新一代GPS終端的跨平臺設計趨勢

在電子產(chǎn)品的市場(chǎng)，GPS近兩年的銷(xiāo)售表現相當受到注目。GPS技術(shù)可以應用的領(lǐng)域極廣，它已從軍事及地理信息的運用，成功跨入汽車(chē)及PDA導航的領(lǐng)域，并進(jìn)一步成為手機增值功能的優(yōu)先選項。這種位置服務(wù)(Location-based Service, LBS)的應用還在起步階段，未來(lái)可行的模式仍在發(fā)展當中。
以車(chē)用導航來(lái)說(shuō)，GPS除了路徑指引的功能外，也能結合路況通報，及早指示駕駛人避開(kāi)擁堵的路段；它也能做為多臺汽車(chē)的車(chē)隊管理(fleet management)用途，甚至做為公車(chē)位置的顯示。在個(gè)人追蹤方面，GPS能用作緊急救助時(shí)的追蹤定位，最知名的例子是美國所提出的E911法案，要求每臺手機中都要安裝GPS的定位功能，以便在緊急狀況下能呼叫及定位追蹤。當然，這項功能可以衍生做為家庭、醫院對老人、小孩、病人的追蹤和照顧。

此外，GPS的用途也能夠非常的生活化，例如用在找人的功能，也就是在人潮眾多的地方，如在商場(chǎng)、球場(chǎng)或電影院中找到相約的朋友，或是在廣大的停車(chē)場(chǎng)中找到自己的車(chē)子。如果和所謂的“興趣點(diǎn)”(point of interest, POI)增值服務(wù)，也就是為行人將所在環(huán)境附近的加油站、推薦餐廳、旅館等信息標示出來(lái)，甚至進(jìn)一步提供訂位或廣告推播的服務(wù)。

增強型輔助網(wǎng)絡(luò )系統

GPS的設備可以是行車(chē)導航器、航空導航器、PDA、筆記本計算機、Walkie-Talkie、手機，甚至可以是手表。這些設備中的定位核心，即是GPS的接收器芯片組及天線(xiàn)，雖然在不同的應用中對技術(shù)及功能的要求會(huì )不同，但基本上都會(huì )要求取得更精確的定位能力、更高的靈敏度，以及更快的首次定位時(shí)間(Time-To-First Fix, TTFF)。

在定位的精確度上，除了接收器模塊本身的技術(shù)外，與采用的接收方式及所在的位置息息相關(guān)。過(guò)去美國政府基于國防安全而提出選擇性干擾(Selective Availability, SA)計劃，刻意干擾民間GPS系統的精確度，當時(shí)只能達到100米；在民間逐漸廣泛使用后，美國自2000年5月起已完全開(kāi)放，目前在開(kāi)放天空下采用一般衛星定位的正常精確度大約6-15米，此種不靠任何輔助的方式稱(chēng)為自主(autonomous)接收。

為了降低定位的誤差，發(fā)展出各種增強型的SBAS(Satellite-Based Augmentation System)輔助網(wǎng)絡(luò )模式，包括在美國的DGPS(Differential GPS)、WAAS(Wide Area Augmentation System)，日本的MSAS(Multi-Functional Satellite Augmentation System)與歐洲的EGNOS(Euro Geostationary Navigation Overlay Service)。這些系統所提供的輔助定位信號，有助于提升定位的精確度和縮短定位的時(shí)間。

不過(guò)，雖然有了輔助系統，但接收表現仍與GPS設備所處的環(huán)境有關(guān)，包括建筑物、地形、電子干擾，有時(shí)甚至連濃密的樹(shù)葉，都可以阻擋衛星的信號。其它還有很多原因會(huì )造成GPS的定位誤差，包括GPS 衛星的軌道會(huì )有偏移量、接收器內建的電子鐘存在微小的定時(shí)誤差，以及衛星信號通過(guò)大氣層及電離層會(huì )造成的信號的延遲，此外，GPS信號可能因建筑物等物體的反射而造成多徑(multi-path)信號的接收誤差。一般來(lái)說(shuō)，GPS在室內的定位情況會(huì )很差，更難以在水面下或地面下進(jìn)行定位。

A-GPS的重要性大增

手機結合GPS是當前極受重視的一股潮流，其背后的技術(shù)稱(chēng)為A-GPS。結合手機網(wǎng)絡(luò )(GSM/3G/CDMA)和GPS衛星網(wǎng)絡(luò )的A-GPS定位系統，能夠在信號極弱的巷弄、室內，甚至是地下室的環(huán)境中可以收得到信號，因此成了個(gè)性化手機應用的首選技術(shù)。依據市場(chǎng)研究公司Frost&Sullivan最新的報告指出，A-GPS芯片市場(chǎng)必將快速發(fā)展，預估全球A-GPS芯片市場(chǎng)銷(xiāo)售額將從2005年的5.463億美元增至2009年的14億美元。

A-GPS利用輔助參數來(lái)提供終端對衛星的定位跟蹤時(shí)所需要的資料，也就是通過(guò)由GPS全球參考網(wǎng)絡(luò )、收集和傳送輔助資料的專(zhuān)用服務(wù)器及用戶(hù)終端所構成的系統，從參考網(wǎng)絡(luò )站臺收集衛星的年歷(Almanac)、星歷(Ephemeris)和時(shí)間等資料，當用戶(hù)終端查詢(xún)時(shí)，再經(jīng)由專(zhuān)用服務(wù)器傳送出去，這些立即性的輔助資料能協(xié)助用戶(hù)終端在數秒之內就完成定位。在這種輔助模式下，終端系統的運算需求極低，能有效降低使用功耗，最多可以減少終端GPS芯片60%的功耗。

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)系統都有自己的A-GPS消息發(fā)送標準，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA則是IS-801A。因此，在組網(wǎng)模式上，如果是利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )及信號發(fā)送層(如SS7)來(lái)從網(wǎng)絡(luò )獲取位置信息，如蜂窩式ID、AFLT或者時(shí)間同步機制，稱(chēng)為控制平臺(Control Plane)模式；如果基于OMA組織所定義的安全用戶(hù)層面定位(Secure User Plane Location, SUPL)標準，先包裹RRLP、RRC或IS-801A信號后再以一致的規格發(fā)送出去，則稱(chēng)為用戶(hù)平臺(User Plane)模式。

這兩種組網(wǎng)模式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，用戶(hù)平臺模式較單純，各類(lèi)的移動(dòng)通信運營(yíng)商都可以直接利用現有的IP網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行溝通，組網(wǎng)成本會(huì )比控制平臺模式更低，整合速度也會(huì )加快；若采用控制平臺作法，通信運營(yíng)商還得布建專(zhuān)屬的硬件單元，例如定位測量單元(Location Measurement Unit, LMU)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器(Radio Network Controller, RNC)等等，而且從網(wǎng)絡(luò )到終端都必須支持專(zhuān)屬的接口和協(xié)議，組網(wǎng)起來(lái)相當復雜，成本也會(huì )較高，但此模式能為用戶(hù)提供最佳的效果。

GPS終端的跨平臺開(kāi)發(fā)挑戰

對于移動(dòng)終端的設計者來(lái)說(shuō)，若要讓其設備能采用A-GPS，并不能只支持用戶(hù)平臺或控制平臺其中的一種模式，因為其手機可能處在各種環(huán)境之下。若想在兩種平臺中進(jìn)行切換，GPS終端必須支持一套協(xié)議轉換的網(wǎng)關(guān)機制，例如位置服務(wù)轉譯和信號模塊(Location Service Translation and Messaging Modules)，讓用戶(hù)可以從控制平臺轉換為用戶(hù)平臺模式，或從RRLP轉為RRC或IS-801A。

除了跨平臺的支持外，GPS終端的功能需求還有很多?；镜男枨笫侵С肿灾髂Ｊ?，對于SBAS和A-GPS等多種輔助模式則是要盡量去支持。另有一種增加型自主模式(Enhanced autonomous，又稱(chēng)為Ephemeris Extensions)，此作法是利用移動(dòng)終端中不定期接取儲存的GPS星歷資料做為定位數據，可省掉從衛星取得星歷的延遲時(shí)間。此外，當手機中執行定位功能時(shí)，也得保持通話(huà)運作的暢通才行。

不僅如此，在有網(wǎng)絡(luò )提供輔助資料的模式下，GPS終端又可以有兩種運算模式，一是由移動(dòng)終端自行運算的MS-based模式(MS為Mobile Station的縮寫(xiě))，以及由網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器運算定位資料，再送回給終端的MS-assisted模式。MS-based模式的溝通方式較單純，在第一次尋求網(wǎng)絡(luò )輔助信息后，就回到獨立運算的模式，當然，這需要有較強的終端運算能力；相較之下，MS-assisted模式則是由終端將量測到的數據丟給網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器，由服務(wù)器來(lái)完成最后的定位運算，此模式的終端運算負荷較小，但會(huì )要求終端與網(wǎng)絡(luò )持續保持聯(lián)機。

在系統架構上，GPS接收器是由RF的諧調器(tuner)和基帶所組成。除了基帶中的微處理器(最常用ARM7)，往往還會(huì )與系統的主處理器整合：在便攜式導航裝置(Portable Navigation Device, PND)中，可以是一顆應用處理器；如果是高端手機的話(huà)，則需要和系統基帶(無(wú)線(xiàn)調制解調器)和應用處理器一同整合，其中GPS的驅動(dòng)軟件可以配置在應用處理器，也可以在系統基帶中。

為了改善行車(chē)中短暫的信號中斷現象(如開(kāi)入隧道當中)，現在的GPS模塊中也會(huì )采用一種輔助導航定位的技術(shù)，稱(chēng)為方位推估法(Dead Reckoning, DR)，當汽車(chē)在無(wú)法接收GPS信號的地方或GPS信號不良時(shí)，方位推估法就能取代GPS繼續進(jìn)行導航定位。通過(guò)用于里程表與正向或后向運動(dòng)的傳感器，以及像陀螺儀、ABS傳感器或方向指示器等角度加速傳感器，DR技術(shù)可以推算出汽車(chē)的行進(jìn)距離和方向。在短距離內，DR系統所提供的資料比GPS的信號來(lái)得準確，因此可作為短距離內的汽車(chē)定位誤差修正輔助，不過(guò)，當時(shí)間增加時(shí)，誤差累積效應會(huì )愈來(lái)愈大，導航的精確度就會(huì )大幅下降。

結語(yǔ)

GPS的應用越來(lái)越普及，終端廠(chǎng)商對其技術(shù)的要求也日益嚴苛。除了小尺寸與低功耗的要求外，新一代的GPS終端，尤其是手機等移動(dòng)設備，必須具備在室內等微弱信號環(huán)境中的定位接收功能，而且能提供快速的首次定位時(shí)間；當然，定位的準確度必須相當的高。在規格上，這類(lèi)終端還得支持各種模式，包括用戶(hù)平臺及控制平臺模式，以及MS-based和MS-assisted模式。此外，在自主模式之外，也得盡量支持各種的輔助網(wǎng)絡(luò )系統。

然而，GPS接收技術(shù)并非市場(chǎng)成功的唯一因素，LBS的應用模式才是打開(kāi)市場(chǎng)的主要關(guān)鍵。這和應用軟件的開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的服務(wù)機制，以及內容提供商的參與都息息相關(guān)，需要建立起一套完善的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，才能讓GPS的表現更為亮眼。