度較小，代表當時應為週末。這兩組曲線的變化有些落差，因為兩個市場的時區相差約8小時。
圖10 (實際資料，y軸尺度刻意隱藏) 是一段較長時間的LTO下載情形，它把每7天的平均值和峰值 (圖10的紅色和綠色曲線) 壓縮成兩個點。HP iPAQ hw6515在2005年7月1日結束全球測試階段，並正式在市場上推出。
圖10：LTO下載，2005年夏季
優點
在使用和不使用LTO資料的情形下比較HP iPAQ 6500系列等GPS產品的首次定位時間即可看出兩者的差異。使用LTO能省下從衛星下載星曆資料 (以前述50bps緩慢速率) 所需的數分鐘時間，同時將室外的首次定位時間縮短為數秒 (有時甚至不到1秒)，許多室內環境也僅需數十秒。就算應用環境的訊號強度低至-160dBm，它也能收到GPS訊號。
高精確度的好處在於它與用戶從即時星曆取得的資料幾乎完全相同。GPS年曆 (almanac) 是另一種廣為人知的長期軌道資料，但其誤差卻可能達到數百公里。LTO的精確度則媲美傳統A-GPS系統，誤差只有數公尺。
未來展望
雖然Quick GPS Connection確可將LTO帶給手機，但是A-GPS伺服器和應用與LTO的結合才是真正潛力所在。透過開放行動聯盟 (Open Mobile Alliance，OMA) 的SUPL (Secure User Plane for Location) 架構標準，行動網路業者的IP「用戶面」(user plane) 通道不僅能支援LTO，甚至整個A-GPS行動服務基礎設施都能部署在行動網路業界機房以外的其它地方。
LTO的導入很簡單，廠商不必像早期iDEN工程師一樣為了使用A-GPS而整合多家業者的網路。他們只要為裝置增加軔體，使它能透過SUPL的行動定位協定 (Mobile Location Protocol) 和網際網路連接到所代管的服務即可。
隨著LTO和使用LTO的SUPL技術日益普遍，透過手機享受A-GPS語音導航應用等第一代服務的用戶數目將會逐漸成長。有了這些技術後，任何人只要買支SUPL電話，裝上電信公司提供的SIM手機卡，就能在不連接網路的情形下連續多日使用LTO支援的語音導航功能。相較之下，目前這類應用離開網路幾分鐘就會失效 – 而且往往是在用戶最需要它的時候。
今天的A-GPS已能配合E911系統把醫療人員送到最需要的地方，或是引導使用者經由最快速的路徑從A點移動到B點；再過幾年，A-GPS就會像引導人們走過網路世界的網際網路一樣，以某種類似的力量和彈性引導用戶通過這個實際世界。透過包含LTO和SUPL在內的A-GPS技術協助，我們將能把網際網路革命的某些成果帶回這個真實世界。
在LTO和SUPL的支援下，這類應用正變得日益普及。
結語
自從選擇性干擾被關閉後，地理藏寶和LTO在這五年裡已有長足進步。LTO發展迄今經歷了許多重要事件，它最初是一種國防技術，隨後因為美國總統的行政命令而得以大幅提高精確度以供民眾使用，接著是首度商業應用於iDEN網路，然後又大規模導入HP iPAQ 6500產品，這整個過程可說多采多姿。可預見的是，未來五年的發展會比過去五年更加精采。
在結束這篇文章前，值得一提的是Global Locate LTOP專利的所有人之一最近才在他的小孩和HP iPAQ 6515協助下，前往蘇格蘭進行多次的地理藏寶大探險。他是透過無線網際網路從LTO子網下載LTO資料到HP裝置後順利找到寶藏，這些LTO資料則是WWRN的追蹤資料經過處理而得。就這個探險歷程來說，身在蘇格蘭的他當然有理由舉酒慶祝LTO迄今取得的驚人成就。
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關於Global Locate
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