基于伽利略衛(wèi)星網絡的GPS系統(tǒng)設計

全球定位系統(tǒng)(GPS)功能正在快速成為消費電子應用的主要市場驅動力，也逐漸成為在各式各樣新一代消費類電子設備中脫穎而出的重要差異點。無論是汽車、個人導航設備乃至蜂窩手機等應用都加入了精確的定位能力。此外，有許多先進的GPS服務也正在開發(fā)中，例如基于定位的廣告。事實上，能夠在地圖上定位用戶的功能足以推動GPS成為主流設備，但前提是不必大幅增加整體材料清單(BOM)成本和處理器負荷。

然而，要做到以消費者愿意支付的價格提供他們所期待的GPS性能和精度，開發(fā)商必須熟悉一些在消費類電子設備中實現(xiàn)GPS功能的關鍵技術，特別是全新的伽利略(Galileo)衛(wèi)星網絡。在伽利略衛(wèi)星提供的輔助信號幫助下，個人導航設備將較只有GPS功能的設備可以更快速和更精確地采集和鎖定位置，特別是在最需要位置定位服務、但GPS精度又不夠的城市環(huán)境中。此外，隨著創(chuàng)新技術如軟件基帶處理(類似于軟件定義的無線電)的面世，制造商可以在不影響成本及功耗的情況下，把定位技術引入至個人多媒體播放器和手機之類的設備中。所有這些因素都使得伽利略與GPS的結合成為引人注目的技術。

伽利略： 有效彌補GPS網絡的不足

伽利略衛(wèi)星是在歐盟贊助下開發(fā)和推行的一種平行式全球定位衛(wèi)星網絡。伽利略衛(wèi)星的開發(fā)并不是為了與GPS競爭，而是與其協(xié)同工作。伽利略衛(wèi)星將在多個頻段內傳輸信號，其中之一是跟GPS一樣的L1波段頻率，并且該波段頻率在互補軌道的GPS衛(wèi)星之間是有間隔的，這樣，某個具體位置能捕獲到的信號量就會大增，這對于高樓林立的城市中接收設備的精度影響很大。要獲得足夠的位置鎖定信號，至少需要四顆衛(wèi)星，基于伽利略/GPS的個人導般設備可同時使用來自兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星，也就是說可以有更多衛(wèi)星信號。實際上，這種高級別的精度足以讓個人導航設備能夠確定路上行人正往哪一邊行走。

GPS面世至今已經有30多年歷史。1978年，第一批探索衛(wèi)星被送上了太空；1989年，第一批實用衛(wèi)星被投放至軌道上。GPS于1993年達到了初始運作能力(IOC)，并于1995年實現(xiàn)了全面運作能力(FOC)。GPS由美國國防部管理，最初并不是特別為商業(yè)市場而設計的。

在效果上，伽利略是對GPS的有效補充。由于伽利略可用的信號數(shù)量更多，而且不受某一國政府機構的控制(例如可以不經警告就停止服務或改變衛(wèi)星的精度)，所以能提供比GPS更高的精度(在商業(yè)應用方面，伽利略的精度為+/-4m，而GPS的精度為+/-10m)。

目前，伽利略測試衛(wèi)星GIOVE-A已經部署，并驗證了該技術所有重要的傳輸機制。隨著部署的深入開展，27顆伽利略衛(wèi)星將會被運送到軌道上。由于目前的產品開發(fā)周期很長，許多OEM廠商已經著手考慮推行基于伽利略/GPS的架構，并讓相關產品逐漸進入市場，以便一旦伽利略系統(tǒng)正式運作，消費者就能夠立即享用到優(yōu)勢。在理想情況下，這些設備目前只運用GPS工作，但當伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)建成后，就可以快速升級到采集伽利略的信號。即使OEM商沒有計劃升級已經投放的設備，現(xiàn)在就設計能同時支持這兩種系統(tǒng)的架構，便可以避免當伽利略系統(tǒng)建成時，產品上市時間延遲和錯失商機。

現(xiàn)今的GPS架構由天線、射頻(RF)接收器、基帶處理器和連接到應用處理器的輸出總線接口組成(見圖1)。這樣的傳統(tǒng)設備既不受功率約束的限制，也不需要太多的靈活性，因為它們是針對特定設備(如車載GPS)而開發(fā)的，所以接收器硬件的性能可以得到高度優(yōu)化。它們的無線部分不管是硬件還是軟件都幾乎沒有可配置能力或者不需要這種能力。它們常常以模塊的形式出售給制造商，因此，OEM商沒有必要掌握更多有關RF設計和測試的細節(jié)要點。

圖1：基于硬件基帶處理的GPS架構方框圖。

盡管在針對特殊應用的實施方案中節(jié)省了大量成本，但是維護支持伽利略和GPS兩個截然不同的射頻子系統(tǒng)所需的成本卻遠遠超過了消費市場能夠承受的能力。更為重要的是，兩個射頻部分所占據(jù)的空間和消耗的功率翻了一番，而且還需要為應用處理器提供兩條總線接口。在這種情況下，把這些射頻部分集成為一個子組件就可以減少整體成本、復雜性和功耗。

事實上，因為GPS和伽利略采用相同的頻段(中心頻率為1.575 GHz)，所以有可能兩套系統(tǒng)共享一個射頻部分。然而，在信號采集方式上的微小差異則需要以可配置的方式來實現(xiàn)。特別是伽利略信號采用4MHz帶寬，而GPS采用2MHz帶寬，并且執(zhí)行一套不同的編碼方案。從基帶的觀點來看，這些調制方案都可以利用關聯(lián)器進行解調，因此可以采用一個基帶處理器，并通過獨立配置一個靈活的關聯(lián)器模塊來同時解調伽利略和GPS這兩種信號。

利用未充分使用的計算能力

傳統(tǒng)的基帶處理都是通過硬件實現(xiàn)的。然而，伽利略信號方案目前尚未最終完成，如果現(xiàn)在以硬件方式實現(xiàn)，就需要重新配置基帶(只能用軟件實現(xiàn))的靈活性，以根據(jù)最終標準作出必要的修改。此外，基于硬件的實現(xiàn)方案通常很不靈活，難以通過修改來適應為了改進性能和精度而采用的新的信號處理算法。

以高性價比的方式實現(xiàn)伽利略/GPS功能的關鍵，就是利用現(xiàn)有架構中未被充分使用的計算能力，在軟件中實現(xiàn)一部分的基帶處理功能。例如，手機有一個應用處理器負責處理與通信無關的所有功能，隨著人們對多媒體服務(如音樂和視頻播放)興趣的與日俱增，這種處理器已經變得越來越強大。然而，當這些服務不使用時，應用處理器常常處于閑置狀態(tài)，一般來說會被斷電，以降低它消耗的功率。

圖2：利用雙硬件架構與基于軟件的架構實現(xiàn)的伽利略/GPS系統(tǒng)方框圖。

當基帶處理可以在應用處理器上以軟件實現(xiàn)的時候，消費型伽利略/GPS接收器就有可能成真。在這種方式中，由于一個接收器硬件已可支持多個衛(wèi)星系統(tǒng)，所以基于軟件的伽利略/GPS 就相當于軟件定義的無線電(SDR)。此外，隨著無線通信技術不斷融合，可以預見在不遠的將來，消費電子設備將利用多功能無線電技術來支持藍牙、WiFi和使用可配置軟件基帶實現(xiàn)的伽利略/GPS。

開發(fā)商可以選擇繼續(xù)使用硬件來實現(xiàn) GPS的基帶處理，而利用未充分使用的主處理器資源在軟件中執(zhí)行伽利略的基帶處理；又或者在軟件中同時實現(xiàn)GPS和伽利略兩種基帶處理。這兩種方法都能降低在消費應用中實現(xiàn)定位服務的成本，但在軟件中同時實現(xiàn)這兩種基帶處理可以完全消除對硬件基帶芯片的需求。

特別是，如果在軟件中推行基帶處理，可以將伽利略/GPS系統(tǒng)的價格降低50% 以上?；谲浖馁だ?GPS系統(tǒng)預計在供貨時能迅速達到1美元的價格點，而有助此目標成真的因素之一是功能軟件本身的商業(yè)模式：當軟件開發(fā)完成后，就不會有任何制造成本，而且軟件一直以來都是與硬件捆綁銷售，以作為促銷硬件的手段。通過集成固定的基帶處理技術(如關聯(lián)技術)和射頻電路還可以進一步節(jié)省成本(見圖3)。此外，伽利略可以在任何時間加入到基于軟件的基帶設備之中而不增加整體的硬件成本。相對來說，如果是基于硬件的實現(xiàn)方案，推行伽利略的配置將增加設備的零售成本，但卻不會馬上為消費者帶來價值。

圖3：被劃分為軟件和射頻部分進行處理的各個功能方框圖(即把關聯(lián)功能從軟件轉移到無線部分進行處理)。

軟件基帶處理是否可行可以由評估最壞情況下的加載來確定。對伽利略/GPS來說，峰值處理會在最初的信號采集過程中或定位丟失之后(例如在開車通過一條長隧道之后)出現(xiàn)。當鎖定了位置后，基帶處理的運算量就會大幅度下降，因為一旦系統(tǒng)掌握了位置信息，維持該位置信息就比較容易。

當然，最壞情況下的處理是不應過分占用應用處理器的運算能力的，以免影響其它功能。初期的軟件基帶實現(xiàn)方案會消耗手機應用處理器(如ARM9) 多達66%的可用計算能力，不過，軟件供應商預期能夠把這個負荷降低到稍多于可接受的10到15%。

達到這一目標的實現(xiàn)方式之一就是采用非實時技術。要把數(shù)據(jù)作為信號流實時地處理需要基于中斷的處理能力，但這樣會導致高開銷，而且在不同應用中管理實時任務也很復雜。此外，由于處理器持續(xù)地被中斷以處理各種信號，其電源就不是經常處于關閉狀態(tài)，因此大大增加了整個系統(tǒng)的功耗。

非實時處理采用的是一種突發(fā)方式，一次收集許多數(shù)據(jù)樣本用于處理。雖然這會增加延遲，但這種少量的延遲是可以忽略的，并不會影響精度或用戶體驗。由于數(shù)據(jù)比較集中，所以當應用處理器沒有忙于處理較高優(yōu)先級的任務時，就可編排處理的日程進度。要注意的是，跟實時處理的情況不同，這個處理器并不會被定時喚醒后只去做基帶處理；相反，當處理器被某個任務喚醒后，便會執(zhí)行基帶處理，這樣，處理器后面就能夠休眠比較長的時間。

解決靈敏度的問題

對于伽利略/GPS 接收器(特別是手機)來說，靈敏度是一個關鍵的性能和精度指示。信號采集要求(A-GPS系統(tǒng)中的)接收器上的信號電平在 -130到-155 dBm之間，大約比由 RF 前端模塊所得的噪聲電平低 19到34dB。關聯(lián)器會把一個2MHz帶寬的信號去擴展為一個50Hz的數(shù)據(jù)信號，從而提供43dB的關聯(lián)增益，從而把有用信號提升到噪聲電平以上，方便它們進行處理。然而，任何接近有用信號頻率的其它通信信號或在有用頻段的諧波都可能成為一種干擾源，并進一步降低接收器的靈敏度。

最常見和最具破壞性的干擾源來自個人導航設備本身。例如，如果手機遠離基站并以最大功率發(fā)射，這意味著在同一設備內1800MHz頻點處可能有30dBm的信號，因而進一步導致伽利略/GPS信號在最壞情況下的靈敏度衰減。

要克服內部傳輸干擾有若干方法。其一是由于發(fā)射信號是已知的，因此可以從伽利略/GPS信號中減去。另一種方法是，使用濾波器把蜂窩電話的干擾降低70dB以上，以保護輸入的衛(wèi)星信號。

然而，如果GPS擁有2MHz的帶寬而伽利略擴展至4MHz，那么雙接收器架構就具有兩個最佳的濾波器。GPS的調制方式為BPSK，而伽利略的調制方式為BOC(1,1)，這樣，兩種信號都可以占用相同的信號帶寬，然后關聯(lián)器也能夠從伽利略信號中辨別GPS信號，反之亦然。

濾波器還適用于基帶處理器。以硬件實現(xiàn)基帶時，由于這些濾波器的參數(shù)是固定的，因此限制了無線部分的優(yōu)化程度。但如果用軟件實現(xiàn)基帶濾波，這些參數(shù)就可以被改變，以匹配具體的信號條件。此外，隨著濾波算法的發(fā)展，這些濾波器可以被應用到現(xiàn)有的架構上。即便各種手機的架構存在極大的差異，但這樣的靈活性使單個雙無線接收器架構就可以很好地應用于不同的產品線。

靈敏度也可能因一個不良晶體或VCXO參考時鐘而嚴重地降低。一般來說，時鐘源越穩(wěn)定，成本就越高，但采集時間也越快。例如，一個0.5ppm的參考時鐘將使鎖定時間達到40秒的數(shù)量級。如果采集時間不成問題，那么，2.5ppm的參考時鐘就應該足夠了。

很多人都誤以為GSM參考時鐘可以生成穩(wěn)定的伽利略/GPS參考時鐘，其實不然。 GSM參考時鐘是鎖定到網絡的，而且需要頻繁進行頻率修正。有時侯，這些修正是通過GSM基帶驅動一個DAC來實現(xiàn)的，再由它驅動一個VCTCXO。參考時鐘頻率的漸進式變化將不會讓伽利略/GPS接收器與衛(wèi)星信號保持信號鎖定，特別是在信號較弱的地方，這將導致定位丟失。所以，最安全的方法是針對伽利略/GPS子系統(tǒng)采用獨立的時鐘，但這樣會增加整體設備的成本。開發(fā)商需要仔細考慮性能和成本之間的折衷，并在架構設計過程的早期避免開發(fā)出一個無法滿足最低精度要求的設計。

總而言之，伽利略系統(tǒng)可以改善全球定位服務的可用性和性能，而增加的精度能完美地補充GPS的不足。借助基于軟件的基帶處理功能，個人導航設備(包括手機和便攜式媒體播放器)將能夠充分發(fā)掘應用處理器的閑置處理能力，以高性價比的方式實現(xiàn)伽利略/GPS雙無線子系統(tǒng)，進而改進消費者的全球導航方式。