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u-blox公司A-GPS解決方案簡介

GPS的應(yīng)用日益普及，車用導(dǎo)航及PDA/PND便攜式導(dǎo)航設(shè)備在市場上大行其道，而其應(yīng)用領(lǐng)域除了與相片、影音播放相結(jié)合外，也逐漸從汽車導(dǎo)航跨入行人的徒步隨身導(dǎo)航，在應(yīng)用性上也更強(qiáng)調(diào)位基服務(wù)（Location-based
Service,
LBS），也就是從定位功能延伸出附近餐廳、景點(diǎn)、出租/公交車路線等增值服務(wù)。不僅如此，美國E911法案更要求每臺手機(jī)中要具備GPS的功能，以求在緊急時刻發(fā)揮定位尋人的用途。

當(dāng)GPS的應(yīng)用不斷地推進(jìn)個人的隨身應(yīng)用時，傳統(tǒng)的GPS定位方式就出現(xiàn)了不小的使用瓶頸。采用自主定位（Autonomous
Positioning）的獨(dú)立式GPS設(shè)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(wèi)星信號，并且，此設(shè)備的GPS接收機(jī)還得將這些GPS衛(wèi)星軌道信息數(shù)據(jù)完整收齊，接著才能進(jìn)行定位計(jì)算。對于隨身導(dǎo)航應(yīng)用來說，自主定位在開機(jī)后的第一次定位時間（Time
to first fix,
TTFF）實(shí)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(nèi)的環(huán)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(wǎng)絡(luò)來取得衛(wèi)星信息的輔助定位方式，也就是A-GPS（即Aiding
GPS），已成為GPS發(fā)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(shí)現(xiàn)定位。

GPS衛(wèi)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(wèi)星信息的組成，才能了解A-GPS的優(yōu)勢所在。目前在天空中有多套定位衛(wèi)星系統(tǒng)在運(yùn)作，包括美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯在建中的GLONASS系統(tǒng)，以及歐盟在建中的Galileo系統(tǒng)，其中以美國的GPS為今日市場應(yīng)用的主流，也是本文中所探討的系統(tǒng)。

GPS是由24顆衛(wèi)星群所組成，分別運(yùn)行在六個軌道面上，每顆衛(wèi)星會不斷地發(fā)射關(guān)于衛(wèi)星軌道、時間及各種參數(shù)的衛(wèi)星信息，這些信息的接收正是GPS終端能否成功定位的關(guān)鍵所在。目前GPS衛(wèi)星分別有1575.42MHz的L1載波及1227.60MHz的L2載波，在載波上調(diào)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(wèi)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(nèi)容包括星歷（Ephemeris）數(shù)據(jù)、電離層參數(shù)及年歷（Almanac）等，請參考表一。其中星歷為個別衛(wèi)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(wèi)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(dá)數(shù)周。

表1：衛(wèi)星信息中每幀的組成內(nèi)容。

對于一個不具任何有效定位數(shù)據(jù)的GPS終端來說，最重要的是要收齊四顆衛(wèi)星分別的星歷及衛(wèi)星時間數(shù)據(jù)，才能正確的計(jì)算定位。由于衛(wèi)星是以50
bit/s(bps)的速率來發(fā)射信號，因此同步收齊四顆衛(wèi)星一個完整星歷數(shù)據(jù)的時間，至少需要18秒，年歷方面，由于每次更新的數(shù)據(jù)需用到25幀來傳送更新的年歷數(shù)據(jù)，因此要完整的下載，需要用掉12.5分鐘。

圖1：衛(wèi)星信息組成及接收所需時間。

對于GPS終端來說，啟動開機(jī)時本身是否具有有效的衛(wèi)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(jī)是在完全無任何數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)，GPS接收機(jī)便可以計(jì)算出定位數(shù)據(jù)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(fèi)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(jī)在只有有效的年歷數(shù)據(jù)，并且從上次定位之后沒有發(fā)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(jī)關(guān)機(jī)超過兩個小時，但仍然保留上次的位置、時間和年歷數(shù)據(jù)，這允許接收機(jī)預(yù)測當(dāng)前可見的衛(wèi)星的位置，比較容易捕獲到衛(wèi)星。不過，此時如果GPS接收機(jī)需要計(jì)算定位信息，它仍需要如冷啟動一樣下載四顆以上衛(wèi)星完整的星歷數(shù)據(jù)。

3.
熱啟動：GPS接收機(jī)啟動時仍然擁有有效的星歷和年歷數(shù)據(jù)的啟動稱為熱啟動。比較典型的例子是：接收機(jī)關(guān)機(jī)不超過兩個小時，并且這段時間內(nèi)接收機(jī)的內(nèi)部時鐘一直保持工作狀態(tài)。在熱啟動時，接收機(jī)同樣可以預(yù)測衛(wèi)星的位置，能夠快速捕獲并跟蹤衛(wèi)星信號，由于已經(jīng)有有效的星歷數(shù)據(jù)，因此沒有必要如冷啟動和溫啟動一樣重新下載星歷數(shù)據(jù)，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(jī)需要從衛(wèi)星上下載星歷數(shù)據(jù)，在信號不好的情況下，可能要等待數(shù)十秒甚至數(shù)分鐘之久，那么有沒有其他的辦法可以解決這個問題呢？當(dāng)然有！u-blox公司的兩種不同的A-GPS技術(shù)，都可以省掉較長的從衛(wèi)星上下載數(shù)據(jù)的時間。A-GPS是指通過其他的途徑獲取星歷等輔助數(shù)據(jù)的技術(shù)，有了A-GPS，GPS接收機(jī)不需完整下載四顆以上的衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)，能夠在捕獲到衛(wèi)星信號之后立即定位。

A-GPS服務(wù)

一般的A-GPS系統(tǒng)由GPS全球參考網(wǎng)絡(luò)、發(fā)布輔助數(shù)據(jù)的根服務(wù)器，以及具A-GPS功能的接收機(jī)所組成。GPS全球參考網(wǎng)絡(luò)必須建立覆蓋廣泛的監(jiān)控站，并持續(xù)且準(zhǔn)確地監(jiān)控衛(wèi)星的移動。它會將監(jiān)控得到的相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳送給高效能的根服務(wù)器，此服務(wù)器會依據(jù)這些數(shù)據(jù)來預(yù)測衛(wèi)星未來的移動軌跡。IGS（International
GNNS-Service）即是這樣的一個網(wǎng)絡(luò)，它在全球持續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)著。

GPS接收機(jī)的運(yùn)行程序，第一步是搜尋衛(wèi)星信號、再接收星歷，接著才能定位與跟蹤。如果能預(yù)先取得衛(wèi)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(shù)據(jù)，一是實(shí)時性的通過GSM、GPRS、CDMA或UMTS等移動通信系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)或直接由因特網(wǎng)預(yù)先下載衛(wèi)星數(shù)據(jù)，當(dāng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)針對定位輔助功能所定義的接口規(guī)范，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA則是IS-801A。除了接口規(guī)格不同外，不同的系統(tǒng)服務(wù)商往往會建立屬于自己的控制平臺運(yùn)作系統(tǒng)，此舉雖然能保證較佳的服務(wù)質(zhì)量，但建設(shè)成本較高，用戶也得受限于系統(tǒng)服務(wù)商。

另一種接口系統(tǒng)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(guī)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(guī)范后再發(fā)送出去，與TCP/IP的架構(gòu)極為接近。由于其通用性高，系統(tǒng)建設(shè)成本較低，因此有助于A-GPS在手機(jī)等移動設(shè)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(wǎng)速度，這和移動運(yùn)營商的服務(wù)質(zhì)量及用戶所在位置息息相關(guān)，是較不可控的因素。CDMA和GSM/GPRS的協(xié)議中都定義出A-GPS手機(jī)的最低運(yùn)行效果標(biāo)準(zhǔn)：CDMA的標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)，GSM則是20秒。目前各家的解決方案都致力于滿足這項(xiàng)要求，以u-blox的AssistNow
Online為例，它能夠超過標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)而能提供優(yōu)質(zhì)的在線服務(wù)。

第二個因素則與下載的衛(wèi)星數(shù)據(jù)內(nèi)容有關(guān)，當(dāng)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?yàn)樾l(wèi)星的移動很快（每秒移動800米），GPS時間有助于掌握衛(wèi)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(shù)秒鐘即可。

當(dāng)支持A-GPS的終端啟動時，它會同時接收來自天空中的衛(wèi)星信號，并通過用戶平臺（如GPRS）來連接移動網(wǎng)絡(luò)的基站，此基站會通過因特網(wǎng)來與取得全球參考網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的服務(wù)器連接；GPS終端通常會從服務(wù)器端下載包括星歷、年歷、粗略位置、時間、衛(wèi)星健康狀態(tài)等數(shù)據(jù)，除了星歷是必要的，其它數(shù)據(jù)為選擇性的。這些數(shù)據(jù)并不需儲存在GPS接收機(jī)或系統(tǒng)的內(nèi)存中，而且每次啟動連接時，數(shù)據(jù)都會更新。Online
A-GPS的服務(wù)架構(gòu)請參考(圖三)。

圖3：Online A-GPS服務(wù)架構(gòu)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(xiàng)技術(shù)的專利所有權(quán)。在使用前，GPS終端先通過移動網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng)從服務(wù)器端中取得輔助數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常是預(yù)先推測的年歷或星歷衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，當(dāng)它們被儲存下來后，與服務(wù)器的連接就可以中斷。下次GPS接收機(jī)啟動時，儲存的數(shù)據(jù)會被用來推算當(dāng)前的軌道數(shù)據(jù)，以幫助導(dǎo)航定位。

在此情況下，接收機(jī)不需等到所有的數(shù)據(jù)都從衛(wèi)星下載回來后才開始計(jì)算，它能很快的開始進(jìn)行導(dǎo)航。輔助數(shù)據(jù)的有效性與數(shù)據(jù)提供者有關(guān)，大約可以維持十天至兩周左右，但所提供位置的準(zhǔn)確性會隨著時間而下降，下載后前幾天準(zhǔn)確度最高，時間愈久準(zhǔn)確度就愈低，因此最好能經(jīng)常維持?jǐn)?shù)據(jù)的更新。

衛(wèi)星軌道預(yù)測的準(zhǔn)確度也與資料提供者的專業(yè)能力密切相關(guān)。如果直接提供衛(wèi)星的年歷，由于它只提供所有衛(wèi)星軌道的概略位置，與實(shí)際的衛(wèi)星軌道之間存在著大約3-5公里的誤差，若直接以此數(shù)據(jù)來進(jìn)行定位，計(jì)算出來的位置會偏移不少。因此，專業(yè)的數(shù)據(jù)供應(yīng)者會借由天文學(xué)及重力等模式來預(yù)測及修正衛(wèi)星軌道，u-blox公司提出的AlmanacPlus技術(shù)，可以通過差分年歷修正數(shù)據(jù)（Differential
Almanac Correction Data）的做法，將衛(wèi)星軌道的準(zhǔn)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(shù)據(jù)來提升軌道預(yù)測的準(zhǔn)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(xié)議方式來與標(biāo)準(zhǔn)的鏡像（Mirror）或代理（Proxy）服務(wù)器溝通，以取得復(fù)制到此服務(wù)器中的輔助衛(wèi)星數(shù)據(jù)。此Mirror/Proxy服務(wù)器也是通過標(biāo)準(zhǔn)的HTTP協(xié)議來與根服務(wù)器（Root
server）通信，以取得壓縮過的衛(wèi)星信息數(shù)據(jù)；根服務(wù)器的數(shù)據(jù)則來自如IGS的全球參考網(wǎng)絡(luò)。

圖5：Offline A-GPS服務(wù)架構(gòu)示意圖。

與離線式A-GPS相比，在線A-GPS以當(dāng)前星歷來進(jìn)行定位，因此可以得到較佳的準(zhǔn)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(tǒng)的連網(wǎng)時間及連網(wǎng)質(zhì)量。相較之下，離線式A-GPS因不需花費(fèi)時間在衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)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(lián)機(jī)，因此可省下不少上網(wǎng)費(fèi)用，是相當(dāng)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(zhǔn)確的資料外，其有效時間已可以達(dá)到14天，而目前市場上也有其他離線式的解決方案，其數(shù)據(jù)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(chǎn)的所有GPS接收機(jī)在出廠時就支持，相關(guān)的程序已經(jīng)硬掩模在芯片內(nèi)部，不需要特別的程序來支持。

A- GPS終端系統(tǒng)規(guī)劃

在移動終端的GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，因手機(jī)制造商的需求采用不同的架構(gòu)：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(dú)立的芯片組模式，此方式讓制造商有較大的設(shè)計(jì)彈性，但系統(tǒng)工程師必須有能力去調(diào)整整體系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)性較高；還有一種是將基帶功能整合到手機(jī)的應(yīng)用處理器或基帶芯片當(dāng)中，但此種作法會占用大量的主處理器運(yùn)算資源。

就在線A-GPS來說，系統(tǒng)規(guī)劃上必須考慮到定位運(yùn)算的主體在那一端。如果是由移動終端來負(fù)責(zé)運(yùn)算工作，則稱為MS-based模式（MS為Mobile
Station的縮寫）；若由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端來進(jìn)行定位運(yùn)算，再送回給終端，則稱為MS-assisted模式。MS-based的模式在取得網(wǎng)絡(luò)輔助數(shù)據(jù)后，就回到獨(dú)立運(yùn)算的狀態(tài)，運(yùn)作上較為單純，但對終端系統(tǒng)的運(yùn)算資源要求較高。

MS-assisted則較為復(fù)雜，終端得將接收到的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由服務(wù)器計(jì)算出結(jié)果后再將位置信息送回給終端，此舉雖能降低終端的運(yùn)算負(fù)荷，而且能進(jìn)行較復(fù)雜的運(yùn)算以取得更精確的位置，但對于連網(wǎng)質(zhì)量要求甚高，因?yàn)橐坏┑艟€就會失去定位結(jié)果。

在系統(tǒng)架構(gòu)上，主處理器和GPS接收機(jī)通過UART、SPI or
I?C等標(biāo)準(zhǔn)的接口來進(jìn)行通信。離線模式中，從服務(wù)器端下載來的數(shù)據(jù)通常儲存于非易失性的Flash
EPROM中，依算法的不同，GPS接收機(jī)與內(nèi)存通信方式可以分為兩種：一是接收機(jī)直接與Flash
EPROM溝通，一是接收機(jī)通過主處理器來與內(nèi)存溝通。前者需要額外配置一顆Flash
EPROM內(nèi)存，后者則只需使用主處理器的內(nèi)存即可，因此可節(jié)省設(shè)計(jì)成本與空間。此外，在移動終端上設(shè)計(jì)A-GPS方案，會希望不要對主處理器造成太大的負(fù)擔(dān)。采用u-blox公司的AssistNow方案，所有的運(yùn)算工作都交給GPS接收機(jī)，因此不需要為CPU進(jìn)行定制化的工作，設(shè)計(jì)上更為容易。

圖6：GPS接收機(jī)配置單獨(dú)Flash存儲器的架構(gòu)。

圖7：GPS接收機(jī)通過主處理器取得存儲數(shù)據(jù)的架構(gòu)。

在內(nèi)存的需求上，在線A-GPS對于內(nèi)存容量的要求極低，u-blox公司的AssistNow
Online，每次下載的數(shù)據(jù)大小只有1-3KB；對離線式A-GPS方案AssistNow
Offline來說，下載一天的衛(wèi)星預(yù)測數(shù)據(jù)，大約只需要10KB，十四天的預(yù)測數(shù)據(jù)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(dāng)終端一啟動時，內(nèi)部的GPS接收機(jī)會自動檢查在Flash
EPROM中的有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)，當(dāng)找不到可有效使用的星歷數(shù)據(jù)時，它就會用采用離線模式，以經(jīng)過修正的年歷數(shù)據(jù)來輔助定位運(yùn)算。一旦終端通過移動網(wǎng)絡(luò)取得有效的星歷時，系統(tǒng)就會利用它來取代離線數(shù)據(jù)，以取得更精確的定位結(jié)果。同樣的，當(dāng)星歷又失效時，系統(tǒng)則會再切回來使用離線模式。

本文小結(jié)

u-blox公司推出的AssistNow的A-GPS通過移動網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng)來取得衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)，并以靈活的在線或離線方式來實(shí)現(xiàn)更快的定位速度或更精確的定位，以及更可靠的定位導(dǎo)航質(zhì)量。此套做法同時可以非常簡單的整合進(jìn)中國移動現(xiàn)在力推的SUPL技術(shù)，也可以獨(dú)立于SUPL單獨(dú)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(jī)的新殺手級應(yīng)用。最后，A-GPS技術(shù)不僅僅能夠在手機(jī)中應(yīng)用，它也能夠在所有帶通訊功能的GPS產(chǎn)品中應(yīng)用，并終將成為GPS應(yīng)用中一項(xiàng)不可或缺的技術(shù)。詳細(xì)情況請瀏覽：www.u-blox.com。

作者：劉衛(wèi)、倪志鴻

u-blox公司

總結(jié)

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