新一代GPS終端的跨平臺(tái)設(shè)計(jì)趨勢(shì)

在電子產(chǎn)品的市場(chǎng)，GPS近兩年的銷售表現(xiàn)相當(dāng)受到注目。GPS技術(shù)可以應(yīng)用的領(lǐng)域極廣，它已從軍事及地理信息的運(yùn)用，成功跨入汽車及PDA導(dǎo)航的領(lǐng)域，并進(jìn)一步成為手機(jī)增值功能的優(yōu)先選項(xiàng)。這種位置服務(wù)(Location-based Service, LBS)的應(yīng)用還在起步階段，未來(lái)可行的模式仍在發(fā)展當(dāng)中。
以車用導(dǎo)航來(lái)說(shuō)，GPS除了路徑指引的功能外，也能結(jié)合路況通報(bào)，及早指示駕駛?cè)吮荛_(kāi)擁堵的路段；它也能做為多臺(tái)汽車的車隊(duì)管理(fleet management)用途，甚至做為公車位置的顯示。在個(gè)人追蹤方面，GPS能用作緊急救助時(shí)的追蹤定位，最知名的例子是美國(guó)所提出的E911法案，要求每臺(tái)手機(jī)中都要安裝GPS的定位功能，以便在緊急狀況下能呼叫及定位追蹤。當(dāng)然，這項(xiàng)功能可以衍生做為家庭、醫(yī)院對(duì)老人、小孩、病人的追蹤和照顧。

此外，GPS的用途也能夠非常的生活化，例如用在找人的功能，也就是在人潮眾多的地方，如在商場(chǎng)、球場(chǎng)或電影院中找到相約的朋友，或是在廣大的停車場(chǎng)中找到自己的車子。如果和所謂的“興趣點(diǎn)”(point of interest, POI)增值服務(wù)，也就是為行人將所在環(huán)境附近的加油站、推薦餐廳、旅館等信息標(biāo)示出來(lái)，甚至進(jìn)一步提供訂位或廣告推播的服務(wù)。

增強(qiáng)型輔助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

GPS的設(shè)備可以是行車導(dǎo)航器、航空導(dǎo)航器、PDA、筆記本計(jì)算機(jī)、Walkie-Talkie、手機(jī)，甚至可以是手表。這些設(shè)備中的定位核心，即是GPS的接收器芯片組及天線，雖然在不同的應(yīng)用中對(duì)技術(shù)及功能的要求會(huì)不同，但基本上都會(huì)要求取得更精確的定位能力、更高的靈敏度，以及更快的首次定位時(shí)間(Time-To-First Fix, TTFF)。

在定位的精確度上，除了接收器模塊本身的技術(shù)外，與采用的接收方式及所在的位置息息相關(guān)。過(guò)去美國(guó)政府基于國(guó)防安全而提出選擇性干擾(Selective Availability, SA)計(jì)劃，刻意干擾民間GPS系統(tǒng)的精確度，當(dāng)時(shí)只能達(dá)到100米；在民間逐漸廣泛使用后，美國(guó)自2000年5月起已完全開(kāi)放，目前在開(kāi)放天空下采用一般衛(wèi)星定位的正常精確度大約6-15米，此種不靠任何輔助的方式稱為自主(autonomous)接收。

為了降低定位的誤差，發(fā)展出各種增強(qiáng)型的SBAS(Satellite-Based Augmentation System)輔助網(wǎng)絡(luò)模式，包括在美國(guó)的DGPS(Differential GPS)、WAAS(Wide Area Augmentation System)，日本的MSAS(Multi-Functional Satellite Augmentation System)與歐洲的EGNOS(Euro Geostationary Navigation Overlay Service)。這些系統(tǒng)所提供的輔助定位信號(hào)，有助于提升定位的精確度和縮短定位的時(shí)間。

不過(guò)，雖然有了輔助系統(tǒng)，但接收表現(xiàn)仍與GPS設(shè)備所處的環(huán)境有關(guān)，包括建筑物、地形、電子干擾，有時(shí)甚至連濃密的樹(shù)葉，都可以阻擋衛(wèi)星的信號(hào)。其它還有很多原因會(huì)造成GPS的定位誤差，包括GPS 衛(wèi)星的軌道會(huì)有偏移量、接收器內(nèi)建的電子鐘存在微小的定時(shí)誤差，以及衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)大氣層及電離層會(huì)造成的信號(hào)的延遲，此外，GPS信號(hào)可能因建筑物等物體的反射而造成多徑(multi-path)信號(hào)的接收誤差。一般來(lái)說(shuō)，GPS在室內(nèi)的定位情況會(huì)很差，更難以在水面下或地面下進(jìn)行定位。

A-GPS的重要性大增

手機(jī)結(jié)合GPS是當(dāng)前極受重視的一股潮流，其背后的技術(shù)稱為A-GPS。結(jié)合手機(jī)網(wǎng)絡(luò)(GSM/3G/CDMA)和GPS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的A-GPS定位系統(tǒng)，能夠在信號(hào)極弱的巷弄、室內(nèi)，甚至是地下室的環(huán)境中可以收得到信號(hào)，因此成了個(gè)性化手機(jī)應(yīng)用的首選技術(shù)。依據(jù)市場(chǎng)研究公司Frost&Sullivan最新的報(bào)告指出，A-GPS芯片市場(chǎng)必將快速發(fā)展，預(yù)估全球A-GPS芯片市場(chǎng)銷售額將從2005年的5.463億美元增至2009年的14億美元。

A-GPS利用輔助參數(shù)來(lái)提供終端對(duì)衛(wèi)星的定位跟蹤時(shí)所需要的資料，也就是通過(guò)由GPS全球參考網(wǎng)絡(luò)、收集和傳送輔助資料的專用服務(wù)器及用戶終端所構(gòu)成的系統(tǒng)，從參考網(wǎng)絡(luò)站臺(tái)收集衛(wèi)星的年歷(Almanac)、星歷(Ephemeris)和時(shí)間等資料，當(dāng)用戶終端查詢時(shí)，再經(jīng)由專用服務(wù)器傳送出去，這些立即性的輔助資料能協(xié)助用戶終端在數(shù)秒之內(nèi)就完成定位。在這種輔助模式下，終端系統(tǒng)的運(yùn)算需求極低，能有效降低使用功耗，最多可以減少終端GPS芯片60%的功耗。

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)系統(tǒng)都有自己的A-GPS消息發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA則是IS-801A。因此，在組網(wǎng)模式上，如果是利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及信號(hào)發(fā)送層(如SS7)來(lái)從網(wǎng)絡(luò)獲取位置信息，如蜂窩式ID、AFLT或者時(shí)間同步機(jī)制，稱為控制平臺(tái)(Control Plane)模式；如果基于OMA組織所定義的安全用戶層面定位(Secure User Plane Location, SUPL)標(biāo)準(zhǔn)，先包裹RRLP、RRC或IS-801A信號(hào)后再以一致的規(guī)格發(fā)送出去，則稱為用戶平臺(tái)(User Plane)模式。

這兩種組網(wǎng)模式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，用戶平臺(tái)模式較單純，各類的移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商都可以直接利用現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行溝通，組網(wǎng)成本會(huì)比控制平臺(tái)模式更低，整合速度也會(huì)加快；若采用控制平臺(tái)作法，通信運(yùn)營(yíng)商還得布建專屬的硬件單元，例如定位測(cè)量單元(Location Measurement Unit, LMU)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(Radio Network Controller, RNC)等等，而且從網(wǎng)絡(luò)到終端都必須支持專屬的接口和協(xié)議，組網(wǎng)起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜，成本也會(huì)較高，但此模式能為用戶提供最佳的效果。

GPS終端的跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)

對(duì)于移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，若要讓其設(shè)備能采用A-GPS，并不能只支持用戶平臺(tái)或控制平臺(tái)其中的一種模式，因?yàn)槠涫謾C(jī)可能處在各種環(huán)境之下。若想在兩種平臺(tái)中進(jìn)行切換，GPS終端必須支持一套協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)機(jī)制，例如位置服務(wù)轉(zhuǎn)譯和信號(hào)模塊(Location Service Translation and Messaging Modules)，讓用戶可以從控制平臺(tái)轉(zhuǎn)換為用戶平臺(tái)模式，或從RRLP轉(zhuǎn)為RRC或IS-801A。

除了跨平臺(tái)的支持外，GPS終端的功能需求還有很多?；镜男枨笫侵С肿灾髂Ｊ?，對(duì)于SBAS和A-GPS等多種輔助模式則是要盡量去支持。另有一種增加型自主模式(Enhanced autonomous，又稱為Ephemeris Extensions)，此作法是利用移動(dòng)終端中不定期接取儲(chǔ)存的GPS星歷資料做為定位數(shù)據(jù)，可省掉從衛(wèi)星取得星歷的延遲時(shí)間。此外，當(dāng)手機(jī)中執(zhí)行定位功能時(shí)，也得保持通話運(yùn)作的暢通才行。

不僅如此，在有網(wǎng)絡(luò)提供輔助資料的模式下，GPS終端又可以有兩種運(yùn)算模式，一是由移動(dòng)終端自行運(yùn)算的MS-based模式(MS為Mobile Station的縮寫(xiě))，以及由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器運(yùn)算定位資料，再送回給終端的MS-assisted模式。MS-based模式的溝通方式較單純，在第一次尋求網(wǎng)絡(luò)輔助信息后，就回到獨(dú)立運(yùn)算的模式，當(dāng)然，這需要有較強(qiáng)的終端運(yùn)算能力；相較之下，MS-assisted模式則是由終端將量測(cè)到的數(shù)據(jù)丟給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由服務(wù)器來(lái)完成最后的定位運(yùn)算，此模式的終端運(yùn)算負(fù)荷較小，但會(huì)要求終端與網(wǎng)絡(luò)持續(xù)保持聯(lián)機(jī)。

在系統(tǒng)架構(gòu)上，GPS接收器是由RF的諧調(diào)器(tuner)和基帶所組成。除了基帶中的微處理器(最常用ARM7)，往往還會(huì)與系統(tǒng)的主處理器整合：在便攜式導(dǎo)航裝置(Portable Navigation Device, PND)中，可以是一顆應(yīng)用處理器；如果是高端手機(jī)的話，則需要和系統(tǒng)基帶(無(wú)線調(diào)制解調(diào)器)和應(yīng)用處理器一同整合，其中GPS的驅(qū)動(dòng)軟件可以配置在應(yīng)用處理器，也可以在系統(tǒng)基帶中。

為了改善行車中短暫的信號(hào)中斷現(xiàn)象(如開(kāi)入隧道當(dāng)中)，現(xiàn)在的GPS模塊中也會(huì)采用一種輔助導(dǎo)航定位的技術(shù)，稱為方位推估法(Dead Reckoning, DR)，當(dāng)汽車在無(wú)法接收GPS信號(hào)的地方或GPS信號(hào)不良時(shí)，方位推估法就能取代GPS繼續(xù)進(jìn)行導(dǎo)航定位。通過(guò)用于里程表與正向或后向運(yùn)動(dòng)的傳感器，以及像陀螺儀、ABS傳感器或方向指示器等角度加速傳感器，DR技術(shù)可以推算出汽車的行進(jìn)距離和方向。在短距離內(nèi)，DR系統(tǒng)所提供的資料比GPS的信號(hào)來(lái)得準(zhǔn)確，因此可作為短距離內(nèi)的汽車定位誤差修正輔助，不過(guò)，當(dāng)時(shí)間增加時(shí)，誤差累積效應(yīng)會(huì)愈來(lái)愈大，導(dǎo)航的精確度就會(huì)大幅下降。

結(jié)語(yǔ)

GPS的應(yīng)用越來(lái)越普及，終端廠商對(duì)其技術(shù)的要求也日益嚴(yán)苛。除了小尺寸與低功耗的要求外，新一代的GPS終端，尤其是手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，必須具備在室內(nèi)等微弱信號(hào)環(huán)境中的定位接收功能，而且能提供快速的首次定位時(shí)間；當(dāng)然，定位的準(zhǔn)確度必須相當(dāng)?shù)母?。在?guī)格上，這類終端還得支持各種模式，包括用戶平臺(tái)及控制平臺(tái)模式，以及MS-based和MS-assisted模式。此外，在自主模式之外，也得盡量支持各種的輔助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

然而，GPS接收技術(shù)并非市場(chǎng)成功的唯一因素，LBS的應(yīng)用模式才是打開(kāi)市場(chǎng)的主要關(guān)鍵。這和應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)機(jī)制，以及內(nèi)容提供商的參與都息息相關(guān)，需要建立起一套完善的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，才能讓GPS的表現(xiàn)更為亮眼。