u-blox公司A-GPS解決方案簡介

GPS的應用日益普及,車用導航及PDA/PND便 攜式導航設備在市場上大行其道,而其應用領域除了與相片、影音播放相結合外,也逐漸從汽車導航跨入行人的徒步隨身導航,在應用性上也更強調位元基服務 (Location-based Service, LBS),也就是從定位功能延伸出附近餐廳、景點、出租/公車路線等增值服務。不僅如此,美國E911法案更要求每台手機中要具備GPS的功能,以求在 緊急時刻發揮定位尋人的用途。

當GPS的應用不斷地推進個人的隨身應用時,傳統的GPS定位方式就出現了不小的使用瓶頸。採用自主 定位(Autonomous Positioning)的獨立式GPS設備,必須要在信號條件好的開放天空中接收到四顆以上的衛星信號,並且,此設備的GPS接收機還得將這些GPS衛 星軌道資訊資料完整收齊,接著才能進行定位計算。對於隨身導航應用來說,自主定位在開機後的第一次定位時間(Time to first fix, TTFF)實在太長,而且用戶時常處於建築物林立的街道中,高架橋下,甚至是室內的環境中,由於這些地方的信號接收條件很差,用戶往往得長時間才能等到第 一次定位,而且還不一定能夠成功。在此情況下,通過另一套網路來取得衛星資訊的輔助定位方式,也就是A-GPS(即Aiding GPS),已成為GPS發展上的一個必然趨勢。由此,瑞士u-blox公司在A-GPS方面特別推出兩種不同形式的解決方案,以幫助用戶縮短TTFF時 間,快速實現定位。

GPS衛星資訊組成

在深入探討A- GPS之前,我們必須先掌握一般GPS自主定位的基本原理及衛星資訊的組成,才能瞭解A-GPS的優勢所在。目前在天空中有多套定位衛星系統在運作,包括 美國的GPS系統、俄羅斯在建中的GLONASS系統,以及歐盟在建中的Galileo系統,其中以美國的GPS為今日市場應用的主流,也是本文中所探討 的系統。

GPS是由24顆衛星群所組成,分別運行在六個軌道面上,每顆衛星會不斷地發射關於衛星軌道、時間及各種參數的衛 星資訊,這些資訊的接收正是GPS終端能否成功定位的關鍵所在。目前GPS衛星分別有1575.42MHz的L1載波及1227.60MHz的L2載波, 在載波上調製了C/A碼(C/A code)及P碼,一般我們用得到的是L1及C/A電碼,L2及P碼則為美?軍方在使用。

在 L1上所搭載的衛星資訊以幀(Frame)為單位,每個幀為1500 bits,其下又分為五個子幀(Sub-Frame),它的內容包括星曆(Ephemeris)資料、電離層參數及年曆(Almanac)等,請參考表 一。其中星曆為個別衛星本身的精確軌道位置,它每小時更新一次,每次更新的有效性約四小時;年曆則為所有衛星在軌道上的概略位置及其狀況等,它每天更新一 次,有效時間可達數周。

表1:衛星資訊中每幀的組成內容。

對 於一個不具任何有效定位資料的GPS終端來說,最重要的是要收齊四顆衛星分別的星曆及衛星時間資料,才能正確的計算定位。由於衛星是以50 bit/s(bps)的速率來發射信號,因此同步收齊四顆衛星一個完整星歷數據的時間,至少需要18秒,年曆方面,由於每次更新的資料需用到25幀來傳送 更新的年曆資料,因此要完整的下載,需要用掉12.5分鐘。

圖1:衛星資訊組成及接收所需時間。

對於GPS終端來說,啟動開機時本身是否具有有效的衛星資訊,將決定它第一次定位的速度。GPS的啟動分為三種類型,冷啟動(Cold Start)、溫啟動(Warm Start)和熱啟動(Hot Start)。

1. 冷啟動:如果GPS接收機是在完全無任何資料的狀況下啟動,稱為冷啟動,如上圖所示,如果信號比較好的情況下,接收信號不被中斷,最少需要18秒可以下載 完星曆,如果出現最壞的情況,剛好錯過了第一個子幀的第一個比特,則需要在下一個週期重新下載該子幀,這樣一共需要36秒才能下載完星曆,下載完星歷數 據,GPS接收機便可以計算出定位資料了;不過,由於星曆子幀的下載不能間斷,如果因信號微弱而一時中斷的話,就得從頭再接收該子幀,這就得耗費更長的時 間下載星曆,也就要更長的時間才能定位。

2. 溫啟動:GPS接收機在只有有效的年曆資料,並且從上次定位之後沒有發生大距離移動的時候的啟動稱為溫啟動。比較典型的例子是:接收機關機超過兩個小時, 但仍然保留上次的位置、時間和年曆資料,這允許接收機預測當前可見的衛星的位置,比較容易捕獲到衛星。不過,此時如果GPS接收機需要計算定位資訊,它仍 需要如冷啟動一樣下載四顆以上衛星完整的星歷數據。

3. 熱啟動:GPS接收機啟動時仍然擁有有效的星曆和年曆資料的啟動稱為熱啟動。比較典型的例子是:接收機關機不超過兩個小時,並且這段時間內接收機的內部時 鐘一直保持工作狀態。在熱啟動時,接收機同樣可以預測衛星的位置,能夠快速捕獲並跟蹤衛星信號,由於已經有有效的星歷數據,因此沒有必要如冷啟動和溫啟動 一樣重新下載星歷數據,從而可以快速定位。

從上面的描述可以看到,如果是在冷啟動或者溫啟動狀況下,接收機需要從衛星上下 載星歷數據,在信號不好的情況下,可能要等待數十秒甚至數分鐘之久,那麼有沒有其他的辦法可以解決這個問題呢?當然有!u-blox公司的兩種不同的A- GPS技術,都可以省掉較長的從衛星上下載資料的時間。A-GPS是指通過其他的途徑獲取星曆等輔助資料的技術,有了A-GPS,GPS接收機不需完整下 載四顆以上的衛星的星歷數據,能夠在捕獲到衛星信號之後立即定位。

A-GPS服務

一 般的A-GPS系統由GPS全球參考網路、發佈輔助資料的根伺服器,以及具A-GPS功能的接收機所組成。GPS全球參考網路必須建立覆蓋廣泛的監控站, 並持續且準確地監控衛星的移動。它會將監控得到的相關衛星資料傳送給高效能的根伺服器,此伺服器會依據這些資料來預測衛星未來的移動軌跡。 IGS(International GNNS-Service)即是這樣的一個網路,它在全球持續地運轉著。

GPS接收 機的運行程式,第一步是搜尋衛星信號、再接收星曆,接著才能定位與跟蹤。如果能預先取得衛星資訊,或以更快的速度來下載星曆,那就能加速定位的速度,請參 考(圖二)。最對這種情況,u-blox公司提出了兩種不同的A-GPS方案獲得輔助資料,一是即時性的通過GSM、GPRS、CDMA或UMTS等移動 通信系統來取得,也就是線上A-GPS方式(AssistNow Online);另一種是採用離線A-GPS方式(AssistNow offline),也就是依使用者的方便,通過移動網路或直接由網際網路預先下載衛星資料,當需要時就能起到輔助定位的作用。以下將介紹這兩種方式的特性及 差異所在。

圖2:冷啟動時,具有星曆或差分年曆修正資料的終端能快速的定位。

1. 線上A-GPS (AssistNow Online)

一種方式是線上方式,u-blox公司的線上方式的品牌為AssistNow online。

一 個具有線上A-GPS功能的終端,可以由兩種介面來與移動網路通信,一是控制平臺(Control plane),一是用戶平臺(User plane)。前者是不同移動系統針對定位輔助功能所定義的介面規範,其中GSM/GPRS是RRLP,UMTS是RRC,CDMA則是IS-801A。 除了介面規格不同外,不同的系統服務商往往會建立屬於自己的控制平臺運作系統,此舉雖然能保證較佳的服務品質,但建設成本較高,用戶也得受限於系統服務 商。

另一種介面系統為用戶平臺,它使用的是由OMA組織所定義的一套通用介面規範,稱為SUPL(Secure User Plane Location)。它通過將RRC、RRLP等資訊打包為一致性的規範後再發送出去,與TCP/IP的架構極為接近。由於其通用性高,系統建設成本較 低,因此有助於A-GPS在手機等移動設備中的推廣。

採用線上A-GPS,不同的方法會影響其定位效率。第一個影響的因素 為連網速度,這和移動運營商的服務品質及用戶所在位置息息相關,是較不可控的因素。CDMA和GSM/GPRS的協定中都定義出A-GPS手機的最低運行 效果標準:CDMA的標準定義在3GPP2 C.S0036-0(TIA 916),GSM/GPRS則是3GPP TS 25.171。其中CDMA要求最大的啟動時間(即最長的TTFF)是在16秒之內,GSM則是20秒。目前各家的解決方案都致力於滿足這項要求,以u- blox的AssistNow Online為例,它能夠超過標準的要求,進而能提供優質的線上服務。

第二個因素則與下載 的衛星資料內容有關,當所獲得的有用資料愈多,定位的速度也就愈快。例如若能取得GPS時間(GPS Time),則可大幅縮短定位時間;這是因為衛星的移動很快(每秒移動800米),GPS時間有助於掌握衛星的確切位置。GPS時間又可分為粗略GPS時 間(Coarse GPS time)和精確GPS時間(Precise GPS time),前者的定位時間要約30秒鐘,後者只需數秒鐘即可。

當 支援A-GPS的終端啟動時,它會同時接收來自天空中的衛星信號,並通過用戶平臺(如GPRS)來連接移動網路的基站,此基站會通過網際網路來與取得全球參 考網路資料的伺服器連接;GPS終端通常會從伺服器端下載包括星曆、年曆、粗略位置、時間、衛星健康狀態等資料,除了星曆是必要的,其他資料為選擇性的。 這些資料並不需儲存在GPS接收機或系統的記憶體中,而且每次啟動連接時,資料都會更新。Online A-GPS的服務架構請參考(圖三)。

圖3:Online A-GPS服務架構示意圖。

 

2. 離線式A-GPS (AssistNow Offline)

另 一種方式是離線方式, u-blox公司的離線方式的品牌為AssistNow offline,u-blox公司擁有這項技術的專利所有權。在使用前,GPS終端先通過移動網路或網際網路從伺服器端中取得輔助資料,這些資料通常是預先 推測的年曆或星曆衛星軌道資料,當它們被儲存下來後,與伺服器的連接就可以中斷。下次GPS接收機啟動時,儲存的資料會被用來推算當前的軌道資料,以幫助 導航定位。

在此情況下,接收機不需等到所有的資料都從衛星下載回來後才開始計算,它能很快的開始進行導航。輔助資料的有效 性與資料提供者有關,大約可以維持十天至兩周左右,但所提供位置的準確性會隨著時間而下降,下載後前幾天準確度最高,時間愈久準確度就愈低,因此最好能經 常維持資料的更新。

衛星軌道預測的準確度也與資料提供者的專業能力密切相關。如果直接提供衛星的年曆,由於它只提供所有衛 星軌道的概略位置,與實際的衛星軌道之間存在著大約3-5公里的誤差,若直接以此資料來進行定位,計算出來的位置會偏移不少。因此,專業的資料供應者會借 由天文學及重力等模式來預測及修正衛星軌道,u-blox公司提出的AlmanacPlus技術,可以通過差分年曆修正資料(Differential Almanac Correction Data)的做法,將衛星軌道的準確度提升到10-50米,請參考(圖4)。

圖4:通過AlmanacPlus差分年曆修正資料來提升軌道預測的準確度。

從 (圖5)中可以看出,具有離線式A-GPS功能的移動終端通過TCP/IP的協定方式來與標準的鏡像(Mirror)或代理(Proxy)伺服器溝通,以 取得複製到此伺服器中的輔助衛星資料。此Mirror/Proxy伺服器也是通過標準的HTTP協議來與根伺服器(Root server)通信,以取得壓縮過的衛星資訊資料;根伺服器的資料則來自如IGS的全球參考網路。

圖5:Offline A-GPS服務架構示意圖。

與 離線式A-GPS相比,線上A-GPS以當前星歷來進行定位,因此可以得到較佳的準確性。不過,星曆的有效性短,必須隨時更新,而且容易受限於移動通信系 統的連網時間及連網品質。相較之下,離線式A-GPS因不需花費時間在衛星軌道資料的下載,也不會受到基站涵蓋範圍的限制,再加上在定位時不需隨時保持聯 機,因此可省下不少上網費用,是相當便捷的一種定位方案。u-blox公司的AssistNow Offline除了以上述的AlmanacPlus來提供更準確的資料外,其有效時間已可以達到14天,而目前市場上也有其他離線式的解決方案,其資料的 有效時間大約只有5 到 10天。

無論是線上式A-GPS還是離線式A-GPS,u-blox公司生產的所有GPS接收機在出廠時就支援,相關的程式已經硬掩模在晶片內部,不需要特別的程式來支援。

A- GPS終端系統規劃

在 移動終端的GPS系統設計上,因手機製造商的需求採用不同的架構:一種是採用單晶片的方式,此晶片整合了GPS的射頻及基帶功能,有助於製造商降低成本及 安裝尺寸;另一種是採用射頻與基帶獨立的晶片組模式,此方式讓製造商有較大的設計彈性,但系統工程師必須有能力去調整整體系統的性能,設計上的挑戰性較 高;還有一種是將基帶功能整合到手機的應用處理器或基帶晶片當中,但此種作法會佔用大量的主處理器運算資源。

就線上A- GPS來說,系統規劃上必須考慮到定位運算的主體在那一端。如果是由移動終端來負責運算工作,則稱為MS-based模式(MS為Mobile Station的縮寫);若由網路服務器端來進行定位運算,再送回給終端,則稱為MS-assisted模式。MS-based的模式在取得網路輔助資料 後,就回到獨立運算的狀態,運作上較為單純,但對終端系統的運算資源要求較高。

MS-assisted則較為複雜,終端得將接收到的衛星信號資料傳送給網路服務器,由伺服器計算出結果後再將位置資訊送回給終端,此舉雖能降低終端的運算負荷,而且能進行較複雜的運算以取得更精確的位置,但對於連網品質要求甚高,因為一旦掉線就會失去定位結果。

在 系統架構上,主處理器和GPS接收機通過UART、SPI or I?C等標準的介面來進行通信。離線模式中,從伺服器端下載來的資料通常儲存于非易失性的Flash EPROM中,依演算法的不同,GPS接收機與記憶體通信方式可以分為兩種:一是接收機直接與Flash EPROM溝通,一是接收機通過主處理器來與記憶體溝通。前者需要額外配置一顆Flash EPROM記憶體,後者則只需使用主處理器的記憶體即可,因此可節省設計成本與空間。此外,在移動終端上設計A-GPS方案,會希望不要對主處理器造成太大的 負擔。採用u-blox公司的AssistNow方案,所有的運算工作都交給GPS接收機,因此不需要為CPU進行定制化的工作,設計上更為容易。

圖6:GPS接收機配置單獨Flash記憶體的架構。

圖7:GPS接收機通過主處理器取得存儲資料的架構。

在 記憶體的需求上,線上A-GPS對於記憶體容量的要求極低,u-blox公司的AssistNow Online,每次下載的資料大小只有1-3KB;對離線式A-GPS方案AssistNow Offline來說,下載一天的衛星預測資料,大約只需要10KB,十四天的預測資料量則約為90KB。

具有A-GPS功 能的移動終端,也可以同時支援線上及離線模式。當終端一啟動時,內部的GPS接收機會自動檢查在Flash EPROM中的有效衛星資料,當找不到可有效使用的星歷數據時,它就會用採用離線模式,以經過修正的年曆資料來輔助定位運算。一旦終端通過移動網路取得有 效的星歷時,系統就會利用它來取代離線資料,以取得更精確的定位結果。同樣的,當星曆又失效時,系統則會再切回來使用離線模式。

本文小結

u- blox公司推出的AssistNow的A-GPS通過移動網路或網際網路來取得衛星輔助資料,並以靈活的線上或離線方式來實現更快的定位速度或更精確的定 位,以及更可靠的定位導航品質。此套做法同時可以非常簡單的整合進中國移動現在力推的SUPL技術,也可以獨立於SUPL單獨工作,有助於打開A-GPS 在移動終端的市場,讓GPS真正成為手機的新殺手級應用。最後,A-GPS技術不僅僅能夠在手機中應用,它也能夠在所有帶通訊功能的GPS產品中應用,並 終將成為GPS應用中一項不可或缺的技術。詳細情況請流覽:www.u-blox.com。

 

原文出處

http://hi.baidu.com/fenglinggoto/item/ab480234277d254b3075a1d9

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