用軟件實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素

直到最近，應(yīng)用主處理器的處理能力無法提供實(shí)現(xiàn)基于軟件GNSS所需的功力。但現(xiàn)在該處理器有可能執(zhí)行GNSS基帶處理，從而顯著縮減了增加的費(fèi)用并降低了在眾多消費(fèi)電子產(chǎn)品內(nèi)引入GNSS的門檻。從價(jià)格角度，基于軟件的GNSS使系統(tǒng)成本增加約3美元(也即是基于硬件模塊成本的一半)但卻擴(kuò)展了整個(gè)GNSS能力。

重要的是要注意到，它只是基于軟件GNSS子系統(tǒng)的起步成本所以也是其最高價(jià)格?；谶@樣一個(gè)廣泛共識(shí)——軟件開發(fā)一旦完成后，就不再有制造成本——軟件模式與硬件模式的定價(jià)機(jī)制有很大不同。傳統(tǒng)上，市場(chǎng)把軟件看作是行銷硬件的手段，也因此軟件常常與硬件捆綁在一起。隨著降低GNSS射頻成本的市場(chǎng)壓力以及采用GNSS的大批量應(yīng)用的出現(xiàn)，預(yù)計(jì)，該價(jià)格會(huì)迅速降低到1美元。在該成本，GNSS成為幾乎可在任何消費(fèi)電子應(yīng)用內(nèi)見到的一種功能。且同時(shí)它還將加速不同射頻技術(shù)的融匯，也即在單一一個(gè)軟件定義射頻(SDR)平臺(tái)內(nèi)包括進(jìn)GNSS、藍(lán)牙和無線本地網(wǎng)(WLAN)等技術(shù)。

因基于軟件GNSS帶來的成本降低是通過利用應(yīng)用主處理器閑置的處理周期獲得的，而應(yīng)用主處理器業(yè)已是架構(gòu)的一部分，這就把優(yōu)化RF處理的某些責(zé)任轉(zhuǎn)嫁給軟件開發(fā)商，而這些責(zé)任過去是由RF設(shè)計(jì)師擔(dān)當(dāng)?shù)?。需注意的是，軟件開發(fā)人員進(jìn)行的優(yōu)化并不牽扯開發(fā)及優(yōu)化RF基帶處理算法；市場(chǎng)上已有幾個(gè)RF領(lǐng)袖開發(fā)現(xiàn)成的GNSS基帶處理軟件。事實(shí)是，優(yōu)化是通過開發(fā)者將基于軟件的GNSS技術(shù)整合進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的水平有多高來獲得的?；旧?，優(yōu)化專注的是如何在最惡劣工作情況下保持性能和精度、最小化功耗以及保持架構(gòu)靈活性。

應(yīng)考慮的一個(gè)問題是最惡劣情況下的處理負(fù)載。因基于軟件處理的經(jīng)濟(jì)性部分取決于未使用的應(yīng)用主處理器資源，所以基于軟件的GNSS處理需根據(jù)可用資源動(dòng)態(tài)調(diào)整。在效果上，GNSS處理必須不能給諸如多媒體處理等其它系統(tǒng)功能帶來負(fù)面影響。當(dāng)然，若能在最惡劣情況下的處理中保持精度，則基于約定，當(dāng)有更多處理資源可用時(shí)，該精度也可保持。例如，在支持視頻和音頻回放的手機(jī)中，若視頻回放是手機(jī)中要求最大處理能力的功能，則包括音頻在內(nèi)的任何不使用視頻的模式對(duì)GNSS基帶處理來說，資源都是綽綽有余的。

在需要最多處理器資源的視頻回放中，GNSS基帶處理也許需要回調(diào)。但，考慮到視頻的視覺本質(zhì)，用戶將觀看視頻而非跟隨其目前位置。因此，僅當(dāng)用戶暫停視頻并切換到位置跟蹤應(yīng)用時(shí)，才需要高度準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)。

開發(fā)者可借此在視頻回放時(shí)，調(diào)整跟蹤精度。因用戶此時(shí)并不使用位置數(shù)據(jù)，開發(fā)者可選擇放寬精度容限。例如，利用需更少信息以估算位置的各種航位推算(dead-reckoning)技術(shù)，系統(tǒng)可在合理的精度內(nèi)獲得近似位置信息。當(dāng)再次需要位置數(shù)據(jù)時(shí)，GNSS子系統(tǒng)可利用從視頻處理釋放出的處理資源迅速恢復(fù)到高精度。

注意，必須隨時(shí)保證一定精度的信號(hào)以避免丟失信號(hào)；否則，將需要重新獲取信號(hào)。源于重新獲取信號(hào)所需的時(shí)間以及最初的位置鎖定需要比跟蹤和保持位置多得多的計(jì)算資源，所以應(yīng)避免完全丟失位置鎖定。

與其為實(shí)現(xiàn)持續(xù)導(dǎo)航以固定速率連續(xù)保持高精度，系統(tǒng)可采用若干步驟降低整個(gè)基帶處理負(fù)載：
* 減少被跟蹤衛(wèi)星數(shù)。因處理負(fù)荷與被跟蹤衛(wèi)星數(shù)有直接比例關(guān)系，此舉將減少保持位置所需的周期數(shù)。
* 減少系統(tǒng)處理的信號(hào)工作量。例如，在每三個(gè)采樣中只處理一個(gè)采樣將減少為有效保持位置必須處理的數(shù)據(jù)量。此舉將影響系統(tǒng)精度，但若系統(tǒng)業(yè)已在跟蹤很強(qiáng)信號(hào)，則犧牲的這點(diǎn)精度不足為慮。
* 減少定位速率。該標(biāo)準(zhǔn)定位速率是1定位/秒。并非所有應(yīng)用需要該速率，例如，有些應(yīng)用1定位/10秒這樣一個(gè)速率就夠了。
* 平均和濾波器數(shù)據(jù)。平均在降低精度的同時(shí)，也降低了錯(cuò)誤幅值。取決于應(yīng)用，平均可保守也可激進(jìn)。
* 利用空閑周期獲得精度。有時(shí)，基帶處理負(fù)荷不重。與其讓這些周期閑置，GNSS子系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)要求這些周期來處理所需的更多信號(hào)以重新獲取精度，否則精度會(huì)降低。
* 選擇用同相/正交(in-phase /quadrature——I/Q)格式而非原始信號(hào)傳遞數(shù)據(jù)的射頻。通過用硬件執(zhí)行I/Q基帶轉(zhuǎn)換步驟，則分擔(dān)了應(yīng)用主處理器的一些處理工作。該方法的一個(gè)主要缺陷是它在射頻和處理器間的接口生成兩倍需下載的數(shù)據(jù)量，從而要求一個(gè)比處理器所支持的更高速接口。
* 采用航位推算和插補(bǔ)。僅通過運(yùn)行時(shí)鐘，系統(tǒng)可根據(jù)最后掌握的位置、方向和速度來估計(jì)用戶的大概位置。航位推算可長(zhǎng)期保持相當(dāng)精度。例如，高速公路上的汽車不太會(huì)突然轉(zhuǎn)向。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)丟失(如汽車駛?cè)胨淼?時(shí)，航位推算是用于保持位置的相同技術(shù)之一。差別在于，“差”的信號(hào)狀況是刻意設(shè)置的而不是環(huán)境因素造成的
* 選用更高性能處理器。若沒有足夠的未利用周期，根據(jù)應(yīng)用，則可能真需要把目前所用的應(yīng)用處理器升級(jí)至下一檔可用的速度，此舉可能比使用一款硬件基帶處理器便宜。如手機(jī)應(yīng)用處理器一般批量大、且采用最新和最具成本效益的工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，從而降低了成本?？紤]到基帶處理器相對(duì)低的批量，一般會(huì)有更長(zhǎng)的優(yōu)化周期。這樣，與基于硬件的基帶處理器相比，采用運(yùn)行于更小規(guī)模應(yīng)用主處理器上的軟件的基帶成本和功耗都會(huì)更低。
* 屏蔽延遲。在需要時(shí)間恢復(fù)足夠精度的這些場(chǎng)合，由用戶來屏蔽延遲是重要的。諸如需太長(zhǎng)時(shí)間首次獲取信號(hào)的明晰可感的延遲會(huì)給用戶視覺造成極其負(fù)面的影響。例如，當(dāng)確定基于GNSS設(shè)備的質(zhì)量時(shí)，許多用戶將專注于類似原初位置獲取等單一特性來評(píng)估整個(gè)GNSS質(zhì)量。若首次獲取位置耗時(shí)過長(zhǎng)，許多用戶將不會(huì)勞神比較整個(gè)精度到底多高。因此，在無論系統(tǒng)到底干什么的情況下，盡快獲取首次位置都是很重要的。例如，需要用戶暫停視頻、返回菜單然后選擇GNSS位置映像屏幕的過程為GNSS子系統(tǒng)恢復(fù)精度、降低獲感等待時(shí)間額外提供了一段時(shí)間。

用于降低處理負(fù)載的上述許多技術(shù)也可同樣用于平衡功耗和靈敏度。即使系統(tǒng)有足夠未用或可用的處理資源，開發(fā)者或許也想在任何事件中應(yīng)用最惡劣工作情況技術(shù)以限制功耗。

因系統(tǒng)內(nèi)的不同部分可分別控制，所以用軟件實(shí)現(xiàn)基帶處理支持比基于硬件方法更靈活的電源管理。另外，隨著新的創(chuàng)新算法和降耗技術(shù)的開發(fā)，可在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)且不需昂貴的硅重新設(shè)計(jì)。其它降耗技術(shù)包括?:
* 系統(tǒng)級(jí)感知。GNSS子系統(tǒng)應(yīng)訪問系統(tǒng)級(jí)狀態(tài)以便根據(jù)這些狀態(tài)采取行動(dòng)。若PND確定用戶并沒主動(dòng)看屏幕，當(dāng)它關(guān)閉顯示器背光時(shí)也還會(huì)“通知”GNSS子系統(tǒng)同時(shí)減少位置處理負(fù)載。當(dāng)用戶接著使用設(shè)備時(shí)，位置會(huì)被刷新。
* 保持GNSS時(shí)鐘。當(dāng)關(guān)斷GNSS接收器系統(tǒng)或?qū)⑵湓O(shè)置為待機(jī)(休眠)模式時(shí)，只關(guān)斷射頻部分但保持GNSS時(shí)鐘。因時(shí)鐘也耗電，所以該技術(shù)實(shí)際需要更大功耗，但當(dāng)系統(tǒng)喚醒時(shí)，因其不必重新獲取時(shí)間，它支持更快的信號(hào)獲取。該技術(shù)可直接與業(yè)已在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的任何降耗功能直接對(duì)接。
* 儲(chǔ)存關(guān)于最后一次已知位置的足夠信息。任何時(shí)間，該設(shè)備都有關(guān)于其大概位置的數(shù)據(jù)、時(shí)間或參考，因系統(tǒng)了解大致答案，所以信號(hào)獲取被提速。
* 存儲(chǔ)衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。導(dǎo)航時(shí)，GNSS接收器需了解其全部跟蹤衛(wèi)星的軌道參數(shù)(年鑒和星歷)。在存儲(chǔ)該軌道數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)有接收器短時(shí)關(guān)閉、而以前使用的相同衛(wèi)星仍可用的場(chǎng)合。在這種情況，該接收器可熱啟動(dòng)、把從潛態(tài)到首次定位所需時(shí)間從30多秒減少至3秒內(nèi)。
* 編程射頻以輸出更少數(shù)據(jù)。當(dāng)試圖在最惡劣工作條件下保持精度時(shí)，將完整GNSS信號(hào)送至主處理器會(huì)有好處，這樣當(dāng)突然有可用資源時(shí)就可利用這些信號(hào)，而若沒有可用資源時(shí)將丟棄這些采樣。但該方法以全速驅(qū)動(dòng)射頻/處理器接口。通過降低來自射頻的信號(hào)速率、當(dāng)有更多資源可用時(shí)，處理器雖失去了處理更多采樣的能力但卻保存了功率。
* 采用智能航位推算。當(dāng)位置更容易估算時(shí)(如行駛在高速公路且半英里內(nèi)沒有出口的場(chǎng)合)，可采用犧牲精度以減小處理負(fù)載的航位推算及其它技術(shù)。通過采用航位推算技術(shù)有效進(jìn)行交叉定位計(jì)算或降低信號(hào)速率，信號(hào)處理負(fù)載可被降低且保持足夠精度?；谲浖椒ǖ撵`活性使實(shí)現(xiàn)諸如此類的降耗特性簡(jiǎn)單可行。