新一代GPS终端的跨平台设计趋势
2012-06-24 21:44:38   来源：   作者:    评论：0

　　
　　在电子产品的市场，GPS近两年的销售表现相当受到注目。GPS技术可以应用的领域极广，它已从军事及地理信息的运用，成功跨入汽车及PDA导航的领域，并进一步成为手机增值功能的优先选项。这种位置服务(Location-based Service, LBS)的应用还在起步阶段，未来可行的模式仍在发展当中。

　　以车用导航来说，GPS除了路径指引的功能外，也能结合路况通报，及早指示驾驶人避开拥堵的路段；它也能做为多台汽车的车队管理(fleet management)用途，甚至做为公车位置的显示。在个人追踪方面，GPS能用作紧急救助时的追踪定位，最知名的例子是美国所提出的E911法案，要求每台手机中都要安装GPS的定位功能，以便在紧急状况下能呼叫及定位追踪。当然，这项功能可以衍生做为家庭、医院对老人、小孩、病人的追踪和照顾。

　　此外，GPS的用途也能够非常的生活化，例如用在找人的功能，也就是在人潮众多的地方，如在商场、球场或电影院中找到相约的朋友，或是在广大的停车场中找到自己的车子。如果和所谓的“兴趣点”(point of interest, POI)增值服务，也就是为行人将所在环境附近的加油站、推荐餐厅、旅馆等信息标示出来，甚至进一步提供订位或广告推播的服务。

　　增强型辅助网络系统

　　GPS的设备可以是行车导航器、航空导航器、PDA、笔记本计算机、Walkie-Talkie、手机，甚至可以是手表。这些设备中的定位核心，即是GPS的接收器芯片组及天线，虽然在不同的应用中对技术及功能的要求会不同，但基本上都会要求取得更精确的定位能力、更高的灵敏度，以及更快的首次定位时间(Time-To-First Fix, TTFF)。

　　在定位的精确度上，除了接收器模块本身的技术外，与采用的接收方式及所在的位置息息相关。过去美国政府基于国防安全而提出选择性干扰(Selective Availability, SA)计划，刻意干扰民间GPS系统的精确度，当时只能达到100米；在民间逐渐广泛使用后，美国自2000年5月起已完全开放，目前在开放天空下采用一般卫星定位的正常精确度大约6-15米，此种不靠任何辅助的方式称为自主(autonomous)接收。

　　为了降低定位的误差，发展出各种增强型的SBAS(Satellite-Based Augmentation System)辅助网络模式，包括在美国的DGPS(Differential GPS)、WAAS(Wide Area Augmentation System)，日本的MSAS(Multi-Functional Satellite Augmentation System)与欧洲的EGNOS(Euro Geostationary Navigation Overlay Service)。这些系统所提供的辅助定位信号，有助于提升定位的精确度和缩短定位的时间。

　　不过，虽然有了辅助系统，但接收表现仍与GPS设备所处的环境有关，包括建筑物、地形、电子干扰，有时甚至连浓密的树叶，都可以阻挡卫星的信号。其它还有很多原因会造成GPS的定位误差，包括GPS 卫星的轨道会有偏移量、接收器内建的电子钟存在微小的定时误差，以及卫星信号通过大气层及电离层会造成的信号的延迟，此外，GPS信号可能因建筑物等物体的反射而造成多径(multi-path)信号的接收误差。一般来说，GPS在室内的定位情况会很差，更难以在水面下或地面下进行定位。

　　A-GPS的重要性大增

　　手机结合GPS是当前极受重视的一股潮流，其背后的技术称为A-GPS。结合手机网络(GSM/3G/CDMA)和GPS卫星网络的A-GPS定位系统，能够在信号极弱的巷弄、室内，甚至是地下室的环境中可以收得到信号，因此成了个性化手机应用的首选技术。依据市场研究公司Frost&Sullivan最新的报告指出，A-GPS芯片市场必将快速发展，预估全球A-GPS芯片市场销售额将从2005年的5.463亿美元增至2009年的14亿美元。

　　A-GPS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，也就是通过由GPS全球参考网络、收集和传送辅助资料的专用服务器及用户终端所构成的系统，从参考网络站台收集卫星的年历(Almanac)、星历(Ephemeris)和时间等资料，当用户终端查询时，再经由专用服务器传送出去，这些立即性的辅助资料能协助用户终端在数秒之内就完成定位。在这种辅助模式下，终端系统的运算需求极低，能有效降低使用功耗，最多可以减少终端GPS芯片60%的功耗。

　　在移动网络中，每个系统都有自己的A-GPS消息发送标准，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA则是IS-801A。因此，在组网模式上，如果是利用移动网络及信号发送层(如SS7)来从网络获取位置信息，如蜂窝式ID、AFLT或者时间同步机制，称为控制平台(Control Plane)模式；如果基于OMA组织所定义的安全用户层面定位(Secure User Plane Location, SUPL)标准，先包裹RRLP、RRC或IS-801A信号后再以一致的规格发送出去，则称为用户平台(User Plane)模式。

　　这两种组网模式各有其优缺点，用户平台模式较单纯，各类的移动通信运营商都可以直接利用现有的IP网络来进行沟通，组网成本会比控制平台模式更低，整合速度也会加快；若采用控制平台作法，通信运营商还得布建专属的硬件单元，例如定位测量单元(Location Measurement Unit, LMU)和无线网络控制器(Radio Network Controller, RNC)等等，而且从网络到终端都必须支持专属的接口和协议，组网起来相当复杂，成本也会较高，但此模式能为用户提供最佳的效果。

　　GPS终端的跨平台开发挑战

　　对于移动终端的设计者来说，若要让其设备能采用A-GPS，并不能只支持用户平台或控制平台其中的一种模式，因为其手机可能处在各种环境之下。若想在两种平台中进行切换，GPS终端必须支持一套协议转换的网关机制，例如位置服务转译和信号模块(Location Service Translation and Messaging Modules)，让用户可以从控制平台转换为用户平台模式，或从RRLP转为RRC或IS-801A。

　　除了跨平台的支持外，GPS终端的功能需求还有很多。基本的需求是支持自主模式，对于SBAS和A-GPS等多种辅助模式则是要尽量去支持。另有一种增加型自主模式(Enhanced autonomous，又称为Ephemeris Extensions)，此作法是利用移动终端中不定期接取储存的GPS星历资料做为定位数据，可省掉从卫星取得星历的延迟时间。此外，当手机中执行定位功能时，也得保持通话运作的畅通才行。

　　不仅如此，在有网络提供辅助资料的模式下，GPS终端又可以有两种运算模式，一是由移动终端自行运算的MS-based模式(MS为Mobile Station的缩写)，以及由网络服务器运算定位资料，再送回给终端的MS-assisted模式。MS-based模式的沟通方式较单纯，在第一次寻求网络辅助信息后，就回到独立运算的模式，当然，这需要有较强的终端运算能力；相较之下，MS-assisted模式则是由终端将量测到的数据丢给网络服务器，由服务器来完成最后的定位运算，此模式的终端运算负荷较小，但会要求终端与网络持续保持联机。

　　在系统架构上，GPS接收器是由RF的谐调器(tuner)和基带所组成。除了基带中的微处理器(最常用ARM7)，往往还会与系统的主处理器整合：在便携式导航装置(Portable Navigation Device, PND)中，可以是一颗应用处理器；如果是高端手机的话，则需要和系统基带(无线调制解调器)和应用处理器一同整合，其中GPS的驱动软件可以配置在应用处理器，也可以在系统基带中。

　　为了改善行车中短暂的信号中断现象(如开入隧道当中)，现在的GPS模块中也会采用一种辅助导航定位的技术，称为方位推估法(Dead Reckoning, DR)，当汽车在无法接收GPS信号的地方或GPS信号不良时，方位推估法就能取代GPS继续进行导航定位。通过用于里程表与正向或后向运动的传感器，以及像陀螺仪、ABS传感器或方向指示器等角度加速传感器，DR技术可以推算出汽车的行进距离和方向。在短距离内，DR系统所提供的资料比GPS的信号来得准确，因此可作为短距离内的汽车定位误差修正辅助，不过，当时间增加时，误差累积效应会愈来愈大，导航的精确度就会大幅下降。

　　结语

　　GPS的应用越来越普及，终端厂商对其技术的要求也日益严苛。除了小尺寸与低功耗的要求外，新一代的GPS终端，尤其是手机等移动设备，必须具备在室内等微弱信号环境中的定位接收功能，而且能提供快速的首次定位时间；当然，定位的准确度必须相当的高。在规格上，这类终端还得支持各种模式，包括用户平台及控制平台模式，以及MS-based和MS-assisted模式。此外，在自主模式之外，也得尽量支持各种的辅助网络系统。

　　然而，GPS接收技术并非市场成功的唯一因素，LBS的应用模式才是打开市场的主要关键。这和应用软件的开发、网络运营商的服务机制，以及内容提供商的参与都息息相关，需要建立起一套完善的产业环境，才能让GPS的表现更为亮眼。