《電子技術(shù)應(yīng)用》
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輔助全球定位系統(tǒng)(A-GPS)的革命及其消費(fèi)市場(chǎng)
電子產(chǎn)品世界
摘要: 目前,7種關(guān)鍵技術(shù)使GPS進(jìn)入世界各地的手機(jī),本文詳述了這些技術(shù)的進(jìn)入過(guò)程以及對(duì)未來(lái)10年有什么影響。
Abstract:
Key words :
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   十年前的E911法案啟動(dòng)了消費(fèi)型GPS第一個(gè)成功的里程碑,自此以后,GPS接收器的靈敏度進(jìn)步了幾乎千倍以上,超過(guò)九成(五億支) 以上的手機(jī)已搭配GPS 功能并以主機(jī)式GPS(Host-based GPS)為標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)邦傳播委員會(huì)(FCC)及美國(guó)國(guó)會(huì)在1999年通過(guò)了E911法案,此法案規(guī)定當(dāng)手機(jī)使用者撥打911緊急電話時(shí),手機(jī)可自動(dòng)提供通話位置信息。原本,輔助定位系統(tǒng)(A-GPS)只用于移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)與GPS時(shí)間同步的時(shí)間校對(duì),且主要是用在CDMA的電信網(wǎng)絡(luò)。而全球最大的電信網(wǎng)絡(luò)GSM和3G并不與GPS時(shí)間同步。所以在早期,一般認(rèn)為非GPS技術(shù)(如現(xiàn)在已被淘汰的增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)差E-OTD等技術(shù))會(huì)在E911法案中勝出的。然而,正如我們現(xiàn)在所知道的,GPS和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)成了手機(jī)定位系統(tǒng)的大贏家。E911法案是GPS在美國(guó)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?,并且間接促進(jìn)了全球GPS的發(fā)展。這要?dú)w功于以下我所要談?wù)摰钠唔?xiàng)關(guān)鍵技術(shù),它們使GPS技術(shù)在過(guò)去多年來(lái)逐漸成熟。

  關(guān)鍵技術(shù)一:輔助定位系統(tǒng)(A-GPS)

  關(guān)于A-GPS有三件值得記住的事:“更快、更長(zhǎng)、更高”。透過(guò)奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的名言“更快、更強(qiáng)、更高”,你就可以記得住了。

  A-GPS最顯著的特征,是它使用衛(wèi)星軌道資料傳送替代了原有基站傳送相同(或等量)的軌道數(shù)據(jù),所以A-GPS接收速度更快。在過(guò)去,接收器必須在二維代碼/頻率空間中,搜索每一個(gè)GPS衛(wèi)星信號(hào)。而輔助數(shù)據(jù)縮減了搜索范圍,讓裝置可以用更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)做信號(hào)整合,換句話說(shuō),就是敏感度更高了 (見(jiàn)圖1)。就是我們說(shuō)的更長(zhǎng),更高。

  現(xiàn)在,我們更進(jìn)一步來(lái)看看代碼/頻率搜索,并介紹精確校時(shí)、粗略校時(shí)以及大規(guī)模平行關(guān)聯(lián)器等概念。任何輔助數(shù)據(jù)都可以減少頻率搜索次數(shù),頻率搜索的概念就是如同你轉(zhuǎn)動(dòng)車上的收音機(jī)旋鈕,尋找電臺(tái)位置。只不過(guò)由于衛(wèi)星移動(dòng),會(huì)產(chǎn)生不同的GPS頻率,也就是多普勒效應(yīng)。如果你可以預(yù)先知道衛(wèi)星是如何設(shè)置的,就可以縮小頻率搜尋的范圍。

  代碼延遲(code-delay)就更加敏銳了。C/A 代碼的重復(fù)周期是1ms,所以如果可以在獲得衛(wèi)星信號(hào)之前,就知道比1ms更精確的GPS時(shí)間,便可以縮小代碼延遲搜索區(qū)域,這就是我們所說(shuō)的“精確校時(shí)”。

  CDMA通信網(wǎng)絡(luò)是和GPS的時(shí)間同步,而最普遍的通信網(wǎng)絡(luò)(GSM及目前的3G)則不然。后者與GPS時(shí)間有±2秒的誤差,我們稱之為粗略校時(shí)。在最初,只有精確校時(shí)的網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用A-GPS,但后來(lái)局勢(shì)改觀是因?yàn)槲覀冇辛岁P(guān)鍵技術(shù)二、關(guān)鍵技術(shù)三,那就是大量平行關(guān)聯(lián)器和高靈敏度。

  關(guān)鍵技術(shù)二、三:大量平行關(guān)聯(lián)器和高敏感度

  傳統(tǒng)的中,每個(gè)頻道只有兩到三個(gè)關(guān)聯(lián)器。他們會(huì)搜索代碼延遲空間直到可搜索到信號(hào),然后用一組關(guān)聯(lián)器追蹤峰值的前端,和用另一組追蹤峰值的后端,所以他們被稱為“前后關(guān)聯(lián)器”。

  大量平行關(guān)聯(lián)器是指,有足夠數(shù)量的關(guān)聯(lián)器同時(shí)在多個(gè)頻道中,對(duì)所有的C/A代碼延遲進(jìn)行搜索。就硬件而言,這意味著有上萬(wàn)個(gè)關(guān)聯(lián)器在運(yùn)作。大量平行關(guān)聯(lián)器的好處是,所有的代碼延遲搜索都是平行運(yùn)作,因此接收器可以用更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)整合信號(hào),即使沒(méi)有精確對(duì)時(shí)也無(wú)所謂。所以現(xiàn)在接收器可以更快、更長(zhǎng)、更高,也就是更高的靈敏度,這不限于我們?cè)诤畏N電信網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行A-。在最初,我們認(rèn)為室內(nèi)定位會(huì)受限于高靈敏度,但發(fā)覺(jué)使用體積更小、更便宜天線的實(shí)際成果卻也不差。雖然小而便宜的天線會(huì)降低性能表現(xiàn)(我們稍后也會(huì)提到),但是它們已被配備在所有的智能型手機(jī)上,且被手機(jī)廠接受去執(zhí)行有關(guān)A-的功能。

  關(guān)鍵技術(shù)四:粗略時(shí)間導(dǎo)航

  我們已經(jīng)了解,A-輔助不再受限于根據(jù)解碼軌道數(shù)據(jù)(所以可以更快),并可以透過(guò)大量平行關(guān)聯(lián)器使用粗略對(duì)時(shí)(所以可以更長(zhǎng)的時(shí)間做信號(hào)整合及提高靈敏度)。然而,要測(cè)量精確初估的距離(pseudorange),并計(jì)算行進(jìn)時(shí)間,還是需要花時(shí)間對(duì)衛(wèi)星所傳送的星期時(shí)間(Time of Week, TOW)譯碼,譯碼后來(lái)取得位置進(jìn)一步可執(zhí)行導(dǎo)航。粗略校時(shí)導(dǎo)航就是要解決一些衛(wèi)星的TOW問(wèn)題,而不是直接解碼。其關(guān)鍵的技術(shù)是依靠在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航中的方程式中加入額外狀態(tài)資料;并于著名的視線矩陣(line-of-sight matrix)中加入相對(duì)應(yīng)的欄位來(lái)解決TOW問(wèn)題。

  這個(gè)技術(shù)的成果就是,你定位所需要的時(shí)間,會(huì)比解讀衛(wèi)星的星期時(shí)間(TOW)(例如一秒、兩秒或三秒)還要更快;或是在衛(wèi)星信號(hào)微弱狀態(tài)下無(wú)法解讀衛(wèi)星的星期時(shí)間(TOW)時(shí),仍然可以進(jìn)行實(shí)際上的定位。因?yàn)槟憧梢杂懈斓氖状味ㄎ粫r(shí)間 (FF),無(wú)需頻繁喚醒接收器來(lái)維持熱啟動(dòng)狀態(tài),因此可延長(zhǎng)電池壽命。

  關(guān)鍵技術(shù)五:時(shí)間短TOW

  另一個(gè)和粗略時(shí)間導(dǎo)航技術(shù)相提并論的是時(shí)間短的衛(wèi)星TOW解碼,也就是降低解讀衛(wèi)星的TOW數(shù)據(jù)的門坎標(biāo)準(zhǔn)。在1999年,衛(wèi)星接收的信號(hào)強(qiáng)度可讓接收器解讀衛(wèi)星的TOW最低標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到-142dBm。這是因?yàn)楫?dāng)我們?cè)谡闲盘?hào)以20ms為間隔時(shí),可以偵測(cè)到-142dBm信號(hào)數(shù)據(jù)位中強(qiáng)度。然而,解讀衛(wèi)星的TOW的技術(shù)不斷演進(jìn),現(xiàn)在最低可接受強(qiáng)度已經(jīng)降低到-152dBm。

  關(guān)鍵技術(shù)六、七:主機(jī)式全球定位系統(tǒng)(Host-based ),RF-CMOS

  從傳統(tǒng)的系統(tǒng)單芯片(SoC)架構(gòu)出發(fā),我們就可以清楚地認(rèn)識(shí)主機(jī)式架構(gòu)(Host-based)。SoC 通常是單一封裝,但封裝中包含了三個(gè)獨(dú)立的組件,有三個(gè)硅芯片被包在一起:基帶(baseband)模塊,包含中央處理器 (CPU);分開(kāi)的無(wú)線調(diào)頻器(RF)以及一個(gè)閃存。如果要降低成本,不使用閃存情況下,唯一的方法是改用只讀存儲(chǔ)器(ROM),它可以包含在基帶模塊中。然而這也意味著,你將無(wú)法可隨時(shí)更新接收器的軟件,來(lái)使用我們剛剛討論的最新發(fā)展技術(shù)。

  相對(duì)而言,主機(jī)式架構(gòu)不需要在芯片中有CPU功能。其主因是在智能型手機(jī)以及其他含有產(chǎn)品上,其既有的CPU和閃存都能額外提供運(yùn)算時(shí)所需的低功耗。同時(shí), RF-CMOS技術(shù)可以讓無(wú)線調(diào)頻器和基帶同在單一芯片中。此為主機(jī)式架構(gòu) 特質(zhì)和優(yōu)勢(shì)。

  

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