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■ Global Locate/David Lundgren
Global Locate/Frank van Diggelen
本文介绍Global Locate的长期轨道(Long Term Orbit，LTO)技术，有时又称为“扩充式星历表”(extended ephemeris)技术。LTO是一种GPS辅助数据，不需无线连接到辅助性全球定位系统(Assisted GPS，A-GPS)服务器就能提供辅助数据给A-GPS装置。传统A-GPS系统虽然大幅改善GPS效能，但是A-GPS装置几乎每小时都要连接到A-GPS服务器以便下载最新的辅助数据。LTO数据则可透过因特网获得，而且有效期限长达数天，这使得连接需求大幅降低。
Global Locate通过其全球参考网络 (Worldwide Reference Network，WWRN) 追踪GPS星座来产生LTO数据。所有GSP卫星的追踪数据会被编译成完整的轨道模型，然后产生精确度符合导航要求的未来轨道预测。就长期精确度而言，LTO早已达到广播星历 (broadcast ephemeris) 的水平。在商业应用方面，LTO数据不仅获得HP的iPAQ Mobile Messenger采用，也是移动网络业者部署A-GPS系统以支持E911和移动定位服务 (Mobile Location Services) 时不可或缺的一环。自2002年起，WWRN和LTO基础设施的系统妥善率一直维持在99.999%以上。LTO使得移动无线用户只要更新数据一次就能连续数天享受A-GPS的效能优势，这在紧急状况或无法上网取得A-GPS资料时非常有用。
LTO可用来实现加强型自主操作 (Enhanced Autonomous operation)，此时GPS装置不需使用基地台编号手机识别 (Cell ID)、精确网络时间或连接到A-GPS服务器，就能达到A-GPS的首次定位时间 (Time-To-First-Fix，TTFF)、灵敏度和精确度。在安全用户面定位 (Secure User Plane Location，SUPL) 系统环境里，LTO为移动网络业者提供媲美或超过传统A-GPS的效能，成本只有把A-GPS系统整合到控制面 (Control Plane，C-Plane) 架构的几分之一。
提高GPS精准度启动消费领域市场
美国政府于20005年5月1日宣布一项有关于GPS系统的革命性措施，它也是GPS历史上最重要的事件之一。当时的美国总统克林顿在其开场白中精准扼要地阐述了这件事的重要性：
“今天，我很高兴宣布美国将从今晚午夜起，不再刻意降低提供给公众使用的GPS信号的精准度。我们把这项降低精确度的做法——“选择性干扰” (Selective Availability，SA) 移除。这表示民间GPS用户将能把他们的定位精准度提高到目前的10倍以上。”
关闭选择性干扰扩大了GPS在消费技术领域的用途。就在那天晚上，一种全新的“地理藏宝”(geocaching) 游戏正式诞生：“有位老兄为了庆祝美国政府关闭选择性干扰，于是在5月3日把一个装了宝物的盒子藏到美国奥勒冈州波特兰市郊某处。到了5月6日，已有两组人马找到藏宝地点，其中一人还在盒内的笔记本留下记录。”就在地理藏宝游戏出现后数天，LTO也正式诞生。
LTO带来了什么？
Global Locate的工程师很快就认识到在没有选择性干扰的情形下使用GPS的重要性。私人GPS参考网络不需要消除选择性干扰造成的误差就能追踪卫星轨道。标准轨道仿真技术接着可以利用追踪资料精确预测未来的轨道数据 (星历)。美国空军从GPS卫星所广播的星历就是以零误差的追踪数据做为基础，Global Locate也计划像他们一样使用自己的追踪数据做为LTO的基础。
有了LTO后，GPS应用不再受限于广播星历短短4小时的有效期限和50bps的GPS广播速率。我们现能计算出有效期限长达数天而非数小时的星历数据。LTO定位精确度实际上已和广播星历的定位精确度不相上下。
A-GPS系统至少每隔4小时就须重新传送辅助数据给无线装置；相形之下，LTO不用网络就能让移动装置连续数天维持高水平的A-GPS定位效能，这对首次定位时间、没有网络时的导航作业和其它重要的A-GPS用户经验都有很大影响。选择性干扰的关闭大幅提升了GPS的定位精确度，Global Locate也因此得以推出这项前途看好的LTO技术。
图1：WWRN整体方块图
LTO的网络架构
美国空军的第二太空作战中队投入大量资源和人力来维持GPS系统控制设施的5个地面监测站作业。这些地面监测站的功能包括搜集美国空军在其科罗拉多州猎鹰空军基地的主控制站 (Master Control Station) 里计算星历表所用的追踪数据。美国空军从主控制站把这些星历上传到卫星，再由卫星把它当成“实时”(live) 星历广播出去。
Global Locate很快就了解LTO数据的精确度不可能超过其来源，另外它还需要一个至少与监测站一样可靠的网络。Global Locate 2000年推出LTO时也开始发展一套全球参考网络 (WWRN)，它会搜集实时星历、设定格式、再透过无线网络传送给移动装置。LTO概念的出现刚好对WWRN产生影响，这套架构专门协助搜集极端精确可靠的GPS卫星追踪数据，以便LTO根据这些资料进行运算。
Global Locate认为WWRN应该是99.999%时间都能正常运转的高冗余性网络，还能在不到1秒的延迟时间内提供来自所有GPS卫星的广播星历。Global Locate随即以这些要求为起点，展开LTO的发展和商业化作业。
Global Locate为了同时进行LTO和WWRN的开发作业，特别使用美国太空总署喷射推进实验室 (JPL) 等地球研究机构所提供的GPS资料。Global Locate根据这些精确的轨道资料来源发展出专用软件，它能利用过去的追踪数据仿真不同效应对于每颗GPS卫星的运行轨道影响。
图2：LTO子网负责产生和传送LTO数据
LTO计算是以地心引力的质量分布动态模型为起点 (包含地壳移动、地心运动和其它地质效应)，同时将进动 (precession)、章动 (nutation) 和地磁力全部纳入考虑。计算过程从地球表面向外展开，并且模拟海洋和电离层效应以便决定它们对于卫星观测的影响。月球和其它行星的重力效应也会纳入分析，这包括月球的进动和章动。最后，它还会仔细分析可能影响LTO计算的太阳重力与辐射效应以及其它现象。
经过一段时间的深入研究后，初步结果显示Global Locate应能达成原订设计目标，为每个GPS卫星建立精确度能够连续多日维持在1 m内的轨道模型。跨过了这个初步设计阶段后，利用Matlab执行进一步发展和设计最佳化的C++程序代码等工作就进展极为快速。
网络实作
就在Global Locate的一个团队正在设计LTO仿真程序的同时，另一个网络作业团队也在发展构成WWRN的各种设施、连接、软件应用、程序和支持架构。到了最后，只剩下南极大陆没有WWRN设施。下图显示WWRN的整体布局，我们会在后面简单介绍安装在整合数据中心 (Hub Data Center) 的LTO子网络。
Global Locate在2002年完成WWRN，此后它就一直在提供A-GPS数据服务。WWRN负责产生LTO数据，其核心功能包括实时星历的搜集、格式化和重新传送。如同右下图所示，WWRN将数据下传到LTO子网，由子网将数据加入LTO，最后再透过LTO T-n上行链路转送给LTO用户。
LTO子网包含各种Linux、Unix和Windows服务器和网络装置平台以及支持WAAS的商业等级GPS接收机硬件。
为了管理LTO模拟应用带来的庞大运算量，所有处理作业会分散到一群专用的服务器硬件。这使得LTO子网在几分钟内就能重新计算LTO数据，同时将它转换成可供下载的加密格式。下载过程在56kbps的GPRS网络上只需要一或两秒，LTO数据还能利用宽带上行链路通过公用因特网提供给用户。
图3：LTO与广播星历的平均计算结果差异
图4：利用LTO (间距12小时) 与广播星历计算个别卫星距离所得的差异
效能分析：LTO精确度
Global Locate希望利用LTO发展长期星历数据，不仅有效期限必须长达数天，定位精确度也要达到广播星历的水平。图3显示LTO与广播星历计算结果的差距 (y轴，以 m为单位)，从图中可看出这项目标已经达成。
从图3可看出计算结果的平均差异变化，“新出炉”LTO数据的差异约为半 m，接着逐渐增加到4天后的1.2 m左右。这个误差小于广播星历本身的误差，因此我们可以忽略它对LBS和E911等移动装置应用的影响。
图3的平均差异代表所有GPS卫星的平均值。我们若以0.5天 (12小时) 为间距取出图3的数据点，再把卫星数据各自展开即可得到图4所示的12条曲线。我们还能将x轴展开以显示某个4小时内的有效广播星历。从图中可以看出所有卫星的距离误差都未超过3 m，实际误差通常还会更小。
由于LTO与广播星历轨道并不完全相同，使用者常会发现他们位置的绝对精确度会有很小的改变。尽管如此，使用LTO却更容易取得卫星数据，因为就算信号太弱或时断时续而无法译码取得广播星历，接收机仍能使用所有的虚拟距离 (pseudo-ranges)，这使得LTO通常可以提供较好的卫星精确度衰减因子 (Dilution of Precision，DOP)。图3和4显示实际应用的精确度可连续数天维持在1 m内，使用者通常会发现LTO的精确度略高于广播星历。
如图5所示，道路驾驶测试清楚展现了LTO的精确度优势。图5里的两条测试路线是在美国加州圣荷西市 (San Jose, California) 的商业办公区和轻工业区进行，其中蓝色路线代表接收机使用LTO (加强型自主式)，黄色路线则是使用直接从GPS卫星译码取得星历数据的自主式 (autonomous) 接收机。行车路线是从左上角开始，到右下角结束。
图5：LTO与自主式GPS的导航能力比较
自主式接收机虽能译码取得多颗卫星的星历数据，它的精确度衰减因子却远不如能够同时使用所有卫星的LTO接收机。在测试过程中，测试车辆离开停车场后向右转一次，然后再右转一次朝向图里的东南角落前进，我们从图中即可看出LTO拥有相当明显的精确度优势：蓝色LTO路线与实际驾驶路线相当吻合，代表自主式接收机的黄色路线则出现相当大的误差。
在从03:00开始的大部份直线行驶道路上，黄色路线约比实际行驶路线偏北10 m，接着它又变成比实际路线偏南约5 m。这条代表自主式接收机的黄色路线要到05:44开始的最后一段路程才能赶上LTO的精确度，此时这两条路线就大致重叠在一起。
这两台接收机同时接上电源和进行热开机，它们都知道最新的位置和时间，但没有广播星历数据。两台接收机并排安装在汽车的仪表板，它们从热开机到离开停车场为止的时间都是2分25秒。
图6：首次定位时间比较
效能分析：LTO首次定位时间
前述的精确度实验证明LTO已实现其两大承诺之一，至于它在加快首次定位时间方面的优势将在下述实验里得到证明。图6显示一台标准自主式GPS接收机和另一台配备加强型自主式LTO的HP iPAQ在多种测试环境 (如图片所示) 的首次定位时间比较，其中包括这两台装置在4个测试环境里的首次定位时间。
初步商业部署
在提出原始专利申请后不到30个月的时间，LTO就在数个大型iDEN无线网络展开商业操作。LTO最初是在iDEN移动网络业者所使用的A-GPS服务器内担任“紧急GPS数据供应”，其用途是让A-GPS服务器能在WWRN馈送给移动网络业者的数据中断时继续为iDEN用户提供辅助数据。
LTO的作业逼真度 (operational fidelity) 已在2002年秋季认证测试 (Fall 2002 Acceptance Testing) 获得证明，当时A-GPS系统只靠手机的LTO运行，它与A-GPS服务器的所有数据联机都已中断，广播星历也早已过期。就在这项测试结束后还不到一年，LTO的用途就在飓风伊沙贝尔来袭时获得证明；伊沙贝尔登陆时，Global Locate客户的移动网络作业设施全都无法提供实时联机。
虽然没有外界提供的实时A-GPS数据，A-GPS服务器仍得以靠着LTO完美运行，并且随时响应用户对GPS辅助数据的要求，提供事先计算和储存在内存的LTO (不是广播) 数据。如前所述，这些LTO的定位精确度就如同最初设想一样，完全不输给广播星历。狂风暴雨虽仅持续一天，LTO却已准备好在未来的许多日子里继续工作。
应用导入和大规模商业部署
无论过去或现在，让LTO在网络里担任紧急备援都是这项技术的重要应用之一，只不过Global Locate的最终目标是利用LTO带动A-GPS移动装置发展。但在此之前，还有许多工作必须完成。
3GPP已针对移动网络定义多种A-GPS数据服务标准，这意味着LTO数据应能与移动装置的实时星历交换使用。LTO虽曾在认证测试过程中实际用于iDEN手机，移动网络业者设施在诸如飓风伊沙贝尔来袭期间也曾经历短暂的系统效能下降，但LTO在这些事件中扮演的角色其实就像飞机座舱里的紧急氧气供应，距离真正获得消费性产品采用还有一大段距离。Global Locate的目标是把LTO带到移动装置用户手中。
Global Locate已在HP合作下把LTO商业化成为HP新推出 “Quick GPS Connection” 技术背后的引擎，使得这项目标能够顺利实现。Quick GPS Connection是HP为其iPAQ Mobile Messenger 6500系列使用者提供的免费数据下载服务。如图8所示，6500系列已将LTO带到移动用户的手里。
6500是智能型PDA手机，可透过无线下载或基座连接至因特网来取得LTO数据。因此就算移动网络业者没有提供A-GPS基础设施，HP产品仍能取得辅助数据。为iPAQ提供服务的移动网络业者不需做任何事，只要提供管道让用户联机到Quick GPS Connection网站即可。他们的用户将如预期般进入Global Locate设置和管理的LTO子网，整个过程就像是前面的描述。
图7：飓风伊沙贝尔于2003年9月18日早上11:50 (EDT时间) 登陆美国东岸
图8：HP iPAQ Mobile Messenger 6500系列
本文无法详细介绍iPAQ的直觉式操作界面，只能说它通常会在与个人计算机同步更新数据时或每经过一段预设时间后就透过无线连接自动下载LTO数据。一般而言，多数使用者会在每天开始前执行主动同步 (Active Sync) 功能来取得LTO数据。另外，使用者若有必要还能随时点选Global Locate图示以便下载LTO，这个图标就在iPAQ屏幕界面右下方的一个小圆圈，我们可在图8的iPAQ图片里看到这个图标。
图9：在一个多星期的时间里下载LTO的用户数目
图9 (实际资料，y轴尺度刻意隐藏) 显示许多用户在作者撰写本文的同一个星期里同时连接到Quick GPS Connection基础设施。图中每一点都代表一位iPAQ客户透过Quick GPS Connection进行下载。
不同颜色的部份代表iPAQ的两个不同市场，分别是由Global Locate位于美东地区 (深灰色) 和美西地区 (浅灰色) 的整合数据中心提供服务。7个峰值显示上班开车时间的联机数量最多，因为iPAQ用户通常会在这个时间下载LTO数据。虽然使用者多半是以背景作业方式执行LTO下载，我们仍可从这些峰值看出iPAQ何时处于开机状态。从左边算起第5和第6个峰值的幅度较小，代表当时应为周末。这两组曲线的变化有些落差，因为两个市场的时区相差约8小时。
图10：LTO下载，2005年夏季
图10 (实际数据，y轴尺度刻意隐藏) 是一段较长时间的LTO下载情形，它把每7天的平均值和峰值 (图10的红色和绿色曲线) 压缩成两个点。HP iPAQ hw6515在2005年7月1日结束全球测试阶段，并正式在市场上推出。
采用LTO技术的优势
在使用和不使用LTO数据的情形下比较HP iPAQ 6500系列等GPS产品的首次定位时间即可看出两者的差异。使用LTO能省下从卫星下载星历数据 (以前述50bps缓慢速率) 所需的数分钟时间，同时将室外的首次定位时间缩短为数秒 (有时甚至不到1秒)，许多室内环境也仅需数十秒。就算应用环境的信号强度低至-160dBm，它也能收到GPS信号。
高精确度的好处在于它与用户从实时星历取得的数据几乎完全相同。GPS年历 (almanac) 是另一种广为人知的长期轨道数据，但其误差却可能达到数百公里。LTO的精确度则媲美传统A-GPS系统，误差只有数米。
未来展望
虽然Quick GPS Connection确可将LTO带给手机，但是A-GPS服务器和应用与LTO的结合才是真正潜力所在。透过开放移动联盟 (Open Mobile Alliance，OMA) 的SUPL (Secure User Plane for Location) 架构标准，移动网络业者的IP“用户面”(user plane) 通道不仅能支持LTO，甚至整个A-GPS移动服务基础设施都能部署在移动网络业界机房以外的其它地方。
LTO的导入很简单，厂商不必像早期iDEN工程师一样为了使用A-GPS而整合多家业者的网络。他们只要为装置增加固件程序，使它能透过SUPL的移动定位协议 (Mobile Location Protocol) 和因特网连接到所代管的服务即可。
随着LTO和使用LTO的SUPL技术日益普遍，透过手机享受A-GPS语音导航应用等第一代服务的用户数目将会逐渐成长。有了这些技术后，任何人只要买支SUPL电话，装上电信公司提供的SIM手机卡，就能在不连接网络的情形下连续多日使用LTO支持的语音导航功能。相较之下，目前这类应用离开网络几分钟就会失效，而且往往是在用户最需要它的时候。
今天的A-GPS已能配合E911系统把医疗人员送到最需要的地方，或是引导使用者经由最快速的路径从A点移动到B点；再过几年，A-GPS就会像引导人们走过网络世界的因特网一样，以某种类似的力量和弹性引导用户通过这个实际世界。透过包含LTO和SUPL在内的A-GPS技术协助，我们将能把因特网革命的某些成果带回这个真实世界。
在LTO和SUPL的支持下，这类应用正变得日益普及。
结语
自从选择性干扰被关闭后，地理藏宝和LTO在这5年里已有长足进步。LTO发展迄今经历了许多重要事件，它最初是一种国防技术，随后因为美国总统的行政命令而得以大幅提高精确度以供民众使用，接着是首度商业应用于iDEN网络，然后又大规模导入HP iPAQ 6500产品，这整个过程可说多采多姿。可预见的是，未来5年的发展会比过去5年更加精采。
在结束这篇文章前，值得一提的是Global Locate LTOP专利的所有人之一最近才在他的小孩和HP iPAQ 6515协助下，前往苏格兰进行多次的地理藏宝大探险。他是透过无线因特网从LTO子网下载LTO数据到HP装置后顺利找到宝藏，这些LTO数据则是WWRN的追踪数据经过处理而得。就这个探险历程来说，身在苏格兰的他当然有理由举酒庆祝LTO迄今取得的惊人成就。
Global Locate/Frank van Diggelen
本文介绍Global Locate的长期轨道(Long Term Orbit，LTO)技术，有时又称为“扩充式星历表”(extended ephemeris)技术。LTO是一种GPS辅助数据，不需无线连接到辅助性全球定位系统(Assisted GPS，A-GPS)服务器就能提供辅助数据给A-GPS装置。传统A-GPS系统虽然大幅改善GPS效能，但是A-GPS装置几乎每小时都要连接到A-GPS服务器以便下载最新的辅助数据。LTO数据则可透过因特网获得，而且有效期限长达数天，这使得连接需求大幅降低。
Global Locate通过其全球参考网络 (Worldwide Reference Network，WWRN) 追踪GPS星座来产生LTO数据。所有GSP卫星的追踪数据会被编译成完整的轨道模型，然后产生精确度符合导航要求的未来轨道预测。就长期精确度而言，LTO早已达到广播星历 (broadcast ephemeris) 的水平。在商业应用方面，LTO数据不仅获得HP的iPAQ Mobile Messenger采用，也是移动网络业者部署A-GPS系统以支持E911和移动定位服务 (Mobile Location Services) 时不可或缺的一环。自2002年起，WWRN和LTO基础设施的系统妥善率一直维持在99.999%以上。LTO使得移动无线用户只要更新数据一次就能连续数天享受A-GPS的效能优势，这在紧急状况或无法上网取得A-GPS资料时非常有用。
LTO可用来实现加强型自主操作 (Enhanced Autonomous operation)，此时GPS装置不需使用基地台编号手机识别 (Cell ID)、精确网络时间或连接到A-GPS服务器，就能达到A-GPS的首次定位时间 (Time-To-First-Fix，TTFF)、灵敏度和精确度。在安全用户面定位 (Secure User Plane Location，SUPL) 系统环境里，LTO为移动网络业者提供媲美或超过传统A-GPS的效能，成本只有把A-GPS系统整合到控制面 (Control Plane，C-Plane) 架构的几分之一。
提高GPS精准度启动消费领域市场
美国政府于20005年5月1日宣布一项有关于GPS系统的革命性措施，它也是GPS历史上最重要的事件之一。当时的美国总统克林顿在其开场白中精准扼要地阐述了这件事的重要性：
“今天，我很高兴宣布美国将从今晚午夜起，不再刻意降低提供给公众使用的GPS信号的精准度。我们把这项降低精确度的做法——“选择性干扰” (Selective Availability，SA) 移除。这表示民间GPS用户将能把他们的定位精准度提高到目前的10倍以上。”
关闭选择性干扰扩大了GPS在消费技术领域的用途。就在那天晚上，一种全新的“地理藏宝”(geocaching) 游戏正式诞生：“有位老兄为了庆祝美国政府关闭选择性干扰，于是在5月3日把一个装了宝物的盒子藏到美国奥勒冈州波特兰市郊某处。到了5月6日，已有两组人马找到藏宝地点，其中一人还在盒内的笔记本留下记录。”就在地理藏宝游戏出现后数天，LTO也正式诞生。
LTO带来了什么？
Global Locate的工程师很快就认识到在没有选择性干扰的情形下使用GPS的重要性。私人GPS参考网络不需要消除选择性干扰造成的误差就能追踪卫星轨道。标准轨道仿真技术接着可以利用追踪资料精确预测未来的轨道数据 (星历)。美国空军从GPS卫星所广播的星历就是以零误差的追踪数据做为基础，Global Locate也计划像他们一样使用自己的追踪数据做为LTO的基础。
有了LTO后，GPS应用不再受限于广播星历短短4小时的有效期限和50bps的GPS广播速率。我们现能计算出有效期限长达数天而非数小时的星历数据。LTO定位精确度实际上已和广播星历的定位精确度不相上下。
A-GPS系统至少每隔4小时就须重新传送辅助数据给无线装置；相形之下，LTO不用网络就能让移动装置连续数天维持高水平的A-GPS定位效能，这对首次定位时间、没有网络时的导航作业和其它重要的A-GPS用户经验都有很大影响。选择性干扰的关闭大幅提升了GPS的定位精确度，Global Locate也因此得以推出这项前途看好的LTO技术。
图1：WWRN整体方块图
LTO的网络架构
美国空军的第二太空作战中队投入大量资源和人力来维持GPS系统控制设施的5个地面监测站作业。这些地面监测站的功能包括搜集美国空军在其科罗拉多州猎鹰空军基地的主控制站 (Master Control Station) 里计算星历表所用的追踪数据。美国空军从主控制站把这些星历上传到卫星，再由卫星把它当成“实时”(live) 星历广播出去。
Global Locate很快就了解LTO数据的精确度不可能超过其来源，另外它还需要一个至少与监测站一样可靠的网络。Global Locate 2000年推出LTO时也开始发展一套全球参考网络 (WWRN)，它会搜集实时星历、设定格式、再透过无线网络传送给移动装置。LTO概念的出现刚好对WWRN产生影响，这套架构专门协助搜集极端精确可靠的GPS卫星追踪数据，以便LTO根据这些资料进行运算。
Global Locate认为WWRN应该是99.999%时间都能正常运转的高冗余性网络，还能在不到1秒的延迟时间内提供来自所有GPS卫星的广播星历。Global Locate随即以这些要求为起点，展开LTO的发展和商业化作业。
Global Locate为了同时进行LTO和WWRN的开发作业，特别使用美国太空总署喷射推进实验室 (JPL) 等地球研究机构所提供的GPS资料。Global Locate根据这些精确的轨道资料来源发展出专用软件，它能利用过去的追踪数据仿真不同效应对于每颗GPS卫星的运行轨道影响。
图2：LTO子网负责产生和传送LTO数据
LTO计算是以地心引力的质量分布动态模型为起点 (包含地壳移动、地心运动和其它地质效应)，同时将进动 (precession)、章动 (nutation) 和地磁力全部纳入考虑。计算过程从地球表面向外展开，并且模拟海洋和电离层效应以便决定它们对于卫星观测的影响。月球和其它行星的重力效应也会纳入分析，这包括月球的进动和章动。最后，它还会仔细分析可能影响LTO计算的太阳重力与辐射效应以及其它现象。
经过一段时间的深入研究后，初步结果显示Global Locate应能达成原订设计目标，为每个GPS卫星建立精确度能够连续多日维持在1 m内的轨道模型。跨过了这个初步设计阶段后，利用Matlab执行进一步发展和设计最佳化的C++程序代码等工作就进展极为快速。
网络实作
就在Global Locate的一个团队正在设计LTO仿真程序的同时，另一个网络作业团队也在发展构成WWRN的各种设施、连接、软件应用、程序和支持架构。到了最后，只剩下南极大陆没有WWRN设施。下图显示WWRN的整体布局，我们会在后面简单介绍安装在整合数据中心 (Hub Data Center) 的LTO子网络。
Global Locate在2002年完成WWRN，此后它就一直在提供A-GPS数据服务。WWRN负责产生LTO数据，其核心功能包括实时星历的搜集、格式化和重新传送。如同右下图所示，WWRN将数据下传到LTO子网，由子网将数据加入LTO，最后再透过LTO T-n上行链路转送给LTO用户。
LTO子网包含各种Linux、Unix和Windows服务器和网络装置平台以及支持WAAS的商业等级GPS接收机硬件。
为了管理LTO模拟应用带来的庞大运算量，所有处理作业会分散到一群专用的服务器硬件。这使得LTO子网在几分钟内就能重新计算LTO数据，同时将它转换成可供下载的加密格式。下载过程在56kbps的GPRS网络上只需要一或两秒，LTO数据还能利用宽带上行链路通过公用因特网提供给用户。
图3：LTO与广播星历的平均计算结果差异
图4：利用LTO (间距12小时) 与广播星历计算个别卫星距离所得的差异
效能分析：LTO精确度
Global Locate希望利用LTO发展长期星历数据，不仅有效期限必须长达数天，定位精确度也要达到广播星历的水平。图3显示LTO与广播星历计算结果的差距 (y轴，以 m为单位)，从图中可看出这项目标已经达成。
从图3可看出计算结果的平均差异变化，“新出炉”LTO数据的差异约为半 m，接着逐渐增加到4天后的1.2 m左右。这个误差小于广播星历本身的误差，因此我们可以忽略它对LBS和E911等移动装置应用的影响。
图3的平均差异代表所有GPS卫星的平均值。我们若以0.5天 (12小时) 为间距取出图3的数据点，再把卫星数据各自展开即可得到图4所示的12条曲线。我们还能将x轴展开以显示某个4小时内的有效广播星历。从图中可以看出所有卫星的距离误差都未超过3 m，实际误差通常还会更小。
由于LTO与广播星历轨道并不完全相同，使用者常会发现他们位置的绝对精确度会有很小的改变。尽管如此，使用LTO却更容易取得卫星数据，因为就算信号太弱或时断时续而无法译码取得广播星历，接收机仍能使用所有的虚拟距离 (pseudo-ranges)，这使得LTO通常可以提供较好的卫星精确度衰减因子 (Dilution of Precision，DOP)。图3和4显示实际应用的精确度可连续数天维持在1 m内，使用者通常会发现LTO的精确度略高于广播星历。
如图5所示，道路驾驶测试清楚展现了LTO的精确度优势。图5里的两条测试路线是在美国加州圣荷西市 (San Jose, California) 的商业办公区和轻工业区进行，其中蓝色路线代表接收机使用LTO (加强型自主式)，黄色路线则是使用直接从GPS卫星译码取得星历数据的自主式 (autonomous) 接收机。行车路线是从左上角开始，到右下角结束。
图5：LTO与自主式GPS的导航能力比较
自主式接收机虽能译码取得多颗卫星的星历数据，它的精确度衰减因子却远不如能够同时使用所有卫星的LTO接收机。在测试过程中，测试车辆离开停车场后向右转一次，然后再右转一次朝向图里的东南角落前进，我们从图中即可看出LTO拥有相当明显的精确度优势：蓝色LTO路线与实际驾驶路线相当吻合，代表自主式接收机的黄色路线则出现相当大的误差。
在从03:00开始的大部份直线行驶道路上，黄色路线约比实际行驶路线偏北10 m，接着它又变成比实际路线偏南约5 m。这条代表自主式接收机的黄色路线要到05:44开始的最后一段路程才能赶上LTO的精确度，此时这两条路线就大致重叠在一起。
这两台接收机同时接上电源和进行热开机，它们都知道最新的位置和时间，但没有广播星历数据。两台接收机并排安装在汽车的仪表板，它们从热开机到离开停车场为止的时间都是2分25秒。
图6：首次定位时间比较
效能分析：LTO首次定位时间
前述的精确度实验证明LTO已实现其两大承诺之一，至于它在加快首次定位时间方面的优势将在下述实验里得到证明。图6显示一台标准自主式GPS接收机和另一台配备加强型自主式LTO的HP iPAQ在多种测试环境 (如图片所示) 的首次定位时间比较，其中包括这两台装置在4个测试环境里的首次定位时间。
初步商业部署
在提出原始专利申请后不到30个月的时间，LTO就在数个大型iDEN无线网络展开商业操作。LTO最初是在iDEN移动网络业者所使用的A-GPS服务器内担任“紧急GPS数据供应”，其用途是让A-GPS服务器能在WWRN馈送给移动网络业者的数据中断时继续为iDEN用户提供辅助数据。
LTO的作业逼真度 (operational fidelity) 已在2002年秋季认证测试 (Fall 2002 Acceptance Testing) 获得证明，当时A-GPS系统只靠手机的LTO运行，它与A-GPS服务器的所有数据联机都已中断，广播星历也早已过期。就在这项测试结束后还不到一年，LTO的用途就在飓风伊沙贝尔来袭时获得证明；伊沙贝尔登陆时，Global Locate客户的移动网络作业设施全都无法提供实时联机。
虽然没有外界提供的实时A-GPS数据，A-GPS服务器仍得以靠着LTO完美运行，并且随时响应用户对GPS辅助数据的要求，提供事先计算和储存在内存的LTO (不是广播) 数据。如前所述，这些LTO的定位精确度就如同最初设想一样，完全不输给广播星历。狂风暴雨虽仅持续一天，LTO却已准备好在未来的许多日子里继续工作。
应用导入和大规模商业部署
无论过去或现在，让LTO在网络里担任紧急备援都是这项技术的重要应用之一，只不过Global Locate的最终目标是利用LTO带动A-GPS移动装置发展。但在此之前，还有许多工作必须完成。
3GPP已针对移动网络定义多种A-GPS数据服务标准，这意味着LTO数据应能与移动装置的实时星历交换使用。LTO虽曾在认证测试过程中实际用于iDEN手机，移动网络业者设施在诸如飓风伊沙贝尔来袭期间也曾经历短暂的系统效能下降，但LTO在这些事件中扮演的角色其实就像飞机座舱里的紧急氧气供应，距离真正获得消费性产品采用还有一大段距离。Global Locate的目标是把LTO带到移动装置用户手中。
Global Locate已在HP合作下把LTO商业化成为HP新推出 “Quick GPS Connection” 技术背后的引擎，使得这项目标能够顺利实现。Quick GPS Connection是HP为其iPAQ Mobile Messenger 6500系列使用者提供的免费数据下载服务。如图8所示，6500系列已将LTO带到移动用户的手里。
6500是智能型PDA手机，可透过无线下载或基座连接至因特网来取得LTO数据。因此就算移动网络业者没有提供A-GPS基础设施，HP产品仍能取得辅助数据。为iPAQ提供服务的移动网络业者不需做任何事，只要提供管道让用户联机到Quick GPS Connection网站即可。他们的用户将如预期般进入Global Locate设置和管理的LTO子网，整个过程就像是前面的描述。
图7：飓风伊沙贝尔于2003年9月18日早上11:50 (EDT时间) 登陆美国东岸
图8：HP iPAQ Mobile Messenger 6500系列
本文无法详细介绍iPAQ的直觉式操作界面，只能说它通常会在与个人计算机同步更新数据时或每经过一段预设时间后就透过无线连接自动下载LTO数据。一般而言，多数使用者会在每天开始前执行主动同步 (Active Sync) 功能来取得LTO数据。另外，使用者若有必要还能随时点选Global Locate图示以便下载LTO，这个图标就在iPAQ屏幕界面右下方的一个小圆圈，我们可在图8的iPAQ图片里看到这个图标。
图9：在一个多星期的时间里下载LTO的用户数目
图9 (实际资料，y轴尺度刻意隐藏) 显示许多用户在作者撰写本文的同一个星期里同时连接到Quick GPS Connection基础设施。图中每一点都代表一位iPAQ客户透过Quick GPS Connection进行下载。
不同颜色的部份代表iPAQ的两个不同市场，分别是由Global Locate位于美东地区 (深灰色) 和美西地区 (浅灰色) 的整合数据中心提供服务。7个峰值显示上班开车时间的联机数量最多，因为iPAQ用户通常会在这个时间下载LTO数据。虽然使用者多半是以背景作业方式执行LTO下载，我们仍可从这些峰值看出iPAQ何时处于开机状态。从左边算起第5和第6个峰值的幅度较小，代表当时应为周末。这两组曲线的变化有些落差，因为两个市场的时区相差约8小时。
图10：LTO下载，2005年夏季
图10 (实际数据，y轴尺度刻意隐藏) 是一段较长时间的LTO下载情形，它把每7天的平均值和峰值 (图10的红色和绿色曲线) 压缩成两个点。HP iPAQ hw6515在2005年7月1日结束全球测试阶段，并正式在市场上推出。
采用LTO技术的优势
在使用和不使用LTO数据的情形下比较HP iPAQ 6500系列等GPS产品的首次定位时间即可看出两者的差异。使用LTO能省下从卫星下载星历数据 (以前述50bps缓慢速率) 所需的数分钟时间，同时将室外的首次定位时间缩短为数秒 (有时甚至不到1秒)，许多室内环境也仅需数十秒。就算应用环境的信号强度低至-160dBm，它也能收到GPS信号。
高精确度的好处在于它与用户从实时星历取得的数据几乎完全相同。GPS年历 (almanac) 是另一种广为人知的长期轨道数据，但其误差却可能达到数百公里。LTO的精确度则媲美传统A-GPS系统，误差只有数米。
未来展望
虽然Quick GPS Connection确可将LTO带给手机，但是A-GPS服务器和应用与LTO的结合才是真正潜力所在。透过开放移动联盟 (Open Mobile Alliance，OMA) 的SUPL (Secure User Plane for Location) 架构标准，移动网络业者的IP“用户面”(user plane) 通道不仅能支持LTO，甚至整个A-GPS移动服务基础设施都能部署在移动网络业界机房以外的其它地方。
LTO的导入很简单，厂商不必像早期iDEN工程师一样为了使用A-GPS而整合多家业者的网络。他们只要为装置增加固件程序，使它能透过SUPL的移动定位协议 (Mobile Location Protocol) 和因特网连接到所代管的服务即可。
随着LTO和使用LTO的SUPL技术日益普遍，透过手机享受A-GPS语音导航应用等第一代服务的用户数目将会逐渐成长。有了这些技术后，任何人只要买支SUPL电话，装上电信公司提供的SIM手机卡，就能在不连接网络的情形下连续多日使用LTO支持的语音导航功能。相较之下，目前这类应用离开网络几分钟就会失效，而且往往是在用户最需要它的时候。
今天的A-GPS已能配合E911系统把医疗人员送到最需要的地方，或是引导使用者经由最快速的路径从A点移动到B点；再过几年，A-GPS就会像引导人们走过网络世界的因特网一样，以某种类似的力量和弹性引导用户通过这个实际世界。透过包含LTO和SUPL在内的A-GPS技术协助，我们将能把因特网革命的某些成果带回这个真实世界。
在LTO和SUPL的支持下，这类应用正变得日益普及。
结语
自从选择性干扰被关闭后，地理藏宝和LTO在这5年里已有长足进步。LTO发展迄今经历了许多重要事件，它最初是一种国防技术，随后因为美国总统的行政命令而得以大幅提高精确度以供民众使用，接着是首度商业应用于iDEN网络，然后又大规模导入HP iPAQ 6500产品，这整个过程可说多采多姿。可预见的是，未来5年的发展会比过去5年更加精采。
在结束这篇文章前，值得一提的是Global Locate LTOP专利的所有人之一最近才在他的小孩和HP iPAQ 6515协助下，前往苏格兰进行多次的地理藏宝大探险。他是透过无线因特网从LTO子网下载LTO数据到HP装置后顺利找到宝藏，这些LTO数据则是WWRN的追踪数据经过处理而得。就这个探险历程来说，身在苏格兰的他当然有理由举酒庆祝LTO迄今取得的惊人成就。