利用A-GPS提高全球定位系統(tǒng)應(yīng)用的性能
上網(wǎng)時間: 2006年01月12日
關(guān)鍵詞： GPS Assisted GPS A-GPS 輔助型GPS系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng)
利用A-GPS，接收器不必再下載和解碼來自GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，因此可以有更多的時間和處理能力來追蹤GPS訊號，這樣能降低首次定位時間，增加靈敏度以及具有最大的可用性。
GPS是一種基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)，它最初由美國軍方設(shè)計并受美國軍方的控制，可以為任何人免費(fèi)使用。這個系統(tǒng)是由在6個環(huán)繞在環(huán)形軌道上的24顆衛(wèi)星組成，一個衛(wèi)星環(huán)繞軌道運(yùn)轉(zhuǎn)一周的時間接近12個小時。每個衛(wèi)星不斷地發(fā)送關(guān)于目前時間、所有衛(wèi)星的位置以及像年歷(almanac)和星歷(ephemeris)等相關(guān)數(shù)據(jù)訊息。GPS接收器使用這種訊息來運(yùn)算其自身與衛(wèi)星之間的距離。為確定位置，GPS接收器必須接收來自至少三個衛(wèi)星的訊號。
首次定位時間(TTFF)很大程度上決定于接收器的接收靈敏度，以及可見衛(wèi)星的數(shù)量、每個衛(wèi)星訊號的強(qiáng)度、衛(wèi)星在天空中的分布以及接收器對天空的視角。在一種不利的環(huán)境中，如訊號較弱的城市高樓間隙或者室內(nèi)，某些情況下需要幾分鐘的時間來運(yùn)算位置。這對于本地服務(wù)(LBS)或者緊急呼叫(E911)來說是不可接受的，這些情況需要一種更快的獲取時間。為此，人們開發(fā)了輔助型GPS(A-GPS)來解決不利環(huán)境下的TTFF問題。
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| 圖1：控制層面上的A-GPS。 |
A-GPS
A-GPS的開發(fā)部份地受到美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)的E911強(qiáng)制要求能對緊急呼叫者提供行動電話的定位所推動。A-GPS的目的是或者提高TTFF，或者當(dāng)它不能提高TTFF時實(shí)現(xiàn)定位運(yùn)算。
過去幾年，在A-GPS這個關(guān)鍵詞之下開發(fā)出了不同的概念和解決方案，其中很多是受專利保護(hù)的。這些不同的概念可以分成支持型GPS(aided GPS)和輔助型GPS兩類(assisted GPS)。
1. 支援型GPS
支持型GPS透過在行動網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送年歷、星歷、粗略的位置和時間來提高TTFF。這種支持型數(shù)據(jù)可以在控制層面(control plane)上發(fā)送，或者行動網(wǎng)絡(luò)的用戶層面(user plane)上。位置的運(yùn)算大多發(fā)生在行動設(shè)備上。
2. 輔助型GPS
輔助型GPS使得采用快速TTFF運(yùn)算位置成為可能。為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，利用像時間同步、更準(zhǔn)確的位置、都卜勒和頻率這樣的額外訊息用來確定位置。這種額外訊息可以透過使用行動網(wǎng)絡(luò)控制層面的基礎(chǔ)設(shè)備來獲得，像先進(jìn)前向鏈路三邊測量(AFLT)機(jī)制可用來確定行動設(shè)備的位置。這里，訊號從行動設(shè)備發(fā)出，幾個行動基地臺接收并進(jìn)行測量。位置的運(yùn)算可以在行動設(shè)備內(nèi)發(fā)生(基于行動設(shè)備的)，或者在行動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上(基于網(wǎng)絡(luò)的)。
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| 圖2：用戶層面上的A-GPS。 |
基于行動設(shè)備的輔助型GPS解決方案透過行動網(wǎng)絡(luò)接收額外的輔助GPS數(shù)據(jù)，但是在行動設(shè)備上進(jìn)行位置運(yùn)算。這意味著LBS或者E911服務(wù)必須從行動設(shè)備得到目前的位置。
采用基于網(wǎng)絡(luò)的輔助型GPS解決方案，行動設(shè)備發(fā)送原始的GPS數(shù)據(jù)到行動網(wǎng)絡(luò)中的GPS輔助服務(wù)器。這個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以利用直接來自網(wǎng)絡(luò)的額外輔助GPS訊息來運(yùn)算位置。在運(yùn)算之后，位置數(shù)據(jù)被發(fā)送到接收器。LBS或者E911服務(wù)可以直接存取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的位置數(shù)據(jù)庫。
A-GPS的好處是改善TTFF、增加靈敏性以及使可用性最大化，這些優(yōu)點(diǎn)讓接收器不再必須下載和譯碼來自GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，接收器可以使用更多的時間和處理能力來追蹤GPS訊號。
基于控制層面的A-GPS
控制層面方案利用無線網(wǎng)絡(luò)的功能以及訊號發(fā)送層來從網(wǎng)絡(luò)獲取位置訊息，如蜂巢式ID、AFLT或者時間同步機(jī)制。
CDMA和GSM的蜂巢式扇區(qū)都針對控制層面A-GPS消息發(fā)送開發(fā)出了標(biāo)準(zhǔn)(分別為TIA/IS-801-1和3GPP TS25.331)，定義了用戶設(shè)備性能衡量標(biāo)準(zhǔn)(分別為TIA 916和3GPP TS 25.171)。這些標(biāo)準(zhǔn)描述了來自無線網(wǎng)絡(luò)的位置訊息如何獲取，以及這個訊息如何用于A-GPS。
當(dāng)在控制層面上使用A-GPS時，定位測量單元利用在行動設(shè)備、幾個收發(fā)器基地臺和行動交換中心之間的測量訊號傳輸來獲得位置訊息。服務(wù)行動定位中心收集這些基于網(wǎng)絡(luò)的位置數(shù)據(jù)以及來自具有幾個參考GPS接收器的A-GPS服務(wù)器的數(shù)據(jù)，將這種輔助數(shù)據(jù)發(fā)送到行動設(shè)備，使行動設(shè)備能運(yùn)算出準(zhǔn)確的位置。LBS可以透過網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)行動定位中心來獲取這個位置數(shù)據(jù)。
采用控制層面方法，基于網(wǎng)絡(luò)或者基于行動設(shè)備系統(tǒng)的位置運(yùn)算是可能的?；诳刂茖用娴?/span>A-GPS系統(tǒng)安裝非常復(fù)雜而成本很高，因?yàn)樾枰芏囝~外的硬件來處理復(fù)雜的協(xié)議，但是這樣的A-GPS系統(tǒng)將具有位置運(yùn)算的大部份好處。
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| 圖3：ANTARIS 4結(jié)構(gòu)圖。 |
基于用戶層面的A-GPS
用戶層面方案是一種在A-GPS服務(wù)器和行動設(shè)備之間的通訊都基于全IP數(shù)據(jù)鏈接的A-GPS系統(tǒng)，與無線訊號層無關(guān)(基于GPRS的IP)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由開放式行動聯(lián)盟(OMA)制訂，稱為安全用戶層面定位(SUPL)。
當(dāng)在用戶層面上使用A-GPS時，帶GPS接收器的行動設(shè)備在行動網(wǎng)絡(luò)的用戶層面上透過IP與A-GPS連接。A-GPS服務(wù)器從幾個參考GPS接收器收集支持?jǐn)?shù)據(jù)，如星歷與年歷。服務(wù)器根據(jù)要求發(fā)送這個數(shù)據(jù)到行動設(shè)備。行動設(shè)備的GPS接收器利用這個支持?jǐn)?shù)據(jù)來進(jìn)行位置運(yùn)算。
LBS可以要求行動設(shè)備提供位置訊息，這些數(shù)據(jù)將透過IP連接發(fā)送。這種方法比透過控制層面的方法成本低，因?yàn)樾袆泳W(wǎng)絡(luò)供貨商對控制面不需要特別的硬件，而且這種方法對于所有的行動標(biāo)準(zhǔn)都是可以使用的。
GPS芯片組ANTARIS 4
以Atmel的GPS芯片組ANTARIS 4為例，該組件是與u-blox公司共同開發(fā)，內(nèi)含射頻接收器IC ATR0601、LNA ATR0610和基頻IC ATR0621，由Atmel提供RF芯片/數(shù)字IC技術(shù)，u-blox提供GPS軟件技術(shù)。
高增益低噪音放大器(LNA)使用了Atmel的SiGe技術(shù)設(shè)計用于GPS應(yīng)用，具有1.6dB的噪音系數(shù)、高增益(>16dB)、低功率設(shè)計(<10mW)的特點(diǎn)，以及整合的上電控制和50Ω的輸出匹配。
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| 圖4：GPS接收器模塊。 |
GPS RF接收器IC具有優(yōu)良的RF性能和小于6.8dB的噪音系數(shù)，對干擾不敏感，功耗小于40mW。它包括一個頻率合成器、帶自動增益控制(AGC)的中頻放大器和1.5位的A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器，采用了BiCMOS制程制造，接收器支持XTO和TXCO。外部必須使用一個SAW帶通濾波器和一個分離的IF濾波器(96.764MHz)連接到RF接收器。
GPS基頻處理器ATR0621包括一個16通道GPS相關(guān)器，該基頻處理器采用ARM7TDMI處理器核心，具有128kB內(nèi)部SRAM和384kB內(nèi)部ROM，在這個ROM中包括全部的GPS韌體，由u-blox公司授權(quán)，用來執(zhí)行基本的GPS處理，包括追蹤、獲取、導(dǎo)航和定位數(shù)據(jù)輸出。對普通的PVT(位置/速度/時間)應(yīng)用，不需要外部閃存或ROM。韌體支持在可選的外部EEPROM中儲存可能的配置設(shè)置，對于特定的用戶應(yīng)用提供一套軟件開發(fā)套件?；l具有不同的接口以方便靈活的系統(tǒng)整合(2個USART、USB 2.0、SPI、GPIO)，而且透過不同的省電模式提供先進(jìn)的功率管理。
導(dǎo)航的結(jié)果透過USART或者USB接口輸出，使用內(nèi)部NMEA(0183)協(xié)議或者u-blox公司的協(xié)議，后者具有增強(qiáng)的導(dǎo)航訊息和控制功能。
ANTARIS 4技術(shù)展現(xiàn)了在任何靜態(tài)的和動態(tài)的環(huán)境下的強(qiáng)韌性能，包括像具有挑戰(zhàn)性的大城市環(huán)境。在不影響導(dǎo)航準(zhǔn)確性的情況下它能提供-158dB靈敏度、支持先進(jìn)的WAAS/EGNOS、良好的獲取性能(如34秒的冷啟動時間)、優(yōu)良的多徑抑制、4Hz的刷新率、低功耗，而且使系統(tǒng)方案具有最低的材料成本。
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| 圖5：ANTARIS 4支持的協(xié)議消息。 |
ANTARIS 4和A-GPS
ANTARIS芯片組對于需要立即的位置定位應(yīng)用來說，如透過行動電話的E911緊急呼叫者定位，可提供沒有等待的基于定位的服務(wù)或行動資產(chǎn)追蹤。來自外部資源的輔助數(shù)據(jù)如輔助服務(wù)器則將第一次定位確定時間減少到4秒。輔助參數(shù)提供星歷、年歷、粗定位、頻率漂移和時間、衛(wèi)星狀態(tài)，以及如果可能的話，提供一個精確的時間同步訊號。這種輔助數(shù)據(jù)提供了GPS接收器用于搜尋和追蹤的關(guān)于衛(wèi)星的實(shí)時訊息，以提高TTFF。
NTARIS 4的協(xié)議具有特殊消息用于A-GPS來與A-GPS服務(wù)器交換輔助數(shù)據(jù)。
輔助數(shù)據(jù)和時間同步將提高芯片組的性能將能得到提高，若沒有輔助數(shù)據(jù)，冷啟動一般TTFF為34秒；若沒有時間同步，輔助型啟動TTFF為15到20秒；而在時間同步優(yōu)于8ms情況下，輔助型啟動的TTFF時間一般為12秒；在時間同步優(yōu)于400us情況下，輔助啟動的TTFF時間一般為4秒。
同樣，靈敏度從-142dBm提高到-145dBm，因?yàn)榻邮掌骺梢詧?zhí)行重新獲取過程。
本文總結(jié)：
采用A-GPS，像LBS和E911這樣的新應(yīng)用變得可行。使用輔助數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)微弱訊號的快速獲取，可以推動導(dǎo)航解決方案，否則導(dǎo)航方案將不可能實(shí)現(xiàn)。對于A-GPS來說，技術(shù)已經(jīng)是現(xiàn)成的，應(yīng)用時機(jī)已經(jīng)來臨。在行動網(wǎng)絡(luò)端有兩種可用的方法：用戶層面上的A-GPS適合低成本和快速整合，基于控制層面的A-GPS適合于提供最佳的性能。
作者：Stefan Lux
GPS應(yīng)用工程師
