基于伽里略計劃的全球定位系統的設計

　　全球定位系統(GPS)的功能性會(huì )迅速主導消費電子應用市場(chǎng)，顯現為下一代系統的基本特點(diǎn)。汽車(chē)及手機的個(gè)人導航設備(PND)均具有精確定位的能力。同時(shí)許多先進(jìn)的GPS服務(wù)仍在開(kāi)發(fā)，例如：基于場(chǎng)所的廣告。在地圖上查找用戶(hù)位置是基本的功能，如無(wú)需顯著(zhù)地增加總成本及處理器負載，這一功能的推動(dòng)已足夠使GPS成為主流設備。

　　消費者同意為高性能和準確性付出很高的價(jià)格。但同時(shí)，開(kāi)發(fā)者必須熟悉大量的關(guān)鍵技術(shù)，使GPS功能可能用于消費電子設備。通過(guò)其他的衛星信號的可用性，PND將能夠更快速更精確地鎖定位置，遠遠超出只應用GPS設備。尤其在市內的環(huán)境下，大部分是基于定位服務(wù)。此時(shí)，GPS的精確性有些不足。

　　伽里略計劃是歐洲聯(lián)盟主持開(kāi)發(fā)和實(shí)施的衛星全球定位網(wǎng)絡(luò )。伽里略計劃是為與GPS一同工作設計，而不是競爭。伽里略計劃的衛星將發(fā)射許多帶寬的信號，其中之一L1基帶與GPS使用同一頻率。L1基帶在GPS衛星和補充軌道之間，從而增加信號數量。人們能夠在任一指定位置接收信號。這將大大提高城市內定位的準確度。為了獲取好的定位，至少需要四顆衛星。伽里略計劃／基于GPS的個(gè)人導航設備將允許同時(shí)使用兩個(gè)系統的衛星，這樣更多的衛星可以被利用。實(shí)際上，目前PND可達到確定步行者是走在街道的哪一邊的準確度。

　　GPS系統已有30年的歷史，由美國國防部運作。它最初并不是為商業(yè)設計的。伽里略計劃有效地補充了GPS。因為擁有更多的可用衛星。伽里略計劃將提供高于GPS的精確度(商業(yè)應用中，伽里略計劃的精確度為4米，GPS的精確度為10米)。伽里略計劃不是由單一的政府機構控制的，不能隨意停止服務(wù)或改變衛星精確度。

　　在那個(gè)時(shí)候，一顆伽里略計劃的實(shí)驗衛星(Giovea)已經(jīng)部署，它已檢驗過(guò)所有重要的發(fā)射機制及技術(shù)。隨著(zhù)計劃的進(jìn)程，27顆伽里略計劃的衛星將進(jìn)入軌道?，F在，因為過(guò)于漫長(cháng)的開(kāi)發(fā)周期。許多OEM廠(chǎng)商已開(kāi)始考慮實(shí)施伽里略／基于GPS的計劃，一旦伽里略計劃可用，消費者能夠立刻受益。理想地是：有些設備單獨使用GPS，直到伽里略計劃衛星發(fā)射，它們可升級并使用伽里略計劃衛星?，F在，即使OEM廠(chǎng)商不打算升級已用設備，但也開(kāi)始設計支持雙系統的架構。這樣，當伽里略計劃成為可用系統時(shí)，就可以避免耽誤上市時(shí)間及失去市場(chǎng)機會(huì )。

　　因為GPS系統與伽里略計劃使用相同頻率基帶(中心頻率為1.575 GHz)，所以利用一個(gè)無(wú)線(xiàn)電設備連接兩個(gè)系統是有可能的(也就是雙重的無(wú)線(xiàn)電設備)。以上兩個(gè)系統在信號獲取方面有輕微不同，仍需要進(jìn)行不同的配置。伽里略計劃的信號利用4MHz帶寬。與之相比不同的是：GPS利用2MHz帶寬，并采用不同的編碼方案。從基帶角度看，兩種調制方法能使用相關(guān)解調器。所以用一個(gè)單一基帶處理器帶一個(gè)柔性相關(guān)器模塊，獨立地配置，可同時(shí)解調伽里略計劃和GPS信號。

　　想找到一個(gè)有成本效益的方法，實(shí)現伽里略計劃／GPS系統功能，其關(guān)鍵在于：在已存在架構中未使用的能力與軟件實(shí)施基帶處理器部分問(wèn)存在的平衡。例如：手機的一個(gè)應用處理器，它負責處理全部非通信功能。當人們對音樂(lè )及視頻等多媒體服務(wù)興趣日益濃厚時(shí)，這一處理器變得越來(lái)越強大。當不使用這些服務(wù)時(shí)，這一處理器通?？臻e，甚至關(guān)掉，以節約電能。

　　當在應用處理器中，以軟件實(shí)施基帶處理時(shí)，消費領(lǐng)域的伽里略計劃／GPS會(huì )成為可能。這樣基于軟件的伽里略計劃／GPS類(lèi)似于軟件定義的無(wú)線(xiàn)電設備，因為單一硬件的無(wú)線(xiàn)電設備支持多個(gè)衛星系統。另外，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)不斷集中，可預見(jiàn)在不久的未來(lái)，消費類(lèi)設備要利用多功能無(wú)線(xiàn)電通信設備支持藍牙，Wi-Fi及伽里略計劃／GPS。

　　開(kāi)發(fā)者可以選擇：用硬件完成GPS基帶處理及用軟件完成伽里略計劃基帶處理而不利用主處理器資源，或用軟件實(shí)現GPS及伽里略計劃的需求。選用全使用軟件實(shí)現的方法完全不需要硬件基帶芯片，兩種方法都降低了成本。

　　很明顯，用軟件實(shí)現基帶處理，伽里略計劃／GPS價(jià)格可降低超過(guò)50％。另一因素為基于軟件開(kāi)發(fā)的商業(yè)模式。軟件開(kāi)發(fā)完成，就不再有制造費用，它將長(cháng)期和硬件捆綁銷(xiāo)售。另外，伽里略計劃能夠添加基于軟件的基帶設備，同時(shí)無(wú)需增加總硬件費用。它與基于硬件的實(shí)現方法對比，在伽里略計劃實(shí)行之日，無(wú)需客戶(hù)立刻添加任何費用。

　　軟件基帶處理的可行性由對最壞裝載的評測決定。關(guān)于伽里略計劃／GPS的峰值處理發(fā)生于初始信號獲取或定位丟失后即刻。位置確定后，基帶處理大幅下降。系統維護已知定位比較容易。

　　很明顯，最壞情況處理不能壓跨應用處理器。當ARM9典型手機處理器66％用于軟件基帶初始運作時(shí)，系統軟件商將期望能削減10％～15％的負載。

　　實(shí)現的方法為采用非實(shí)時(shí)手段進(jìn)行處理。實(shí)時(shí)信號流的處理要求基于中斷信號的處理，這將帶來(lái)高費用及實(shí)時(shí)管理多任務(wù)的復雜。另外。因為處理器不斷被處理信號而打斷，所以它不能經(jīng)常被關(guān)掉，增加了能耗。

　　非實(shí)時(shí)處理方法采用脈；中方式，收集許多數據，一同處理。這種方法有延時(shí)，但絕不影響精確度及用戶(hù)的感受。如果數據聚集到一定程度，處理將被啟動(dòng)。如果系統是實(shí)時(shí)處理，處理器將經(jīng)常被喚起。

　　尋址靈敏度

　　靈敏度是一個(gè)關(guān)鍵性能，影響伽里略計劃／GPS的精確度，尤其是手機接收的精確性。系統(例如：A-GPS系統)可接收130 dBm～155 dBm信號，其噪聲低于19dB～34dB。這些信號由相關(guān)器處理。一些其他信號接近有效信號的頻率或有效帶寬，它將作為干擾，降低無(wú)線(xiàn)電通信的靈敏度。大多數普通和破壞性的干擾源來(lái)自個(gè)人導航設備自身。

　　有幾個(gè)辦法用于克服內在的傳輸干擾。既然傳輸信號已知，就可從伽里略計劃／GPS信號里減去它。另一種選擇：使用濾波器保護接收的衛星信號。

　　雙重無(wú)線(xiàn)電設備架構同時(shí)有兩個(gè)最佳濾波器，分別用于2 MHz的GPS信號和4 MHz的伽里略計劃信號。GPS的調制方式是BPSK，伽里略計劃的調制方式是BOC(1，1)。允許兩種信號占用同一帶寬，相關(guān)器自己可分辨它們。反之亦然。

　　基帶處理器也使用濾波器。當基帶濾波器用硬件實(shí)現時(shí)，濾波器的值是固定的，應用受限制。當基帶濾波器用軟件實(shí)現時(shí)，可改變其值適應不同的信號。另外，先進(jìn)的濾波器法則可用于已有設備架構。應用于手機架構時(shí)，它們有極大的差別，如軟件方式可使單一雙重無(wú)線(xiàn)電設備最優(yōu)地處理多種信號生產(chǎn)線(xiàn)。

　　噪聲或被控電壓晶體振蕩器能?chē)乐叵鳒p靈敏度。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘源越穩定，造價(jià)越高，收集時(shí)間也越快。

　　無(wú)論如何，這是一個(gè)普遍的誤解：GSM參考時(shí)鐘可作為伽里略計劃／GPS穩定的參考時(shí)鐘。GSM用網(wǎng)絡(luò )頻率保證它的時(shí)鐘。但伽里略計劃／GPS系統將不允許使用衛星信號維護其時(shí)鐘。最安全的做法是它使用獨立的時(shí)鐘，雖然要增加總成本。

　　開(kāi)發(fā)人員應仔細考慮系統性能及成本。