軟件GPS原理與應(yīng)用

　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)展至今己有二十余年的歷史。其應(yīng)用主要都是基于一個(gè)完整的，獨(dú)立的系統(tǒng)方案，主要架構(gòu)不外乎天線、射頻前端、基帶處理器、中央處理單元、存單元、晶振等。所設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品多為航空用，船用，及車用之導(dǎo)航設(shè)備，由于尺寸，功耗，成本，及接收靈敏度等的種種考慮而難以與其它個(gè)人消費(fèi)性產(chǎn)品相結(jié)合，如個(gè)人移動(dòng)電話。本文將介紹最新的技術(shù)架構(gòu)，僅使用射頻前端芯片，及相應(yīng)的軟件而能與行動(dòng)裝置相結(jié)合之軟件衛(wèi)星定位方案。

　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)概況與介紹

　　全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)是一套由美國(guó)國(guó)防部建構(gòu)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其基本原理乃是利用繞著地球的24 顆衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)，再加以幾何上的計(jì)算，來(lái)得到接收者的笛卡爾坐標(biāo)(Cartesian Coordinate)，另一個(gè)與此相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)是由前蘇聯(lián)所建構(gòu)之定位系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GLONASS)，基本上，此系統(tǒng)也是由24 顆衛(wèi)星所組成，這24顆衛(wèi)星分別分布在3個(gè)軌道面，每一個(gè)軌道面又分別由8 顆衛(wèi)星以相差45度(Latitude)均勻分布，此軌道面之高度約為19100Km，衛(wèi)星運(yùn)行一周需費(fèi)11小時(shí)又15分鐘，因?yàn)楸疚闹饕墙榻B美國(guó)所建構(gòu)之定位系統(tǒng)(Navstar GPS)，所以有關(guān)GLONASS的部分就不多敘述。

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，全球定位系統(tǒng)是一個(gè)以空間為基準(zhǔn)，利用無(wú)線電波與時(shí)間差來(lái)測(cè)量距離的一個(gè)系統(tǒng)，它能夠提供精準(zhǔn)的位置數(shù)據(jù)、速度、以及時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)可以被區(qū)分為三大部分，我們稱之為Space Segment、Control Segment和User Segment。

　　第一個(gè)Space Segment，主要就是由24顆衛(wèi)星運(yùn)行于半同步軌道，所謂半同步軌道指的就是衛(wèi)星運(yùn)行一周需費(fèi)大約12小時(shí)(11小時(shí)58分鐘) 所以在一天之中，同一顆衛(wèi)星剛好出現(xiàn)在一個(gè)固定不動(dòng)的使用者的頭頂上兩次(23小時(shí)又56分鐘)，這24顆衛(wèi)星以每個(gè)軌道4 顆衛(wèi)星均勻的分布在6個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面都與赤道相差55度的傾斜角，而這些衛(wèi)星所在的軌道高度平均約為20200Km，圖1為衛(wèi)星軌道分布圖。

　　這24顆衛(wèi)星所發(fā)射出來(lái)的測(cè)距信號(hào)有兩個(gè)頻道( D-Band )，其一稱之為L(zhǎng)1，發(fā)射頻率為1575.42MHz；其二為L(zhǎng)2，發(fā)射頻率為1227.6MHz。這兩個(gè)為載波頻率負(fù)責(zé)將擴(kuò)頻信號(hào)以高頻載波來(lái)傳送，GPS所使用的是擴(kuò)頻通訊(Spread-Spectrum)技術(shù)。擴(kuò)頻所調(diào)制的測(cè)距碼(ranging codes)又可分成兩種：一為1.023MHz的C/A碼(coarse/acquisition codes)，顧名思義，依據(jù)這個(gè)碼所得到的精確度較為粗略，而且C/A碼也只用L1來(lái)調(diào)制，專門開放給一般商業(yè)用途的使用者；另外一個(gè)測(cè)距碼是10.23MHz的P碼( Precision Codes)，這個(gè)碼同時(shí)調(diào)制在L1及L2載波上，由于P碼的Chip較短，因此能夠得到較精準(zhǔn)的定位。這兩種測(cè)距碼都能夠被用來(lái)測(cè)量衛(wèi)星與接收者之間的距離，然而通常P code還會(huì)被加密而且也只開放給被授權(quán)的使用者，所以P Code 通常也只應(yīng)用在軍事用途的定位系統(tǒng)上，也因?yàn)橛羞@樣不同的兩組碼，全球定位系統(tǒng)又被區(qū)分成所謂標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(Standard Positioning Service，SPS)，以及精確定位服務(wù)(Precise Positioning Service，PPS)，其中標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)就是只使用C/A碼在L1載波上，而精確定位服務(wù)除了使用C/A碼在L1載波上，也再加上P code于L1和L2兩個(gè)載波，除了這些測(cè)距碼之外，最后也是最重要的就是一個(gè)50Hz的數(shù)據(jù)信息碼。這個(gè)碼載有的數(shù)據(jù)包括了衛(wèi)星時(shí)序數(shù)據(jù)、衛(wèi)星精確軌道數(shù)據(jù)(ephemeris)，此數(shù)據(jù)只含有發(fā)射信號(hào)的衛(wèi)星本身的軌道數(shù)據(jù)、衛(wèi)星基本軌道數(shù)據(jù)(almanac data)，此數(shù)據(jù)含有所有衛(wèi)星的基本軌道數(shù)據(jù)及信號(hào)傳播于電離層的修正數(shù)據(jù)。

　　Control Segment，這主要是由各個(gè)位于不同地點(diǎn)的地面控制站臺(tái)所組成。其主控制站臺(tái)(Master Control Station， MCS)位于美國(guó)科羅拉多州，其余幾個(gè)站臺(tái)則均勻沿著赤道分布。這些地面控制站的主要任務(wù)就是間測(cè)及控管這些在太空中運(yùn)行的衛(wèi)星，其功能包括有衛(wèi)星軌道控管、衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)更新、衛(wèi)星本身維護(hù)等。這個(gè)系統(tǒng)之運(yùn)作流程是由各個(gè)子站臺(tái)分別接收它們所鎖定的衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)，然后透過(guò)美國(guó)的防衛(wèi)衛(wèi)星通訊系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送到主控制站臺(tái)進(jìn)行軌道數(shù)據(jù)的估計(jì)及再預(yù)測(cè)，然后再將新的軌道數(shù)據(jù)通過(guò)地面天線站上載至各個(gè)衛(wèi)星。
最后一個(gè)部分User Segment，才是跟一般使用大眾有密切關(guān)系。所謂User Segment，其實(shí)指的就是GPS接收器，也就是本文要探討的主角，其功能射頻接收、譯碼以及處理衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出接收器的位置。

　　GPS的傳統(tǒng)架構(gòu)

　　一般商業(yè)用的GPS芯片組大體都是由天線、低噪音放大器、前端濾波器、射頻IC、晶振、 存儲(chǔ)器芯片與基頻IC(內(nèi)含中央處理單元)所組成。如圖2，射頻IC的主要功能是將GPS的1.57542GHz載波降頻至基頻，其主要是由低噪聲放大器、混波器、自動(dòng)增益控制、鎖相回路、以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所組成。一般這樣的芯片設(shè)計(jì)都會(huì)采用Bi-CMOS的制程以兼顧Bipolar快速、高增益、高驅(qū)動(dòng)力、低寬帶噪聲和CMOS的低功耗高密度等好處。絕大多數(shù)的基頻信號(hào)處理IC都是由CMOS制成，一般的基頻信號(hào)處理芯片除了具備有de-spread的correlators之外也都還包含有中央處理單元，以處理追蹤及導(dǎo)航的算法而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)追蹤及幾何定位之計(jì)算。中央處理單元也負(fù)責(zé)與存儲(chǔ)器芯片之地址/數(shù)據(jù)運(yùn)算及與外部I/O的接口如UART。

　　這樣的傳統(tǒng)架構(gòu)存在著一些瓶頸而無(wú)法應(yīng)用在如移動(dòng)電話等的消費(fèi)性電子產(chǎn)品上。第一個(gè)也是最關(guān)鍵的問(wèn)題就是接收靈敏度的問(wèn)題。一般的消費(fèi)者在使用GPS 時(shí)，多數(shù)會(huì)處在市區(qū)內(nèi)，甚至在建筑物內(nèi)，這樣的環(huán)境絕對(duì)是GPS的天敵，因?yàn)樵谶@樣的環(huán)境下，衛(wèi)星傳送下來(lái)的信號(hào)不僅會(huì)被衰減，多重反射(multi-path)，甚至完全收不到任何信號(hào)(室內(nèi))。為了改善接收靈敏度的問(wèn)題，各家廠商無(wú)不在RF IC 及追蹤導(dǎo)航算法上力求精進(jìn)。甚至更有廠商與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(如GSM/GPRS 或WiFi熱點(diǎn))相結(jié)合，提供輔助導(dǎo)航之功能，使得即使GPS接收器在室內(nèi)，仍然可以得到定位。

　　第二個(gè)瓶頸是消耗功率過(guò)大。在手持式的電子產(chǎn)品中，省電一直是一個(gè)最重要的課題。目前在市場(chǎng)上各家IC 的功率消耗分別從150mW到200mW不等。除了基本的耗電需要再繼續(xù)降低外，有效的電源管理設(shè)計(jì)也成了重要的設(shè)計(jì)之一。尤其是傳統(tǒng)架構(gòu)需要用上一顆CPU使得功耗問(wèn)題一直無(wú)法改善。 而且芯片設(shè)計(jì)也會(huì)降低電壓至1.8V 以降低功耗。

　　第三個(gè)障礙是GPS接收器的尺寸大小。一般的GPS接收器設(shè)計(jì)，大體包含有射頻芯片、GPS ASIC處理器芯片、CPU和內(nèi)存。再加上外圍其它電路后，其尺寸約略比一般的名片稍小。然而這樣的尺寸完全不能符合手持式電子產(chǎn)品的需求。最后一個(gè)就是成本問(wèn)題。凡是要同消費(fèi)大眾普及化的產(chǎn)品，在價(jià)格上一定要有競(jìng)爭(zhēng)力。 而傳統(tǒng)方案整個(gè)BOM成本則至少要15美元以上。

　　軟件GPS原理

　　所謂軟件base全球衛(wèi)星定位方案，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是將軟件移植到主機(jī)(host base)上去執(zhí)行，以分享中央處理單元(CPU)，存儲(chǔ)器芯片等，以進(jìn)而達(dá)到省電，低成本，低功耗及節(jié)省板空間的需求。 其架構(gòu)可由圖3表示。

　　這樣的方案只需要外部一個(gè)射頻芯片，其它都是利用主機(jī)(host base)的固有資源。 前端射頻芯片將射頻信號(hào)降到基頻，再經(jīng)由仿真/數(shù)字轉(zhuǎn)換器將信號(hào)快速取樣出來(lái)，一般是由SPI (serial port interface)或SD Interface接到主機(jī)上的中央處理單元。接著由移植到主處理器的測(cè)量計(jì)算單元(Measurement Engine) 將射頻取樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成原始的GPS各種測(cè)量信息(raw GPS measurements)， 再由導(dǎo)航計(jì)算單元(Navigation Engine)計(jì)算出所有的定位數(shù)據(jù)，速度，時(shí)間等。在硬件部分，一般的冷開機(jī)模式下大略需要消耗掉主機(jī)上的中央處理單元約50MIPS到400MIPS不等，不同廠家的方案會(huì)有不同的系統(tǒng)需求。

　　軟件GPS應(yīng)用

　　本節(jié)將以RF Micro Devices的RF8110為設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)說(shuō)明softGPS的技術(shù)應(yīng)用。由前節(jié)所述原理可知，softGPS需要將其運(yùn)算軟件移植到主機(jī)端的應(yīng)用處理器上。其硬件架構(gòu)，如圖4所示。

　　所以我們?cè)龠x用Intel XScale的PXA-27X為主應(yīng)用處理器，并以Single SPI(Serial Port Interface)模式來(lái)加以說(shuō)明。其接口連接如圖5。

　　在此應(yīng)用中，這個(gè)接口使用4線SPI從端口來(lái)傳送控制信號(hào)及GPS數(shù)據(jù)流。其中MISO(Master In Salve Out)及MOSI(Master Out Slave In)分別做為單向GPS串行數(shù)據(jù)傳輸用。而SPI RDY則告訴主機(jī)其GPS數(shù)據(jù)流己待命，然后主機(jī)就要下讀出命令。在軟件移植上，則由圖6做個(gè)說(shuō)明。

　　RF8110提供可移植性高的ANSI C sGPS Library，負(fù)責(zé)從GPS取樣信號(hào)中計(jì)算出位置，速度及時(shí)間。sGPS Library與系統(tǒng)軟件的接口為SAL(System Abstraction Layer)。主機(jī)端可以在其上開發(fā)導(dǎo)航應(yīng)用軟件，可以只是簡(jiǎn)單的NMEA輸出，或是復(fù)雜的地圖導(dǎo)航。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文主要闡述了softGPS如何克服傳統(tǒng)方案，應(yīng)用在手持移動(dòng)裝置上的瓶頸，并說(shuō)明softGPS的原理及其應(yīng)用。在講究尺寸，功耗及性能的行動(dòng)裝置上，softGPS以僅僅單一射頻芯片及可移植性高的運(yùn)行軟件來(lái)搭配主機(jī)端的應(yīng)用處理器，可以容易地達(dá)到在尺寸，功耗及性能上的各項(xiàng)要求，使得衛(wèi)星定位系統(tǒng)內(nèi)建于Smart Phone，PDA更為普遍。目前市場(chǎng)上絕大部分的Smart Phone及PDA，其應(yīng)用處理器都有足夠的能力來(lái)處理softGPS的運(yùn)行軟件。再加上輔助式定位系統(tǒng)aiding GPS，將使得GPS的應(yīng)用更為方便及實(shí)用。一旦GPS的導(dǎo)航功能搭配上適當(dāng)?shù)碾娮拥貓D與規(guī)劃完善的導(dǎo)航軟件，則未來(lái)GPS 將會(huì)成為人人必備的生活必需品。■