輔助全球定位系統(tǒng)(A-GPS)革命及其消費(fèi)市場(chǎng)

Frank van Diggelen

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。

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GPS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-GPS。在最初，我們認(rèn)為室內(nèi)GPS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-GPS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-GPS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 GPS)，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 GPS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GPS芯片中有CPU功能。其主因是在智能型手機(jī)以及其他含有GPS產(chǎn)品上，其既有的CPU和閃存都能額外提供GPS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GPS芯片中。此為主機(jī)式架構(gòu) GPS 特質(zhì)和優(yōu)勢(shì)。

這一切的結(jié)果代表著芯片價(jià)格大幅降低，但性能依舊可以維持。

現(xiàn)在已達(dá)到我們預(yù)期的目標(biāo)了嗎?

A-GPS 技術(shù)已經(jīng)引領(lǐng)我們大步向前。 “從技術(shù)水平和消費(fèi)者市場(chǎng)層面上我們是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)了嗎?”

一般認(rèn)為，體積小而便宜的天線會(huì)影響質(zhì)量的表現(xiàn)，但是我要說(shuō)，一個(gè)成本低于4 美元的單一 GPS 芯片，性能超過(guò)一個(gè)成本19,000 美元的接收器。這聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)直是自相矛盾，甚至不可思議。但是我們可從首次定位時(shí)間、靈敏度和城市精確度(Urban Accuracy)的數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)這點(diǎn)。

另一個(gè)芯片革命的觀點(diǎn)是，我們已經(jīng)達(dá)到GPS 單系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的高點(diǎn)，難以再往上。然而，還有許多有待解決的問(wèn)題，特別是城市信號(hào)屏障以及室內(nèi)使用方面。但是這些問(wèn)題絕不會(huì)是由GPS(或是其它個(gè)別的系統(tǒng))可以獨(dú)自解決的。所以我們可以把下個(gè)十年視為“GPS 增值”，單一GPS 的時(shí)代很快就會(huì)成為昨日黃花。這也不能被解讀為GPS 的失敗，甚至正好相反。這是因?yàn)镚PS 單一系統(tǒng)運(yùn)作得十分好，以至于在過(guò)去多年移動(dòng)電話內(nèi)附GPS 的銷售總量已達(dá)5 億支，基于此銷售基礎(chǔ)，我們可以大膽將GPS 推展到衛(wèi)星導(dǎo)航從未涉足過(guò)的領(lǐng)域—是因?yàn)槲覀円验_(kāi)始嘗試突破單一GPS 的表現(xiàn)瓶頸。