ＧＰＳ接收器架構(gòu)與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

GPS無(wú)疑為當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)之一，其主力產(chǎn)品便攜式導(dǎo)航產(chǎn)品(Portable Navigation Device，PND)近年來(lái)交出極亮麗的銷(xiāo)售佳績(jī)。根據(jù)“資策會(huì)MIC”日前發(fā)表的最新預(yù)測(cè)報(bào)告指出，2007年全球PND市場(chǎng)的規(guī)模突破2600萬(wàn)臺(tái)，較2006年成長(zhǎng)43％，其中標(biāo)準(zhǔn)型PND市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)2320萬(wàn)臺(tái)。

GPS的設(shè)備可分為三大類(lèi)，即車(chē)用GPS、便攜式GPS和其它應(yīng)用設(shè)備(如航空、軍用等)。現(xiàn)在當(dāng)紅的PND屬于車(chē)用GPS的一種，另一種則為內(nèi)置型GPS系統(tǒng)。內(nèi)置型GPS通常與CD/DVD等車(chē)用信息娛樂(lè)(Infotainment)系統(tǒng)整合，此類(lèi)系統(tǒng)的價(jià)格極高，可達(dá)1000美元；相較之下，PND的價(jià)格便宜許多，而且持續(xù)在降價(jià)，大致可分為三種等級(jí)，即PND系統(tǒng)模塊價(jià)格約199美元的入門(mén)級(jí)產(chǎn)品、約299美元的中端產(chǎn)品，以及可達(dá)399美元的高端產(chǎn)品。

另一類(lèi)值得關(guān)注的類(lèi)型則是GPS手機(jī)和GPS PDA等便攜式GPS設(shè)備，這個(gè)市場(chǎng)的用戶(hù)數(shù)又遠(yuǎn)大于車(chē)用市場(chǎng)，因此其成長(zhǎng)遠(yuǎn)景相當(dāng)令人期待。不過(guò)，由于其應(yīng)用性與汽車(chē)導(dǎo)航大相徑庭，強(qiáng)調(diào)的是個(gè)人化的移動(dòng)定位增值服務(wù)，如各種位置服務(wù)(Location basedservice，LBS)，這些服務(wù)的內(nèi)容及服務(wù)體系、機(jī)制都還在建立當(dāng)中；此外，由于便攜式GPS設(shè)備經(jīng)常會(huì)走入室內(nèi)使用，因此對(duì)于定位技術(shù)的要求會(huì)更為嚴(yán)苛。GPS接收器運(yùn)作架構(gòu)

這些GPS設(shè)備當(dāng)中的定位核心單元即是GPS接收模塊。這一模塊包括被動(dòng)或主動(dòng)天線、RF前端、GPS引擎、處理器(通常為ARM7)、內(nèi)存(ROM/RAM)和實(shí)時(shí)頻率(RTF)IC等，此外還必須搭配溫度補(bǔ)償型振蕩器(TCXO)，如果有特殊的應(yīng)用需求，還得使用到外部的Flash、EPROM或SerialEEPROM等內(nèi)存。接收及初步處理好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)會(huì)再通過(guò)UART、USB等接口傳送給系統(tǒng)中的主處理器/控制器，再與地圖或其它應(yīng)用程序結(jié)合運(yùn)算，并輸出定位導(dǎo)航等畫(huà)面到顯示器上。

再進(jìn)一步來(lái)看看GPS的運(yùn)作架構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，GPS天線與接收器是分開(kāi)設(shè)計(jì)的單元，而GPS接收器指的是包括射頻(RF)與數(shù)字基帶(BB)兩大部分。在建置上，GPS設(shè)備的設(shè)計(jì)者可以選用分離式的芯片組作法，以獲得較高的設(shè)計(jì)彈性；也可采用集成的SoC或SiP芯片，以降低采購(gòu)成本及設(shè)計(jì)難度，此外，整合式芯片也具有尺寸小的優(yōu)勢(shì)。

在運(yùn)作架構(gòu)上，RF前端的功能在于將從GPS天線接收到的高頻衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶可讀取的中、低頻信號(hào)，再利用GPS基帶來(lái)進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)采集(acquisition)及追蹤(tracking)的工作。在GPS引擎中的主要組成為所謂的相關(guān)器(correlator)，由相關(guān)器再組成通道(channel)，而相關(guān)器與通道的數(shù)量正是決定定位效能好壞的關(guān)鍵所在，因此GPS芯片制造商無(wú)不致力于提升其數(shù)量，其中高端GPS接收器的相關(guān)器件數(shù)量甚至已可達(dá)一百萬(wàn)個(gè)，而通道數(shù)可達(dá)50個(gè)(u-blox 5)。

要看一個(gè)GPS接收器的性能，往往會(huì)比較幾個(gè)條件，即首次定位時(shí)間(Time to firstfiX，TTFF)、靈敏度、功耗、尺寸、整合度等，其中又以TrFF與靈敏度最為關(guān)鍵。就TTFF來(lái)說(shuō)，一個(gè)GPS接收器必須得知四顆衛(wèi)星的位置，才能計(jì)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(hào)的基本原理。

GPS衛(wèi)星信號(hào)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(gè)軌道面上，每顆衛(wèi)星會(huì)不斷地發(fā)射關(guān)于衛(wèi)星軌道、時(shí)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/Acode)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(guó)軍方在使用。

在L1上所搭載的衛(wèi)星信息以信框(Frame)為單位，每個(gè)信框?yàn)?500 bits，其下又分為五個(gè)子信框(Sub-Frame)，它的內(nèi)容包括衛(wèi)星的星期時(shí)間(Time of week TOW)、廣播星歷(Broadcast Ephemeris)、電離層參數(shù)及萬(wàn)年歷(Almanac)等，請(qǐng)參考表1。其中廣播星歷為個(gè)別衛(wèi)星本身的精確軌道位置，它每小時(shí)更新一次，每次更新的有效性約四小時(shí)，萬(wàn)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(shí)間可達(dá)數(shù)周。

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

對(duì)于一個(gè)不具任何有效定位數(shù)據(jù)的GPS終端來(lái)說(shuō)，最重要的是要收齊四顆衛(wèi)星個(gè)別的廣播星歷及衛(wèi)星時(shí)間數(shù)據(jù)，才能正確地計(jì)算定位。由于衛(wèi)星是以50 bit/s的速率來(lái)發(fā)射信號(hào)，因此同步收齊四顆衛(wèi)星一個(gè)完整信框數(shù)據(jù)的時(shí)間，至少需要30秒(即1500bps)，其中需花18秒下載廣播星歷。萬(wàn)年歷方面，由于每次更新的數(shù)據(jù)需用到25個(gè)信框來(lái)傳送更新的萬(wàn)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(dòng)與熱啟動(dòng)的定位時(shí)間相差甚大，前者所需時(shí)間至少需要18～36秒，接收過(guò)程中如果出現(xiàn)了任何干擾而導(dǎo)致信號(hào)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(jì)算，定位動(dòng)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(lái)提供各種星歷數(shù)據(jù)，這正是所謂的輔助式GPS(Assisted GPS，A-GPS)。A-GPS的運(yùn)作架構(gòu)上又可以分為兩大模式，一是由電信運(yùn)營(yíng)商來(lái)提供輔助信息的模式，一是由設(shè)備制造商所提供的輔助模式。運(yùn)營(yíng)商的A-GPS架構(gòu)又可分為為控制平面(Control plane)和用戶(hù)平面(User plane)兩種作法，這類(lèi)的模式能夠提供質(zhì)量穩(wěn)定、實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的輔助信息，但建置成本極高，而且用戶(hù)必須負(fù)擔(dān)額外的聯(lián)機(jī)或服務(wù)成本。

為了打破運(yùn)營(yíng)商的控制，有些GPS設(shè)備或芯片公司(如u-blox或已被Broadcom并購(gòu)的Global Locate)已開(kāi)始提供免費(fèi)的輔助數(shù)據(jù)。Global Locate公司提出LTO(Long-TermOrbit)it術(shù)，能將廣播星歷數(shù)據(jù)的有效時(shí)間延長(zhǎng)到2～10天；u-blox也提出AlmanacPlus技術(shù)，它可使用十天至兩周左右，但所提供位置的準(zhǔn)確性會(huì)隨著時(shí)間而下降，下載后前幾天準(zhǔn)確度最高，時(shí)間愈久準(zhǔn)確度就愈低，因此最好能經(jīng)常維持?jǐn)?shù)據(jù)的更新。

在A-GPS的架構(gòu)中，會(huì)由GPS全球參考網(wǎng)絡(luò)(Worldwide Reference Network，WWRN)所建置的基站來(lái)監(jiān)控衛(wèi)星的移動(dòng)，并持續(xù)將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)中的中央服務(wù)器，通過(guò)此服務(wù)器來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)衛(wèi)星未來(lái)的移動(dòng)位置等數(shù)據(jù)，這些輔助數(shù)據(jù)會(huì)再傳送給通信網(wǎng)路中的A-GPS服務(wù)器。當(dāng)具A-GPS功能的終端器尋求輔助數(shù)據(jù)時(shí)，就能通過(guò)GSM、GPRS、CDMA或UMTS等移動(dòng)通信網(wǎng)路來(lái)實(shí)時(shí)傳送，稱(chēng)為聯(lián)機(jī)式的A-GPS。另一種方式是讓用戶(hù)以離線的方式預(yù)先下載這些輔助數(shù)據(jù)，該用戶(hù)可在他方便的時(shí)間通過(guò)因特網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行下載。

GPS接收器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

今日的GPS市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈來(lái)愈激烈，為了實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)區(qū)別，GPS設(shè)備有必要發(fā)展出應(yīng)對(duì)策略。就一般性PND的市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，由于獨(dú)立型設(shè)備的定位技術(shù)已發(fā)展到可接受的程度，因此未來(lái)有幾種走向，一是朝更多附加功能發(fā)展，例如整合Wi-Fi、藍(lán)牙(BT)及UWB等無(wú)線功能，以及AM/FM收音機(jī)、移動(dòng)電視、視信輸入(video in)等AV影音功能，也可導(dǎo)入硬盤(pán)(HDD)、觸控面板及外部喇叭輸出等功能。SiRF并購(gòu)(Centralit)，的原因，正是希望發(fā)展出屬于自己的一套整合應(yīng)用平臺(tái)。

另一個(gè)走向則是往更高功能發(fā)展，例如提供能夠更快定位的A-GPS功能與服務(wù)、提升定位追蹤的靈敏度，或是加入MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器，為汽車(chē)提供不中斷的定位功能。在PND或內(nèi)裝式GPS中導(dǎo)入三軸加速度計(jì)和陀螺儀(Gyroscope)或磁羅盤(pán)等MEMS組件，就能夠在GPS信號(hào)不良時(shí)進(jìn)行替代性的方位推估工作。

其原理是通過(guò)三軸加速度計(jì)所提供的加速度及運(yùn)動(dòng)方向變化，以及陀螺儀的轉(zhuǎn)向測(cè)量，來(lái)計(jì)算出車(chē)輛位移上的改變，并繼續(xù)在地圖上顯示導(dǎo)航的功能。在短距離內(nèi)，DR系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)比GPS的信號(hào)來(lái)得準(zhǔn)確，不過(guò)，當(dāng)時(shí)間增加時(shí)，誤差累積效應(yīng)會(huì)愈來(lái)愈大，導(dǎo)航的精確度就會(huì)大幅下降。

還有一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，就是軟件式GPS的開(kāi)發(fā)。所謂軟件式GPS是運(yùn)用GPU或手機(jī)的基帶/應(yīng)用處理器和GPS軟件來(lái)取代今日的GPS基帶功能，這對(duì)于PND來(lái)說(shuō)可以省下約5美元的系統(tǒng)成本。除了降低成本外，軟件式的GPS接收器方案還有助于縮小設(shè)計(jì)尺寸及提升設(shè)計(jì)彈性，讓產(chǎn)品能隨著新功能、新規(guī)格的演進(jìn)而進(jìn)行升級(jí)。不過(guò)，軟件式GPS仍得克服性能不佳、整合不易，而且會(huì)占用極大的處理器資源等設(shè)計(jì)難題。