轉自

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

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/公交車路線等增值服務。不僅如此，美國E911法案更要求每臺手機中要具備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。采用自主定位（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，并且，此設備的GPS接收機還得將這些GPS衛星軌道信息數據完整收齊，接著才能進行定位計算。對于隨身導航應用來說，自主定位在開機后的第一次定位時間（Time
to first fix,
TTFF）實在太長，而且用戶時常處于建筑物林立的街道中，高架橋下，甚至是室內的環境中，由于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，通過另一套網絡來取得衛星信息的輔助定位方式，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衛星信息組成

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信息的組成，才能了解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于衛星軌道、時間及各種參數的衛星信息，這些信息的接收正是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，在載波上調制了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上所搭載的衛星信息以幀（Frame）為單位，每個幀為1500
bits，其下又分為五個子幀（Sub-Frame），它的內容包括星歷（Ephemeris）數據、電離層參數及年歷（Almanac）等，請參考表一。其中星歷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；年歷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：衛星信息中每幀的組成內容。

對于一個不具任何有效定位數據的GPS終端來說，最重要的是要收齊四顆衛星分別的星歷及衛星時間數據，才能正確的計算定位。由于衛星是以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，年歷方面，由于每次更新的數據需用到25幀來傳送更新的年歷數據，因此要完整的下載，需要用掉12.5分鐘。

圖1：衛星信息組成及接收所需時間。

對于GPS終端來說，啟動開機時本身是否具有有效的衛星信息，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數據的狀況下啟動，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秒可以下載完星歷，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，則需要在下一個周期重新下載該子幀，這樣一共需要36秒才能下載完星歷，下載完星歷數據，GPS接收機便可以計算出定位數據了；不過，由于星歷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歷，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歷數據，并且從上次定位之后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、時間和年歷數據，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信息，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歷和年歷數據的啟動稱為熱啟動。比較典型的例子是：接收機關機不超過兩個小時，并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，能夠快速捕獲并跟蹤衛星信號，由于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，那么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數據的時間。A-GPS是指通過其他的途徑獲取星歷等輔助數據的技術，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后立即定位。

A-GPS服務

一般的A-GPS系統由GPS全球參考網絡、發布輔助數據的根服務器，以及具A-GPS功能的接收機所組成。GPS全球參考網絡必須建立覆蓋廣泛的監控站，并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數據傳送給高效能的根服務器，此服務器會依據這些數據來預測衛星未來的移動軌跡。IGS（International
GNNS-Service）即是這樣的一個網絡，它在全球持續地運轉著。

GPS接收機的運行程序，第一步是搜尋衛星信號、再接收星歷，接著才能定位與跟蹤。如果能預先取得衛星信息，或以更快的速度來下載星歷，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方案獲得輔助數據，一是實時性的通過GSM、GPRS、CDMA或UMTS等移動通信系統來取得，也就是在線A-GPS方式（AssistNow
Online）；另一種是采用離線A-GPS方式（AssistNow
offline），也就是依使用者的方便，通過移動網絡或直接由因特網預先下載衛星數據，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，具有星歷或差分年歷修正數據的終端能快速的定位。

1. 在線A-GPS （AssistNow Online）

一種方式是在線方式，u-blox公司的在線方式的品牌為AssistNow online。

一個具有在線A-GPS功能的終端，可以由兩種接口來與移動網絡通信，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接口規范，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA則是IS-801A。除了接口規格不同外，不同的系統服務商往往會建立屬于自己的控制平臺運作系統，此舉雖然能保證較佳的服務質量，但建設成本較高，用戶也得受限于系統服務商。

另一種接口系統為用戶平臺，它使用的是由OMA組織所定義的一套通用接口規范，稱為SUPL（Secure User Plane
Location）。它通過將RRC、RRLP等信息打包為一致性的規范后再發送出去，與TCP/IP的架構極為接近。由于其通用性高，系統建設成本較低，因此有助于A-GPS在手機等移動設備中的推廣。

采用在線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質量及用戶所在位置息息相關，是較不可控的因素。CDMA和GSM/GPRS的協議中都定義出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于滿足這項要求，以u-blox的AssistNow
Online為例，它能夠超過標準的要求，進而能提供優質的在線服務。

第二個因素則與下載的衛星數據內容有關，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時間有助于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，后者只需數秒鐘即可。

當支持A-GPS的終端啟動時，它會同時接收來自天空中的衛星信號，并通過用戶平臺（如GPRS）來連接移動網絡的基站，此基站會通過因特網來與取得全球參考網絡數據的服務器連接；GPS終端通常會從服務器端下載包括星歷、年歷、粗略位置、時間、衛星健康狀態等數據，除了星歷是必要的，其它數據為選擇性的。這些數據并不需儲存在GPS接收機或系統的內存中，而且每次啟動連接時，數據都會更新。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終端先通過移動網絡或因特網從服務器端中取得輔助數據，這些數據通常是預先推測的年歷或星歷衛星軌道數據，當它們被儲存下來后，與服務器的連接就可以中斷。下次GPS接收機啟動時，儲存的數據會被用來推算當前的軌道數據，以幫助導航定位。

在此情況下，接收機不需等到所有的數據都從衛星下載回來后才開始計算，它能很快的開始進行導航。輔助數據的有效性與數據提供者有關，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，下載后前幾天準確度最高，時間愈久準確度就愈低，因此最好能經常維持數據的更新。

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歷，由于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，若直接以此數據來進行定位，計算出來的位置會偏移不少。因此，專業的數據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，可以通過差分年歷修正數據（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差分年歷修正數據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的協議方式來與標準的鏡像（Mirror）或代理（Proxy）服務器溝通，以取得復制到此服務器中的輔助衛星數據。此Mirror/Proxy服務器也是通過標準的HTTP協議來與根服務器（Root
server）通信，以取得壓縮過的衛星信息數據；根服務器的數據則來自如IGS的全球參考網絡。

圖5：Offline A-GPS服務架構示意圖。

與離線式A-GPS相比，在線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，星歷的有效性短，必須隨時更新，而且容易受限于移動通信系統的連網時間及連網質量。相較之下，離線式A-GPS因不需花費時間在衛星軌道數據的下載，也不會受到基站涵蓋范圍的限制，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，其數據的有效時間大約只有5
到 10天。

無論是在線式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持，相關的程序已經硬掩模在芯片內部，不需要特別的程序來支持。

A- GPS終端系統規劃

在移動終端的GPS系統設計上，因手機制造商的需求采用不同的架構：一種是采用單芯片的方式，此芯片整合了GPS的射頻及基帶功能，有助于制造商降低成本及安裝尺寸；另一種是采用射頻與基帶獨立的芯片組模式，此方式讓制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芯片當中，但此種作法會占用大量的主處理器運算資源。

就在線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）；若由網絡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的模式在取得網絡輔助數據后，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則較為復雜，終端得將接收到的衛星信號數據傳送給網絡服務器，由服務器計算出結果后再將位置信息送回給終端，此舉雖能降低終端的運算負荷，而且能進行較復雜的運算以取得更精確的位置，但對于連網質量要求甚高，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等標準的接口來進行通信。離線模式中，從服務器端下載來的數據通常儲存于非易失性的Flash
EPROM中，依算法的不同，GPS接收機與內存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內存溝通。前者需要額外配置一顆Flash
EPROM內存，后者則只需使用主處理器的內存即可，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。采用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存儲器的架構。

圖7：GPS接收機通過主處理器取得存儲數據的架構。

在內存的需求上，在線A-GPS對于內存容量的要求極低，u-blox公司的AssistNow
Online，每次下載的數據大小只有1-3KB；對離線式A-GPS方案AssistNow
Offline來說，下載一天的衛星預測數據，大約只需要10KB，十四天的預測數據量則約為90KB。

具有A-GPS功能的移動終端，也可以同時支持在線及離線模式。當終端一啟動時，內部的GPS接收機會自動檢查在Flash
EPROM中的有效衛星數據，當找不到可有效使用的星歷數據時，它就會用采用離線模式，以經過修正的年歷數據來輔助定位運算。一旦終端通過移動網絡取得有效的星歷時，系統就會利用它來取代離線數據，以取得更精確的定位結果。同樣的，當星歷又失效時，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通過移動網絡或因特網來取得衛星輔助數據，并以靈活的在線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質量。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，也可以獨立于SUPL單獨工作，有助于打開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。最后，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，并終將成為GPS應用中一項不可或缺的技術。詳細情況請瀏覽：www.u-blox.com。

作者：劉衛、倪志鴻

u-blox公司

總結

以上是生活随笔為你收集整理的（转）ublox公司AGPS解决方案简介的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。