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提高全球定位系统应用的性能
2006年6月2日 14:26  来源:电子工程专辑  作者:Stefan Lux
    利用A-GPS,接收器不必再下载和解码来自GPS卫星的导航数据,因此可以有更多的时间和处理能力来跟踪GPS信号,这样能降低首次定位时间,增加灵敏度以及具有最大的可用性。  

    GPS是一种基于卫星的定位系统,它最初由美国军方设计并受美国军方的控制,可以为任何人免费使用。这个系统是由在6个中间环形轨道上运行的24颗卫星组成,一个卫星环绕轨道运转一周的时间接近12个小时。每个卫星不断地发送关于当前时间、所有卫星的位置以及像历书(almanac)和星历(ephemeris)这样的一些相关数据信息。GPS接收器使用这种信息来计算其自身与卫星之间的距离。为确定位置,GPS接收器必须接收来自至少三个卫星的信号。  

图1:控制层面上的A-GPS

图1:控制层面上的A-GPS

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    首次定位时间(TTFF)很大程度上决定于接收器的接收灵敏度,以及可见卫星的数量、每个卫星信号的强度、卫星在天空中的分布以及接收器对天空的视角。在一种不利的环境中,例如信号较弱的城市高楼间隙或者室内,某些情况下需要几分钟的时间来计算位置。这对于本地服务(LBS)或者紧急呼叫(E911)来说是不可接受的,这些情况需要一种更快的获取时间。为此,人们开发了辅助型GPS(A-GPS)来解决不利环境下的TTFF问题。 

    A-GPS 

    A-GPS的开发部分地受到美国联邦通信委员会(FCC)的E911强制要求能对紧急呼叫者提供蜂窝电话的定位所推动。A-GPS的目的是或者提高TTFF,或者当它不能提高TTFF时使定位运算成为可能。 
    在过去的几年,在A-GPS这个关键词之下开发出了不同的概念和解决方案,其中很多是受专利保护的。这些不同的概念可以分成支持型GPS(aided GPS)和辅助型GPS两类(assisted GPS)。  

图2:用户层面上的A-GPS

图2:用户层面上的A-GPS

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    1. 支持型GPS 

    支持型GPS通过在移动网络上发送历书、星历、粗略的位置和时间来提高TTFF。这种支持型数据可以在控制层面(control plane)上发送,或者移动网络的用户层面(user plane)上。位置的运算大多数发生在移动设备上。 

    2. 辅助型GPS 

    辅助型GPS使得采用快速TTFF计算位置成为可能。为实现这点,利用像时间同步、更准确的位置、多普勒和频率这样的额外信息用来确定位置。这种额外信息可以通过使用移动网络控制层面的基础设备来获得,像高级前向链路三边测量(AFLT)这样的机制被用来确定移动设备的位置。这里,信号从移动设备发出,几个移动基站接收并进行测量。位置的计算可以在移动设备内发生(基于移动设备的),或者在移动网络服务器上(基于网络的)。 

    基于移动设备的辅助型GPS解决方案通过移动网络接收额外的辅助GPS数据,但是在移动设备上进行位置计算。这意味着LBS或者E911服务必须从移动设备得到当前的位置。 

    采用基于网络的辅助型GPS解决方案,移动设备发送原始的GPS数据到移动网络中的GPS辅助服务器。这个网络服务器可以利用直接来自网络的额外辅助GPS信息来计算位置。在计算之后,位置数据被发送到接收器。LBS或者E911服务可以直接访问网络服务器的位置数据库。 

    A-GPS的好处是改善TTFF、增加灵敏性以及使可用性最大化,存在这些优点是因为接收器不再必须下载和解码来自GPS卫星的导航数据,接收器可以使用更多的时间和处理能力来跟踪GPS信号。 

    基于控制层面的A-GPS  

图3:ANTARIS 4框图

图3:ANTARIS 4框图

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    控制层面方案利用无线网络的功能以及信号发送层来从网络获取位置信息,例如蜂窝ID、AFLT或者时间同步机制。 

    CDMA和GSM的蜂窝扇区都针对控制层面A-GPS消息发送开发出了标准(分别为TIA/IS-801-1和3GPP TS25.331),定义了用户设备性能衡量标准(分别为TIA 916和3GPP TS 25.171)。这些标准描述了来自无线网络的位置信息如何获取,以及这个信息如何用于A-GPS。 

    当在控制层面上使用A-GPS时,定位测量单元利用在移动设备、几个收发器基站和移动交换中心之间的测量信号传输来获得位置信息。服务移动定位中心收集这些基于网络的位置数据以及来自具有几个参考GPS 接收器的A-GPS服务器的数据,将这种辅助数据发送到移动设备,使移动设备能计算出准确的位置。LBS可以通过网关移动定位中心来获取这个位置数据。 

    采用控制层面方法,基于网络或者基于移动设备系统的位置计算是可能的。基于控制层面的A-GPS系统安装非常复杂而成本很高,因为需要很多额外的硬件来处理复杂的协议,但是这样的A-GPS系统将具有位置运算的大部分好处。 

    基于用户层面的A-GPS 

    用户层面方案是一种在A-GPS服务器和移动设备之间的通信都基于全IP数据链接的A-GPS系统,与无线信令层无关(基于GPRS的IP)。相应的标准由开放式移动联盟(OMA)制定,称为安全用户层面定位(SUPL)。 

    当在用户层面上使用A-GPS时,带GPS接收器的移动设备在移动网络的用户层面上通过IP与A-GPS连接。A-GPS服务器从几个参考GPS接收器收集支持数据,例如星历与历书。服务器根据要求发送这个数据到移动设备。移动设备的GPS接收器利用这个支持数据来进行位置运算。  

图4:GPS接收器模块

图4:GPS接收器模块

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    LBS可以要求移动设备提供位置信息,这些数据将通过IP连接发送。这种方法比通过控制层面的方法成本低,因为移动网络提供商对控制面不需要特别的硬件,而且这种方法对于所有的移动标准都是可以使用的。 

    GPS芯片组--ANTARIS 4 

    Atmel最新的GPS芯片组ANTARIS 4包括射频接收器IC ATR0601、LNA ATR0610和基带IC ATR0621。这个芯片组是与u-blox公司紧密合作的结果,Atmel提供RF芯片/数字IC技术,u-blox提供GPS软件技术。  

    高增益低噪声放大器(LNA)使用了Atmel的SiGe技术设计用于GPS应用,具有1.6dB的噪声系数、高增益(>16dB)、低功率设计(< 10mW)的特点,以及集成的上电控制和50Ω的输出匹配。 

    GPS RF接收器IC具有优良的RF性能和小于6.8dB的噪声系数,对干扰不敏感,功耗小于40mW。它包括一个频率合成器、带自动增益控制(AGC)的中频放大器和1.5比特的A/D转转器,采用了BiCMOS工艺制造,接收器支持XTO和TXCO。外部必须使用一个SAW带通滤波器和一个分立的IF滤波器(96.764 MHz)连接到RF接收器。 

    GPS基带处理器ATR0621包括一个16通道GPS相关器,该基带处理器基于ARM7TDMI处理器内核。它有128kB的内部SRAM和384kB内部ROM,在这个ROM中包括全部的GPS固件,由u-blox公司授权,用来执行基本的GPS处理,包括跟踪、获取、导航和定位数据输出。对于普通的PVT(位置/速度/时间)应用,不需要片外闪存或ROM。固件支持在可选的外部EEPROM中存储可能的配置设置,对于特定的用户应用提供一套软件开发套件。基带具有不同的接口以方便灵活的系统集成(2个USART、USB 2.0、SPI、GPIO),而且通过不同的省电模式提供先进的功率管理。 

    导航的结果通过USART或者USB接口输出,使用内部NMEA(0183)协议或者u-blox公司的协议,后者具有增强的导航信息和控制功能。 

    ANTARIS 4技术展现了在任何静态的和动态的环境下的鲁棒性能,包括像具有挑战性的大城市环境。在不影响导航准确性的情况下它能提供-158dB灵敏度、支持先进的WAAS/EGNOS、良好的获取性能(例如34秒的冷启动时间)、优良的多径抑制、4Hz的刷新率、低功耗,而且使系统方案具有最低的材料成本。  
  

图5:ANTARIS 4支持的协议消息

图5:ANTARIS 4支持的协议消息

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    ANTARIS 4和A-GPS 

    ANTARIS芯片组提供全面的A-GPS功能,例如针对辅助数据在用户层面上发送的情形。这种方案对于需要立即的位置定位应用来说,例如通过蜂窝电话的E911紧急呼叫者定位,没有等待的基于定位的服务以及移动资产跟踪。来自外部资源的辅助数据,例如辅助服务器,减少了第一次准确的定位确定时间到仅仅4秒。辅助参数提供星历、历书、粗定位、时钟飘逸和时间、卫星状态,以及如果可能的话,提供一个精确的时间同步信号。这种辅助数据提供了GPS接收器用于搜寻和跟踪的关于卫星的即时信息,以提高TTFF。 

    NTARIS 4的协议具有特殊消息用于A-GPS来与A-GPS服务器交换辅助数据。 

    根据辅助数据和时间同步,芯片组的性能将能得到提高: 

    -如果没有辅助数据的话,对于冷启动一般TTFF为34秒; 

    -没有时间同步的情况,对于辅助型启动TTFF为15到20秒; 

    -对于时间同步优于8ms的情况,辅助型启动的TTFF时间一般为12秒; 

    -时间同步优于400us的辅助启动的TTFF时间一般为4秒。 

    同样,灵敏度从-142dBm提高到-145dBm,因为接收器可以执行重新获取过程。 

    本文总结: 

    采用A-GPS,像LBS和E911这样的新应用变得可行。使用辅助数据可以实现微弱信号的快速获取,可以推动导航解决方案,否则导航方案将不可能实现。对于A-GPS来说,技术已经是现成的,应用时机已经来临。在移动网络端有两种可用的方法:用户层面上的A-GPS适合低成本和快速集成,基于控制层面的A-GPS适合于提供最佳的性能。 
 
 [关键词]:A-GPS 定位系统 导航  发表评论    【推荐】 【打印

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