新一代GPS終端的跨平臺設(shè)計趨勢

在電子產(chǎn)品的市場，GPS近兩年的銷售表現(xiàn)相當受到注目。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用，成功跨入汽車及PDA導航的領(lǐng)域，并進一步成為手機增值功能的優(yōu)先選項。這種位置服務(wù)(Location-based Service, LBS)的應(yīng)用還在起步階段，未來可行的模式仍在發(fā)展當中。
以車用導航來說，GPS除了路徑指引的功能外，也能結(jié)合路況通報，及早指示駕駛?cè)吮荛_擁堵的路段；它也能做為多臺汽車的車隊管理(fleet management)用途，甚至做為公車位置的顯示。在個人追蹤方面，GPS能用作緊急救助時的追蹤定位，最知名的例子是美國所提出的E911法案，要求每臺手機中都要安裝GPS的定位功能，以便在緊急狀況下能呼叫及定位追蹤。當然，這項功能可以衍生做為家庭、醫(yī)院對老人、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、球場或電影院中找到相約的朋友，或是在廣大的停車場中找到自己的車子。如果和所謂的“興趣點”(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、旅館等信息標示出來，甚至進一步提供訂位或廣告推播的服務(wù)。

增強型輔助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

GPS的設(shè)備可以是行車導航器、航空導航器、PDA、筆記本計算機、Walkie-Talkie、手機，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)用中對技術(shù)及功能的要求會不同，但基本上都會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)。過去美國政府基于國防安全而提出選擇性干擾(Selective Availability, SA)計劃，刻意干擾民間GPS系統(tǒng)的精確度，當時只能達到100米；在民間逐漸廣泛使用后，美國自2000年5月起已完全開放，目前在開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)展出各種增強型的SBAS(Satellite-Based Augmentation System)輔助網(wǎng)絡(luò)模式，包括在美國的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，有助于提升定位的精確度和縮短定位的時間。

不過，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，有時甚至連濃密的樹葉，都可以阻擋衛(wèi)星的信號。其它還有很多原因會造成GPS的定位誤差，包括GPS 衛(wèi)星的軌道會有偏移量、接收器內(nèi)建的電子鐘存在微小的定時誤差，以及衛(wèi)星信號通過大氣層及電離層會造成的信號的延遲，此外，GPS信號可能因建筑物等物體的反射而造成多徑(multi-path)信號的接收誤差。一般來說，GPS在室內(nèi)的定位情況會很差，更難以在水面下或地面下進行定位。

A-GPS的重要性大增

手機結(jié)合GPS是當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，因此成了個性化手機應(yīng)用的首選技術(shù)。依據(jù)市場研究公司Frost&Sullivan最新的報告指出，A-GPS芯片市場必將快速發(fā)展，預估全球A-GPS芯片市場銷售額將從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)來提供終端對衛(wèi)星的定位跟蹤時所需要的資料，也就是通過由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)站臺收集衛(wèi)星的年歷(Almanac)、星歷(Ephemeris)和時間等資料，當用戶終端查詢時，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。

在移動網(wǎng)絡(luò)中，每個系統(tǒng)都有自己的A-GPS消息發(fā)送標準，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA則是IS-801A。因此，在組網(wǎng)模式上，如果是利用移動網(wǎng)絡(luò)及信號發(fā)送層(如SS7)來從網(wǎng)絡(luò)獲取位置信息，如蜂窩式ID、AFLT或者時間同步機制，稱為控制平臺(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)標準，先包裹RRLP、RRC或IS-801A信號后再以一致的規(guī)格發(fā)送出去，則稱為用戶平臺(User Plane)模式。

這兩種組網(wǎng)模式各有其優(yōu)缺點，用戶平臺模式較單純，各類的移動通信運營商都可以直接利用現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)來進行溝通，組網(wǎng)成本會比控制平臺模式更低，整合速度也會加快；若采用控制平臺作法，通信運營商還得布建專屬的硬件單元，例如定位測量單元(Location Measurement Unit, LMU)和無線網(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)起來相當復雜，成本也會較高，但此模式能為用戶提供最佳的效果。

GPS終端的跨平臺開發(fā)挑戰(zhàn)

對于移動終端的設(shè)計者來說，若要讓其設(shè)備能采用A-GPS，并不能只支持用戶平臺或控制平臺其中的一種模式，因為其手機可能處在各種環(huán)境之下。若想在兩種平臺中進行切換，GPS終端必須支持一套協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)機制，例如位置服務(wù)轉(zhuǎn)譯和信號模塊(Location Service Translation and Messaging Modules)，讓用戶可以從控制平臺轉(zhuǎn)換為用戶平臺模式，或從RRLP轉(zhuǎn)為RRC或IS-801A。

除了跨平臺的支持外，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)，此作法是利用移動終端中不定期接取儲存的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間。此外，當手機中執(zhí)行定位功能時，也得保持通話運作的暢通才行。

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算模式，一是由移動終端自行運算的MS-based模式(MS為Mobile Station的縮寫)，以及由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器運算定位資料，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，就回到獨立運算的模式，當然，這需要有較強的終端運算能力；相較之下，MS-assisted模式則是由終端將量測到的數(shù)據(jù)丟給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由服務(wù)器來完成最后的定位運算，此模式的終端運算負荷較小，但會要求終端與網(wǎng)絡(luò)持續(xù)保持聯(lián)機。

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)，往往還會與系統(tǒng)的主處理器整合：在便攜式導航裝置(Portable Navigation Device, PND)中，可以是一顆應(yīng)用處理器；如果是高端手機的話，則需要和系統(tǒng)基帶(無線調(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中斷現(xiàn)象(如開入隧道當中)，現(xiàn)在的GPS模塊中也會采用一種輔助導航定位的技術(shù)，稱為方位推估法(Dead Reckoning, DR)，當汽車在無法接收GPS信號的地方或GPS信號不良時，方位推估法就能取代GPS繼續(xù)進行導航定位。通過用于里程表與正向或后向運動的傳感器，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的信號來得準確，因此可作為短距離內(nèi)的汽車定位誤差修正輔助，不過，當時間增加時，誤差累積效應(yīng)會愈來愈大，導航的精確度就會大幅下降。

結(jié)語

GPS的應(yīng)用越來越普及，終端廠商對其技術(shù)的要求也日益嚴苛。除了小尺寸與低功耗的要求外，新一代的GPS終端，尤其是手機等移動設(shè)備，必須具備在室內(nèi)等微弱信號環(huán)境中的定位接收功能，而且能提供快速的首次定位時間；當然，定位的準確度必須相當?shù)母摺Ｔ谝?guī)格上，這類終端還得支持各種模式，包括用戶平臺及控制平臺模式，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)并非市場成功的唯一因素，LBS的應(yīng)用模式才是打開市場的主要關(guān)鍵。這和應(yīng)用軟件的開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)運營商的服務(wù)機制，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。