利用A-GPS提高全球定位系統應用的性能
上網(wǎng)時(shí)間: 2006年01月12日
關(guān)鍵詞： GPS Assisted GPS A-GPS 輔助型GPS系統 全球定位系統
利用A-GPS，接收器不必再下載和解碼來(lái)自GPS衛星的導航數據，因此可以有更多的時(shí)間和處理能力來(lái)追蹤GPS訊號，這樣能降低首次定位時(shí)間，增加靈敏度以及具有最大的可用性。
GPS是一種基于衛星的定位系統，它最初由美國軍方設計并受美國軍方的控制，可以為任何人免費使用。這個(gè)系統是由在6個(gè)環(huán)繞在環(huán)形軌道上的24顆衛星組成，一個(gè)衛星環(huán)繞軌道運轉一周的時(shí)間接近12個(gè)小時(shí)。每個(gè)衛星不斷地發(fā)送關(guān)于目前時(shí)間、所有衛星的位置以及像年歷(almanac)和星歷(ephemeris)等相關(guān)數據訊息。GPS接收器使用這種訊息來(lái)運算其自身與衛星之間的距離。為確定位置，GPS接收器必須接收來(lái)自至少三個(gè)衛星的訊號。
首次定位時(shí)間(TTFF)很大程度上決定于接收器的接收靈敏度，以及可見(jiàn)衛星的數量、每個(gè)衛星訊號的強度、衛星在天空中的分布以及接收器對天空的視角。在一種不利的環(huán)境中，如訊號較弱的城市高樓間隙或者室內，某些情況下需要幾分鐘的時(shí)間來(lái)運算位置。這對于本地服務(wù)(LBS)或者緊急呼叫(E911)來(lái)說(shuō)是不可接受的，這些情況需要一種更快的獲取時(shí)間。為此，人們開(kāi)發(fā)了輔助型GPS(A-GPS)來(lái)解決不利環(huán)境下的TTFF問(wèn)題。
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| 圖1：控制層面上的A-GPS。 |
A-GPS
A-GPS的開(kāi)發(fā)部份地受到美國聯(lián)邦通訊委員會(huì )(FCC)的E911強制要求能對緊急呼叫者提供行動(dòng)電話(huà)的定位所推動(dòng)。A-GPS的目的是或者提高TTFF，或者當它不能提高TTFF時(shí)實(shí)現定位運算。
過(guò)去幾年，在A-GPS這個(gè)關(guān)鍵詞之下開(kāi)發(fā)出了不同的概念和解決方案，其中很多是受專(zhuān)利保護的。這些不同的概念可以分成支持型GPS(aided GPS)和輔助型GPS兩類(lèi)(assisted GPS)。
1. 支援型GPS
支持型GPS透過(guò)在行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送年歷、星歷、粗略的位置和時(shí)間來(lái)提高TTFF。這種支持型數據可以在控制層面(control plane)上發(fā)送，或者行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)層面(user plane)上。位置的運算大多發(fā)生在行動(dòng)設備上。
2. 輔助型GPS
輔助型GPS使得采用快速TTFF運算位置成為可能。為實(shí)現這點(diǎn)，利用像時(shí)間同步、更準確的位置、都卜勒和頻率這樣的額外訊息用來(lái)確定位置。這種額外訊息可以透過(guò)使用行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )控制層面的基礎設備來(lái)獲得，像先進(jìn)前向鏈路三邊測量(AFLT)機制可用來(lái)確定行動(dòng)設備的位置。這里，訊號從行動(dòng)設備發(fā)出，幾個(gè)行動(dòng)基地臺接收并進(jìn)行測量。位置的運算可以在行動(dòng)設備內發(fā)生(基于行動(dòng)設備的)，或者在行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器上(基于網(wǎng)絡(luò )的)。
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| 圖2：用戶(hù)層面上的A-GPS。 |
基于行動(dòng)設備的輔助型GPS解決方案透過(guò)行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )接收額外的輔助GPS數據，但是在行動(dòng)設備上進(jìn)行位置運算。這意味著(zhù)LBS或者E911服務(wù)必須從行動(dòng)設備得到目前的位置。
采用基于網(wǎng)絡(luò )的輔助型GPS解決方案，行動(dòng)設備發(fā)送原始的GPS數據到行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中的GPS輔助服務(wù)器。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器可以利用直接來(lái)自網(wǎng)絡(luò )的額外輔助GPS訊息來(lái)運算位置。在運算之后，位置數據被發(fā)送到接收器。LBS或者E911服務(wù)可以直接存取網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器的位置數據庫。
A-GPS的好處是改善TTFF、增加靈敏性以及使可用性最大化，這些優(yōu)點(diǎn)讓接收器不再必須下載和譯碼來(lái)自GPS衛星的導航數據，接收器可以使用更多的時(shí)間和處理能力來(lái)追蹤GPS訊號。
基于控制層面的A-GPS
控制層面方案利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的功能以及訊號發(fā)送層來(lái)從網(wǎng)絡(luò )獲取位置訊息，如蜂巢式ID、AFLT或者時(shí)間同步機制。
CDMA和GSM的蜂巢式扇區都針對控制層面A-GPS消息發(fā)送開(kāi)發(fā)出了標準(分別為TIA/IS-801-1和3GPP TS25.331)，定義了用戶(hù)設備性能衡量標準(分別為TIA 916和3GPP TS 25.171)。這些標準描述了來(lái)自無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的位置訊息如何獲取，以及這個(gè)訊息如何用于A-GPS。
當在控制層面上使用A-GPS時(shí)，定位測量單元利用在行動(dòng)設備、幾個(gè)收發(fā)器基地臺和行動(dòng)交換中心之間的測量訊號傳輸來(lái)獲得位置訊息。服務(wù)行動(dòng)定位中心收集這些基于網(wǎng)絡(luò )的位置數據以及來(lái)自具有幾個(gè)參考GPS接收器的A-GPS服務(wù)器的數據，將這種輔助數據發(fā)送到行動(dòng)設備，使行動(dòng)設備能運算出準確的位置。LBS可以透過(guò)網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)行動(dòng)定位中心來(lái)獲取這個(gè)位置數據。
采用控制層面方法，基于網(wǎng)絡(luò )或者基于行動(dòng)設備系統的位置運算是可能的?；诳刂茖用娴?/span>A-GPS系統安裝非常復雜而成本很高，因為需要很多額外的硬件來(lái)處理復雜的協(xié)議，但是這樣的A-GPS系統將具有位置運算的大部份好處。
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| 圖3：ANTARIS 4結構圖。 |
基于用戶(hù)層面的A-GPS
用戶(hù)層面方案是一種在A-GPS服務(wù)器和行動(dòng)設備之間的通訊都基于全IP數據鏈接的A-GPS系統，與無(wú)線(xiàn)訊號層無(wú)關(guān)(基于GPRS的IP)。相關(guān)標準由開(kāi)放式行動(dòng)聯(lián)盟(OMA)制訂，稱(chēng)為安全用戶(hù)層面定位(SUPL)。
當在用戶(hù)層面上使用A-GPS時(shí)，帶GPS接收器的行動(dòng)設備在行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)層面上透過(guò)IP與A-GPS連接。A-GPS服務(wù)器從幾個(gè)參考GPS接收器收集支持數據，如星歷與年歷。服務(wù)器根據要求發(fā)送這個(gè)數據到行動(dòng)設備。行動(dòng)設備的GPS接收器利用這個(gè)支持數據來(lái)進(jìn)行位置運算。
LBS可以要求行動(dòng)設備提供位置訊息，這些數據將透過(guò)IP連接發(fā)送。這種方法比透過(guò)控制層面的方法成本低，因為行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )供貨商對控制面不需要特別的硬件，而且這種方法對于所有的行動(dòng)標準都是可以使用的。
GPS芯片組ANTARIS 4
以Atmel的GPS芯片組ANTARIS 4為例，該組件是與u-blox公司共同開(kāi)發(fā)，內含射頻接收器IC ATR0601、LNA ATR0610和基頻IC ATR0621，由Atmel提供RF芯片/數字IC技術(shù)，u-blox提供GPS軟件技術(shù)。
高增益低噪音放大器(LNA)使用了Atmel的SiGe技術(shù)設計用于GPS應用，具有1.6dB的噪音系數、高增益(>16dB)、低功率設計(<10mW)的特點(diǎn)，以及整合的上電控制和50Ω的輸出匹配。
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| 圖4：GPS接收器模塊。 |
GPS RF接收器IC具有優(yōu)良的RF性能和小于6.8dB的噪音系數，對干擾不敏感，功耗小于40mW。它包括一個(gè)頻率合成器、帶自動(dòng)增益控制(AGC)的中頻放大器和1.5位的A/D轉轉器，采用了BiCMOS制程制造，接收器支持XTO和TXCO。外部必須使用一個(gè)SAW帶通濾波器和一個(gè)分離的IF濾波器(96.764MHz)連接到RF接收器。
GPS基頻處理器ATR0621包括一個(gè)16通道GPS相關(guān)器，該基頻處理器采用ARM7TDMI處理器核心，具有128kB內部SRAM和384kB內部ROM，在這個(gè)ROM中包括全部的GPS韌體，由u-blox公司授權，用來(lái)執行基本的GPS處理，包括追蹤、獲取、導航和定位數據輸出。對普通的PVT(位置/速度/時(shí)間)應用，不需要外部閃存或ROM。韌體支持在可選的外部EEPROM中儲存可能的配置設置，對于特定的用戶(hù)應用提供一套軟件開(kāi)發(fā)套件?；l具有不同的接口以方便靈活的系統整合(2個(gè)USART、USB 2.0、SPI、GPIO)，而且透過(guò)不同的省電模式提供先進(jìn)的功率管理。
導航的結果透過(guò)USART或者USB接口輸出，使用內部NMEA(0183)協(xié)議或者u-blox公司的協(xié)議，后者具有增強的導航訊息和控制功能。
ANTARIS 4技術(shù)展現了在任何靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的環(huán)境下的強韌性能，包括像具有挑戰性的大城市環(huán)境。在不影響導航準確性的情況下它能提供-158dB靈敏度、支持先進(jìn)的WAAS/EGNOS、良好的獲取性能(如34秒的冷啟動(dòng)時(shí)間)、優(yōu)良的多徑抑制、4Hz的刷新率、低功耗，而且使系統方案具有最低的材料成本。
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| 圖5：ANTARIS 4支持的協(xié)議消息。 |
ANTARIS 4和A-GPS
ANTARIS芯片組對于需要立即的位置定位應用來(lái)說(shuō)，如透過(guò)行動(dòng)電話(huà)的E911緊急呼叫者定位，可提供沒(méi)有等待的基于定位的服務(wù)或行動(dòng)資產(chǎn)追蹤。來(lái)自外部資源的輔助數據如輔助服務(wù)器則將第一次定位確定時(shí)間減少到4秒。輔助參數提供星歷、年歷、粗定位、頻率漂移和時(shí)間、衛星狀態(tài)，以及如果可能的話(huà)，提供一個(gè)精確的時(shí)間同步訊號。這種輔助數據提供了GPS接收器用于搜尋和追蹤的關(guān)于衛星的實(shí)時(shí)訊息，以提高TTFF。
NTARIS 4的協(xié)議具有特殊消息用于A-GPS來(lái)與A-GPS服務(wù)器交換輔助數據。
輔助數據和時(shí)間同步將提高芯片組的性能將能得到提高，若沒(méi)有輔助數據，冷啟動(dòng)一般TTFF為34秒；若沒(méi)有時(shí)間同步，輔助型啟動(dòng)TTFF為15到20秒；而在時(shí)間同步優(yōu)于8ms情況下，輔助型啟動(dòng)的TTFF時(shí)間一般為12秒；在時(shí)間同步優(yōu)于400us情況下，輔助啟動(dòng)的TTFF時(shí)間一般為4秒。
同樣，靈敏度從-142dBm提高到-145dBm，因為接收器可以執行重新獲取過(guò)程。
本文總結：
采用A-GPS，像LBS和E911這樣的新應用變得可行。使用輔助數據可以實(shí)現微弱訊號的快速獲取，可以推動(dòng)導航解決方案，否則導航方案將不可能實(shí)現。對于A-GPS來(lái)說(shuō)，技術(shù)已經(jīng)是現成的，應用時(shí)機已經(jīng)來(lái)臨。在行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )端有兩種可用的方法：用戶(hù)層面上的A-GPS適合低成本和快速整合，基于控制層面的A-GPS適合于提供最佳的性能。
作者：Stefan Lux
GPS應用工程師
聯(lián)系客服
