基于伽利略衛星網(wǎng)絡(luò )的GPS系統設計

全球定位系統(GPS)功能正在快速成為消費電子應用的主要市場(chǎng)驅動(dòng)力，也逐漸成為在各式各樣新一代消費類(lèi)電子設備中脫穎而出的重要差異點(diǎn)。無(wú)論是汽車(chē)、個(gè)人導航設備乃至蜂窩手機等應用都加入了精確的定位能力。此外，有許多先進(jìn)的GPS服務(wù)也正在開(kāi)發(fā)中，例如基于定位的廣告。事實(shí)上，能夠在地圖上定位用戶(hù)的功能足以推動(dòng)GPS成為主流設備，但前提是不必大幅增加整體材料清單(BOM)成本和處理器負荷。

然而，要做到以消費者愿意支付的價(jià)格提供他們所期待的GPS性能和精度，開(kāi)發(fā)商必須熟悉一些在消費類(lèi)電子設備中實(shí)現GPS功能的關(guān)鍵技術(shù)，特別是全新的伽利略(Galileo)衛星網(wǎng)絡(luò )。在伽利略衛星提供的輔助信號幫助下，個(gè)人導航設備將較只有GPS功能的設備可以更快速和更精確地采集和鎖定位置，特別是在最需要位置定位服務(wù)、但GPS精度又不夠的城市環(huán)境中。此外，隨著(zhù)創(chuàng )新技術(shù)如軟件基帶處理(類(lèi)似于軟件定義的無(wú)線(xiàn)電)的面世，制造商可以在不影響成本及功耗的情況下，把定位技術(shù)引入至個(gè)人多媒體播放器和手機之類(lèi)的設備中。所有這些因素都使得伽利略與GPS的結合成為引人注目的技術(shù)。

伽利略： 有效彌補GPS網(wǎng)絡(luò )的不足

伽利略衛星是在歐盟贊助下開(kāi)發(fā)和推行的一種平行式全球定位衛星網(wǎng)絡(luò )。伽利略衛星的開(kāi)發(fā)并不是為了與GPS競爭，而是與其協(xié)同工作。伽利略衛星將在多個(gè)頻段內傳輸信號，其中之一是跟GPS一樣的L1波段頻率，并且該波段頻率在互補軌道的GPS衛星之間是有間隔的，這樣，某個(gè)具體位置能捕獲到的信號量就會(huì )大增，這對于高樓林立的城市中接收設備的精度影響很大。要獲得足夠的位置鎖定信號，至少需要四顆衛星，基于伽利略/GPS的個(gè)人導般設備可同時(shí)使用來(lái)自?xún)蓚€(gè)系統的衛星，也就是說(shuō)可以有更多衛星信號。實(shí)際上，這種高級別的精度足以讓個(gè)人導航設備能夠確定路上行人正往哪一邊行走。

GPS面世至今已經(jīng)有30多年歷史。1978年，第一批探索衛星被送上了太空；1989年，第一批實(shí)用衛星被投放至軌道上。GPS于1993年達到了初始運作能力(IOC)，并于1995年實(shí)現了全面運作能力(FOC)。GPS由美國國防部管理，最初并不是特別為商業(yè)市場(chǎng)而設計的。

在效果上，伽利略是對GPS的有效補充。由于伽利略可用的信號數量更多，而且不受某一國政府機構的控制(例如可以不經(jīng)警告就停止服務(wù)或改變衛星的精度)，所以能提供比GPS更高的精度(在商業(yè)應用方面，伽利略的精度為+/-4m，而GPS的精度為+/-10m)。

目前，伽利略測試衛星GIOVE-A已經(jīng)部署，并驗證了該技術(shù)所有重要的傳輸機制。隨著(zhù)部署的深入開(kāi)展，27顆伽利略衛星將會(huì )被運送到軌道上。由于目前的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期很長(cháng)，許多OEM廠(chǎng)商已經(jīng)著(zhù)手考慮推行基于伽利略/GPS的架構，并讓相關(guān)產(chǎn)品逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，以便一旦伽利略系統正式運作，消費者就能夠立即享用到優(yōu)勢。在理想情況下，這些設備目前只運用GPS工作，但當伽利略衛星定位系統建成后，就可以快速升級到采集伽利略的信號。即使OEM商沒(méi)有計劃升級已經(jīng)投放的設備，現在就設計能同時(shí)支持這兩種系統的架構，便可以避免當伽利略系統建成時(shí)，產(chǎn)品上市時(shí)間延遲和錯失商機。

現今的GPS架構由天線(xiàn)、射頻(RF)接收器、基帶處理器和連接到應用處理器的輸出總線(xiàn)接口組成(見(jiàn)圖1)。這樣的傳統設備既不受功率約束的限制，也不需要太多的靈活性，因為它們是針對特定設備(如車(chē)載GPS)而開(kāi)發(fā)的，所以接收器硬件的性能可以得到高度優(yōu)化。它們的無(wú)線(xiàn)部分不管是硬件還是軟件都幾乎沒(méi)有可配置能力或者不需要這種能力。它們常常以模塊的形式出售給制造商，因此，OEM商沒(méi)有必要掌握更多有關(guān)RF設計和測試的細節要點(diǎn)。

圖1：基于硬件基帶處理的GPS架構方框圖。

盡管在針對特殊應用的實(shí)施方案中節省了大量成本，但是維護支持伽利略和GPS兩個(gè)截然不同的射頻子系統所需的成本卻遠遠超過(guò)了消費市場(chǎng)能夠承受的能力。更為重要的是，兩個(gè)射頻部分所占據的空間和消耗的功率翻了一番，而且還需要為應用處理器提供兩條總線(xiàn)接口。在這種情況下，把這些射頻部分集成為一個(gè)子組件就可以減少整體成本、復雜性和功耗。

事實(shí)上，因為GPS和伽利略采用相同的頻段(中心頻率為1.575 GHz)，所以有可能兩套系統共享一個(gè)射頻部分。然而，在信號采集方式上的微小差異則需要以可配置的方式來(lái)實(shí)現。特別是伽利略信號采用4MHz帶寬，而GPS采用2MHz帶寬，并且執行一套不同的編碼方案。從基帶的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，這些調制方案都可以利用關(guān)聯(lián)器進(jìn)行解調，因此可以采用一個(gè)基帶處理器，并通過(guò)獨立配置一個(gè)靈活的關(guān)聯(lián)器模塊來(lái)同時(shí)解調伽利略和GPS這兩種信號。

利用未充分使用的計算能力

傳統的基帶處理都是通過(guò)硬件實(shí)現的。然而，伽利略信號方案目前尚未最終完成，如果現在以硬件方式實(shí)現，就需要重新配置基帶(只能用軟件實(shí)現)的靈活性，以根據最終標準作出必要的修改。此外，基于硬件的實(shí)現方案通常很不靈活，難以通過(guò)修改來(lái)適應為了改進(jìn)性能和精度而采用的新的信號處理算法。

以高性?xún)r(jià)比的方式實(shí)現伽利略/GPS功能的關(guān)鍵，就是利用現有架構中未被充分使用的計算能力，在軟件中實(shí)現一部分的基帶處理功能。例如，手機有一個(gè)應用處理器負責處理與通信無(wú)關(guān)的所有功能，隨著(zhù)人們對多媒體服務(wù)(如音樂(lè )和視頻播放)興趣的與日俱增，這種處理器已經(jīng)變得越來(lái)越強大。然而，當這些服務(wù)不使用時(shí)，應用處理器常常處于閑置狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)會(huì )被斷電，以降低它消耗的功率。

圖2：利用雙硬件架構與基于軟件的架構實(shí)現的伽利略/GPS系統方框圖。

當基帶處理可以在應用處理器上以軟件實(shí)現的時(shí)候，消費型伽利略/GPS接收器就有可能成真。在這種方式中，由于一個(gè)接收器硬件已可支持多個(gè)衛星系統，所以基于軟件的伽利略/GPS 就相當于軟件定義的無(wú)線(xiàn)電(SDR)。此外，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)不斷融合，可以預見(jiàn)在不遠的將來(lái)，消費電子設備將利用多功能無(wú)線(xiàn)電技術(shù)來(lái)支持藍牙、WiFi和使用可配置軟件基帶實(shí)現的伽利略/GPS。

開(kāi)發(fā)商可以選擇繼續使用硬件來(lái)實(shí)現 GPS的基帶處理，而利用未充分使用的主處理器資源在軟件中執行伽利略的基帶處理；又或者在軟件中同時(shí)實(shí)現GPS和伽利略?xún)煞N基帶處理。這兩種方法都能降低在消費應用中實(shí)現定位服務(wù)的成本，但在軟件中同時(shí)實(shí)現這兩種基帶處理可以完全消除對硬件基帶芯片的需求。

特別是，如果在軟件中推行基帶處理，可以將伽利略/GPS系統的價(jià)格降低50% 以上?；谲浖馁だ?GPS系統預計在供貨時(shí)能迅速達到1美元的價(jià)格點(diǎn)，而有助此目標成真的因素之一是功能軟件本身的商業(yè)模式：當軟件開(kāi)發(fā)完成后，就不會(huì )有任何制造成本，而且軟件一直以來(lái)都是與硬件捆綁銷(xiāo)售，以作為促銷(xiāo)硬件的手段。通過(guò)集成固定的基帶處理技術(shù)(如關(guān)聯(lián)技術(shù))和射頻電路還可以進(jìn)一步節省成本(見(jiàn)圖3)。此外，伽利略可以在任何時(shí)間加入到基于軟件的基帶設備之中而不增加整體的硬件成本。相對來(lái)說(shuō)，如果是基于硬件的實(shí)現方案，推行伽利略的配置將增加設備的零售成本，但卻不會(huì )馬上為消費者帶來(lái)價(jià)值。

圖3：被劃分為軟件和射頻部分進(jìn)行處理的各個(gè)功能方框圖(即把關(guān)聯(lián)功能從軟件轉移到無(wú)線(xiàn)部分進(jìn)行處理)。

軟件基帶處理是否可行可以由評估最壞情況下的加載來(lái)確定。對伽利略/GPS來(lái)說(shuō)，峰值處理會(huì )在最初的信號采集過(guò)程中或定位丟失之后(例如在開(kāi)車(chē)通過(guò)一條長(cháng)隧道之后)出現。當鎖定了位置后，基帶處理的運算量就會(huì )大幅度下降，因為一旦系統掌握了位置信息，維持該位置信息就比較容易。

當然，最壞情況下的處理是不應過(guò)分占用應用處理器的運算能力的，以免影響其它功能。初期的軟件基帶實(shí)現方案會(huì )消耗手機應用處理器(如ARM9) 多達66%的可用計算能力，不過(guò)，軟件供應商預期能夠把這個(gè)負荷降低到稍多于可接受的10到15%。

達到這一目標的實(shí)現方式之一就是采用非實(shí)時(shí)技術(shù)。要把數據作為信號流實(shí)時(shí)地處理需要基于中斷的處理能力，但這樣會(huì )導致高開(kāi)銷(xiāo)，而且在不同應用中管理實(shí)時(shí)任務(wù)也很復雜。此外，由于處理器持續地被中斷以處理各種信號，其電源就不是經(jīng)常處于關(guān)閉狀態(tài)，因此大大增加了整個(gè)系統的功耗。

非實(shí)時(shí)處理采用的是一種突發(fā)方式，一次收集許多數據樣本用于處理。雖然這會(huì )增加延遲，但這種少量的延遲是可以忽略的，并不會(huì )影響精度或用戶(hù)體驗。由于數據比較集中，所以當應用處理器沒(méi)有忙于處理較高優(yōu)先級的任務(wù)時(shí)，就可編排處理的日程進(jìn)度。要注意的是，跟實(shí)時(shí)處理的情況不同，這個(gè)處理器并不會(huì )被定時(shí)喚醒后只去做基帶處理；相反，當處理器被某個(gè)任務(wù)喚醒后，便會(huì )執行基帶處理，這樣，處理器后面就能夠休眠比較長(cháng)的時(shí)間。

解決靈敏度的問(wèn)題

對于伽利略/GPS 接收器(特別是手機)來(lái)說(shuō)，靈敏度是一個(gè)關(guān)鍵的性能和精度指示。信號采集要求(A-GPS系統中的)接收器上的信號電平在 -130到-155 dBm之間，大約比由 RF 前端模塊所得的噪聲電平低 19到34dB。關(guān)聯(lián)器會(huì )把一個(gè)2MHz帶寬的信號去擴展為一個(gè)50Hz的數據信號，從而提供43dB的關(guān)聯(lián)增益，從而把有用信號提升到噪聲電平以上，方便它們進(jìn)行處理。然而，任何接近有用信號頻率的其它通信信號或在有用頻段的諧波都可能成為一種干擾源，并進(jìn)一步降低接收器的靈敏度。

最常見(jiàn)和最具破壞性的干擾源來(lái)自個(gè)人導航設備本身。例如，如果手機遠離基站并以最大功率發(fā)射，這意味著(zhù)在同一設備內1800MHz頻點(diǎn)處可能有30dBm的信號，因而進(jìn)一步導致伽利略/GPS信號在最壞情況下的靈敏度衰減。

要克服內部傳輸干擾有若干方法。其一是由于發(fā)射信號是已知的，因此可以從伽利略/GPS信號中減去。另一種方法是，使用濾波器把蜂窩電話(huà)的干擾降低70dB以上，以保護輸入的衛星信號。

然而，如果GPS擁有2MHz的帶寬而伽利略擴展至4MHz，那么雙接收器架構就具有兩個(gè)最佳的濾波器。GPS的調制方式為BPSK，而伽利略的調制方式為BOC(1,1)，這樣，兩種信號都可以占用相同的信號帶寬，然后關(guān)聯(lián)器也能夠從伽利略信號中辨別GPS信號，反之亦然。

濾波器還適用于基帶處理器。以硬件實(shí)現基帶時(shí)，由于這些濾波器的參數是固定的，因此限制了無(wú)線(xiàn)部分的優(yōu)化程度。但如果用軟件實(shí)現基帶濾波，這些參數就可以被改變，以匹配具體的信號條件。此外，隨著(zhù)濾波算法的發(fā)展，這些濾波器可以被應用到現有的架構上。即便各種手機的架構存在極大的差異，但這樣的靈活性使單個(gè)雙無(wú)線(xiàn)接收器架構就可以很好地應用于不同的產(chǎn)品線(xiàn)。

靈敏度也可能因一個(gè)不良晶體或VCXO參考時(shí)鐘而嚴重地降低。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘源越穩定，成本就越高，但采集時(shí)間也越快。例如，一個(gè)0.5ppm的參考時(shí)鐘將使鎖定時(shí)間達到40秒的數量級。如果采集時(shí)間不成問(wèn)題，那么，2.5ppm的參考時(shí)鐘就應該足夠了。

很多人都誤以為GSM參考時(shí)鐘可以生成穩定的伽利略/GPS參考時(shí)鐘，其實(shí)不然。 GSM參考時(shí)鐘是鎖定到網(wǎng)絡(luò )的，而且需要頻繁進(jìn)行頻率修正。有時(shí)侯，這些修正是通過(guò)GSM基帶驅動(dòng)一個(gè)DAC來(lái)實(shí)現的，再由它驅動(dòng)一個(gè)VCTCXO。參考時(shí)鐘頻率的漸進(jìn)式變化將不會(huì )讓伽利略/GPS接收器與衛星信號保持信號鎖定，特別是在信號較弱的地方，這將導致定位丟失。所以，最安全的方法是針對伽利略/GPS子系統采用獨立的時(shí)鐘，但這樣會(huì )增加整體設備的成本。開(kāi)發(fā)商需要仔細考慮性能和成本之間的折衷，并在架構設計過(guò)程的早期避免開(kāi)發(fā)出一個(gè)無(wú)法滿(mǎn)足最低精度要求的設計。

總而言之，伽利略系統可以改善全球定位服務(wù)的可用性和性能，而增加的精度能完美地補充GPS的不足。借助基于軟件的基帶處理功能，個(gè)人導航設備(包括手機和便攜式媒體播放器)將能夠充分發(fā)掘應用處理器的閑置處理能力，以高性?xún)r(jià)比的方式實(shí)現伽利略/GPS雙無(wú)線(xiàn)子系統，進(jìn)而改進(jìn)消費者的全球導航方式。