GPS接收器架構(gòu)與設(shè)計挑戰(zhàn)

　
表1　衛(wèi)星信息中每個信框的組成內(nèi)容
　
圖2　衛(wèi)星信息組成及接收所需時間
資料來源：u-blox

fix, TTFF)、靈敏度、功耗、尺寸、整合度等，其中又以TTFF與靈敏度最為關(guān)鍵。就TTFF來說，一個GPS接收器必須得知四顆衛(wèi)星的位置，才能計算出接收器的位置，而要了解TTFF的接收性能，必須先知道衛(wèi)星信號的基本原理。

GPS衛(wèi)星信號原理

　　現(xiàn)在天空中的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電碼(C/A code)及P電碼，一般我們用得到的是L1及C/A電碼，L2及P電碼則為美國軍方在使用。
　
圖3　冷啟動需經(jīng)過搜尋、接收星歷數(shù)據(jù)及追蹤三階段
資料來源：u-blox

　　在L1上所搭載的衛(wèi)星信息以信框(Frame)為單位，每個信框為1500 bits，其下又分為五個子信框(Sub-Frame)，它的內(nèi)容包括衛(wèi)星的星期時間(Time of week, TOW)、廣播星歷(Broadcast Ephemeris)、電離層參數(shù)及萬年歷(Almanac)等，請參考表1。其中廣播星歷為個別衛(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；萬年歷則為所有衛(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。

　　GPS設(shè)備的TTFF與其啟動條件有關(guān)，可以分為三種情況：一是接收器本身完全無有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)的冷啟動(Cold Start)；一是接收器具有有效的萬年歷數(shù)據(jù)、時間和起始位置，稱為暖啟動(Warm Start)；如果再具有更準(zhǔn)確的廣播星歷數(shù)據(jù)，則稱為熱啟動(Hot Start)。

　　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)星個別的廣播星歷及衛(wèi)星時間數(shù)據(jù)，才能正確地計算定位。由于衛(wèi)星是以50 bit/s的速率來發(fā)射信號，因此同步收齊四顆衛(wèi)星一個完整信框數(shù)據(jù)的時間，至少需要30秒(即1500bps)，其中需花18秒下載廣播星歷。萬年歷方面，由于每次更新的數(shù)據(jù)需用到25個信框來傳送更新的萬年歷數(shù)據(jù)，因此要完整的下載，需要用掉12.5分鐘。

　　因此，冷啟動與熱啟動的定位時間相差甚大，前者所需時間至少需要18~36秒，接收過程中如果出現(xiàn)了任何干擾而導(dǎo)致信號中斷，那就得重新再接收一次。相較之下，如果在GPS設(shè)備的內(nèi)存中已有完整且有效的廣播星歷資料，只要確認(rèn)目前在頭頂上的四顆衛(wèi)星，即可立即進(jìn)行定位計算，定位動作甚至在1秒之內(nèi)就可完成。

以A-GPS加速定位

　　要加速TTFF的定位速度，最好的方式即是以輔助模式來提供各種星歷數(shù)據(jù)，這正是