軟件GPS原理與應用

　　全球衛星定位系統發(fā)展至今己有二十余年的歷史。其應用主要都是基于一個(gè)完整的，獨立的系統方案，主要架構不外乎天線(xiàn)、射頻前端、基帶處理器、中央處理單元、存單元、晶振等。所設計出的產(chǎn)品多為航空用，船用，及車(chē)用之導航設備，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)人消費性產(chǎn)品相結合，如個(gè)人移動(dòng)電話(huà)。本文將介紹最新的技術(shù)架構，僅使用射頻前端芯片，及相應的軟件而能與行動(dòng)裝置相結合之軟件衛星定位方案。

　　全球衛星定位系統概況與介紹

　　全球定位系統(Global Positioning System)是一套由美國國防部建構的衛星定位系統，其基本原理乃是利用繞著(zhù)地球的24 顆衛星所發(fā)射的信號，再加以幾何上的計算，來(lái)得到接收者的笛卡爾坐標(Cartesian Coordinate)，另一個(gè)與此相當的系統是由前蘇聯(lián)所建構之定位系統(Global Navigation Satellite System，GLONASS)，基本上，此系統也是由24 顆衛星所組成，這24顆衛星分別分布在3個(gè)軌道面，每一個(gè)軌道面又分別由8 顆衛星以相差45度(Latitude)均勻分布，此軌道面之高度約為19100Km，衛星運行一周需費11小時(shí)又15分鐘，因為本文主要是介紹美國所建構之定位系統(Navstar GPS)，所以有關(guān)GLONASS的部分就不多敘述。

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，全球定位系統是一個(gè)以空間為基準，利用無(wú)線(xiàn)電波與時(shí)間差來(lái)測量距離的一個(gè)系統，它能夠提供精準的位置數據、速度、以及時(shí)間。整個(gè)系統可以被區分為三大部分，我們稱(chēng)之為Space Segment、Control Segment和User Segment。

　　第一個(gè)Space Segment，主要就是由24顆衛星運行于半同步軌道，所謂半同步軌道指的就是衛星運行一周需費大約12小時(shí)(11小時(shí)58分鐘) 所以在一天之中，同一顆衛星剛好出現在一個(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顆衛星以每個(gè)軌道4 顆衛星均勻的分布在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，而這些衛星所在的軌道高度平均約為20200Km，圖1為衛星軌道分布圖。

　　這24顆衛星所發(fā)射出來(lái)的測距信號有兩個(gè)頻道( D-Band )，其一稱(chēng)之為L(cháng)1，發(fā)射頻率為1575.42MHz；其二為L(cháng)2，發(fā)射頻率為1227.6MHz。這兩個(gè)為載波頻率負責將擴頻信號以高頻載波來(lái)傳送，GPS所使用的是擴頻通訊(Spread-Spectrum)技術(shù)。擴頻所調制的測距碼(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)調制，專(zhuān)門(mén)開(kāi)放給一般商業(yè)用途的使用者；另外一個(gè)測距碼是10.23MHz的P碼( Precision Codes)，這個(gè)碼同時(shí)調制在L1及L2載波上，由于P碼的Chip較短，因此能夠得到較精準的定位。這兩種測距碼都能夠被用來(lái)測量衛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(kāi)放給被授權的使用者，所以P Code 通常也只應用在軍事用途的定位系統上，也因為有這樣不同的兩組碼，全球定位系統又被區分成所謂標準定位服務(wù)(Standard Positioning Service，SPS)，以及精確定位服務(wù)(Precise Positioning Service，PPS)，其中標準定位服務(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，除了這些測距碼之外，最后也是最重要的就是一個(gè)50Hz的數據信息碼。這個(gè)碼載有的數據包括了衛星時(shí)序數據、衛星精確軌道數據(ephemeris)，此數據只含有發(fā)射信號的衛星本身的軌道數據、衛星基本軌道數據(almanac data)，此數據含有所有衛星的基本軌道數據及信號傳播于電離層的修正數據。

　　Control Segment，這主要是由各個(gè)位于不同地點(diǎn)的地面控制站臺所組成。其主控制站臺(Master Control Station， MCS)位于美國科羅拉多州，其余幾個(gè)站臺則均勻沿著(zhù)赤道分布。這些地面控制站的主要任務(wù)就是間測及控管這些在太空中運行的衛星，其功能包括有衛星軌道控管、衛星軌道數據更新、衛星本身維護等。這個(gè)系統之運作流程是由各個(gè)子站臺分別接收它們所鎖定的衛星的軌道數據，然后透過(guò)美國的防衛衛星通訊系統將數據傳送到主控制站臺進(jìn)行軌道數據的估計及再預測，然后再將新的軌道數據通過(guò)地面天線(xiàn)站上載至各個(gè)衛星。
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、譯碼以及處理衛星的軌道數據，進(jìn)而計算出接收器的位置。

　　GPS的傳統架構

　　一般商業(yè)用的GPS芯片組大體都是由天線(xiàn)、低噪音放大器、前端濾波器、射頻IC、晶振、 存儲器芯片與基頻IC(內含中央處理單元)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/數轉換器所組成。一般這樣的芯片設計都會(huì )采用Bi-CMOS的制程以兼顧Bipolar快速、高增益、高驅動(dòng)力、低寬帶噪聲和CMOS的低功耗高密度等好處。絕大多數的基頻信號處理IC都是由CMOS制成，一般的基頻信號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，以處理追蹤及導航的算法而實(shí)現衛星信號追蹤及幾何定位之計算。中央處理單元也負責與存儲器芯片之地址/數據運算及與外部I/O的接口如UART。

　　這樣的傳統架構存在著(zhù)一些瓶頸而無(wú)法應用在如移動(dòng)電話(huà)等的消費性電子產(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。一般的消費者在使用GPS 時(shí)，多數會(huì )處在市區內，甚至在建筑物內，這樣的環(huán)境絕對是GPS的天敵，因為在這樣的環(huán)境下，衛星傳送下來(lái)的信號不僅會(huì )被衰減，多重反射(multi-path)，甚至完全收不到任何信號(室內)。為了改善接收靈敏度的問(wèn)題，各家廠(chǎng)商無(wú)不在RF IC 及追蹤導航算法上力求精進(jìn)。甚至更有廠(chǎng)商與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )(如GSM/GPRS 或WiFi熱點(diǎn))相結合，提供輔助導航之功能，使得即使GPS接收器在室內，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降低外，有效的電源管理設計也成了重要的設計之一。尤其是傳統架構需要用上一顆CPU使得功耗問(wèn)題一直無(wú)法改善。 而且芯片設計也會(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接收器設計，大體包含有射頻芯片、GPS ASIC處理器芯片、CPU和內存。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。凡是要同消費大眾普及化的產(chǎn)品，在價(jià)格上一定要有競爭力。 而傳統方案整個(gè)BOM成本則至少要15美元以上。

　　軟件GPS原理

　　所謂軟件base全球衛星定位方案，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是將軟件移植到主機(host base)上去執行，以分享中央處理單元(CPU)，存儲器芯片等，以進(jìn)而達到省電，低成本，低功耗及節省板空間的需求。 其架構可由圖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(host base)的固有資源。 前端射頻芯片將射頻信號降到基頻，再經(jīng)由仿真/數字轉換器將信號快速取樣出來(lái)，一般是由SPI (serial port interface)或SD Interface接到主機上的中央處理單元。接著(zhù)由移植到主處理器的測量計算單元(Measurement Engine) 將射頻取樣信號轉換成原始的GPS各種測量信息(raw GPS measurements)， 再由導航計算單元(Navigation Engine)計算出所有的定位數據，速度，時(shí)間等。在硬件部分，一般的冷開(kāi)機模式下大略需要消耗掉主機上的中央處理單元約50MIPS到400MIPS不等，不同廠(chǎng)家的方案會(huì )有不同的系統需求。

　　軟件GPS應用

　　本節將以RF Micro Devices的RF8110為設計實(shí)例來(lái)說(shuō)明softGPS的技術(shù)應用。由前節所述原理可知，softGPS需要將其運算軟件移植到主機端的應用處理器上。其硬件架構，如圖4所示。

　　所以我們再選用Intel XScale的PXA-27X為主應用處理器，并以Single SPI(Serial Port Interface)模式來(lái)加以說(shuō)明。其接口連接如圖5。

　　在此應用中，這個(gè)接口使用4線(xiàn)SPI從端口來(lái)傳送控制信號及GPS數據流。其中MISO(Master In Salve Out)及MOSI(Master Out Slave In)分別做為單向GPS串行數據傳輸用。而SPI RDY則告訴主機其GPS數據流己待命，然后主機就要下讀出命令。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，負責從GPS取樣信號中計算出位置，速度及時(shí)間。sGPS Library與系統軟件的接口為SAL(System Abstraction Layer)。主機端可以在其上開(kāi)發(fā)導航應用軟件，可以只是簡(jiǎn)單的NMEA輸出，或是復雜的地圖導航。

　　結語(yǔ)

　　本文主要闡述了softGPS如何克服傳統方案，應用在手持移動(dòng)裝置上的瓶頸，并說(shuō)明softGPS的原理及其應用。在講究尺寸，功耗及性能的行動(dòng)裝置上，softGPS以?xún)H僅單一射頻芯片及可移植性高的運行軟件來(lái)搭配主機端的應用處理器，可以容易地達到在尺寸，功耗及性能上的各項要求，使得衛星定位系統內建于Smart Phone，PDA更為普遍。目前市場(chǎng)上絕大部分的Smart Phone及PDA，其應用處理器都有足夠的能力來(lái)處理softGPS的運行軟件。再加上輔助式定位系統aiding GPS，將使得GPS的應用更為方便及實(shí)用。一旦GPS的導航功能搭配上適當的電子地圖與規劃完善的導航軟件，則未來(lái)GPS 將會(huì )成為人人必備的生活必需品?！?/p>