利用A-GPS,接收器不必再下載和解碼來自GPS衛星的導航數據,因此可以有更多的時間和處理能力來跟蹤GPS信號,這樣能降低首次定位時間,增加靈敏度以及具有最大的可用性。

GPS是一種基于衛星的定位系統,它最初由美國軍方設計并受美國軍方的控制,可以為任何人免費使用。這個系統是由在6個中間環形軌道上運行的24顆衛星組成,一個衛星環繞軌道運轉一周的時間接近12個小時。每個衛星不斷地發送關于當前時間、所有衛星的位置以及像歷書(almanac)和星歷(ephemeris)這樣的一些相關數據信息。GPS接收器使用這種信息來計算其自身與衛星之間的距離。為確定位置,GPS接收器必須接收來自至少三個衛星的信號。

圖1:控制層面上的A-GPS。

首次定位時間(TTFF)很大程度上決定于接收器的接收靈敏度,以及可見衛星的數量、每個衛星信號的強度、衛星在天空中的分布以及接收器對天空的視角。在一種不利的環境中,例如信號較弱的城市高樓間隙或者室內,某些情況下需要幾分鐘的時間來計算位置。這對于本地服務(LBS)或者緊急呼叫(E911)來說是不可接受的,這些情況需要一種更快的獲取時間。為此,人們開發了輔助型GPS(A-GPS)來解決不利環境下的TTFF問題。

A-GPS

A-GPS的開發部分地受到美國聯邦通信委員會(FCC)的E911強制要求能對緊急呼叫者提供蜂窩電話的定位所推動。A-GPS的目的是或者提高TTFF,或者當它不能提高TTFF時使定位運算成為可能。

在過去的幾年,在A-GPS這個關鍵詞之下開發出了不同的概念和解決方案,其中很多是受專利保護的。這些不同的概念可以分成支持型GPS(aided GPS)和輔助型GPS兩類(assisted GPS)。

圖2:用戶層面上的A-GPS。

1. 支持型GPS

支持型GPS通過在移動網絡上發送歷書、星歷、粗略的位置和時間來提高TTFF。這種支持型數據可以在控制層面(control plane)上發送,或者移動網絡的用戶層面(user plane)上。位置的運算大多數發生在移動設備上。

2. 輔助型GPS

輔助型GPS使得采用快速TTFF計算位置成為可能。為實現這點,利用像時間同步、更準確的位置、多普勒和頻率這樣的額外信息用來確定位置。這種額外信息可以通過使用移動網絡控制層面的基礎設備來獲得,像高級前向鏈路三邊測量(AFLT)這樣的機制被用來確定移動設備的位置。這里,信號從移動設備發出,幾個移動基站接收并進行測量。位置的計算可以在移動設備內發生(基于移動設備的),或者在移動網絡服務器上(基于網絡的)。

基于移動設備的輔助型GPS解決方案通過移動網絡接收額外的輔助GPS數據,但是在移動設備上進行位置計算。這意味著LBS或者E911服務必須從移動設備得到當前的位置。

采用基于網絡的輔助型GPS解決方案,移動設備發送原始的GPS數據到移動網絡中的GPS輔助服務器。這個網絡服務器可以利用直接來自網絡的額外輔助GPS信息來計算位置。在計算之后,位置數據被發送到接收器。LBS或者E911服務可以直接訪問網絡服務器的位置數據庫。

A-GPS的好處是改善TTFF、增加靈敏性以及使可用性最大化,存在這些優點是因為接收器不再必須下載和解碼來自GPS衛星的導航數據,接收器可以使用更多的時間和處理能力來跟蹤GPS信號。

基于控制層面的A-GPS

圖3:ANTARIS 4框圖。

控制層面方案利用無線網絡的功能以及信號發送層來從網絡獲取位置信息,例如蜂窩ID、AFLT或者時間同步機制。

CDMA和GSM的蜂窩扇區都針對控制層面A-GPS消息發送開發出了標準(分別為TIA/IS-801-1和3GPP ),定義了用戶設備性能衡量標準(分別為TIA 916和3GPP TS )。這些標準描述了來自無線網絡的位置信息如何獲取,以及這個信息如何用于A-GPS。

當在控制層面上使用A-GPS時,定位測量單元利用在移動設備、幾個收發器基站和移動交換中心之間的測量信號傳輸來獲得位置信息。服務移動定位中心收集這些基于網絡的位置數據以及來自具有幾個參考GPS 接收器的A-GPS服務器的數據,將這種輔助數據發送到移動設備,使移動設備能計算出準確的位置。LBS可以通過網關移動定位中心來獲取這個位置數據。

采用控制層面方法,基于網絡或者基于移動設備系統的位置計算是可能的。基于控制層面的A-GPS系統安裝非常復雜而成本很高,因為需要很多額外的硬件來處理復雜的協議,但是這樣的A-GPS系統將具有位置運算的大部分好處。

基于用戶層面的A-GPS

用戶層面方案是一種在A-GPS服務器和移動設備之間的通信都基于全IP數據鏈接的A-GPS系統,與無線信令層無關(基于GPRS的IP)。相應的標準由開放式移動聯盟(OMA)制定,稱為安全用戶層面定位(SUPL)。

當在用戶層面上使用A-GPS時,帶GPS接收器的移動設備在移動網絡的用戶層面上通過IP與A-GPS連接。A-GPS服務器從幾個參考GPS接收器收集支持數據,例如星歷與歷書。服務器根據要求發送這個數據到移動設備。移動設備的GPS接收器利用這個支持數據來進行位置運算。

圖4:GPS接收器模塊。

LBS可以要求移動設備提供位置信息,這些數據將通過IP連接發送。這種方法比通過控制層面的方法成本低,因為移動網絡提供商對控制面不需要特別的硬件,而且這種方法對于所有的移動標準都是可以使用的。

GPS芯片組--ANTARIS 4

Atmel最新的GPS芯片組ANTARIS 4包括射頻接收器IC ATR0601、LNA ATR0610和基帶IC ATR0621。這個芯片組是與u-blox公司緊密合作的結果,Atmel提供RF芯片/數字IC技術,u-blox提供GPS軟件技術。

高增益低噪聲放大器(LNA)使用了Atmel的SiGe技術設計用于GPS應用,具有的噪聲系數、高增益(>16dB)、低功率設計(< 10mW)的特點,以及集成的上電控制和50Ω的輸出匹配。

GPS RF接收器IC具有優良的RF性能和小于的噪聲系數,對干擾不敏感,功耗小于40mW。它包括一個頻率合成器、帶自動增益控制(AGC)的中頻放大器和1.5比特的A/D轉轉器,采用了BiCMOS工藝制造,接收器支持XTO和TXCO。外部必須使用一個SAW帶通濾波器和一個分立的IF濾波器( MHz)連接到RF接收器。

GPS基帶處理器ATR0621包括一個16通道GPS相關器,該基帶處理器基于ARM7TDMI處理器內核。它有128kB的內部SRAM和384kB內部ROM,在這個ROM中包括全部的GPS固件,由u-blox公司授權,用來執行基本的GPS處理,包括跟蹤、獲取、導航和定位數據輸出。對于普通的PVT(位置/速度/時間)應用,不需要片外閃存或ROM。固件支持在可選的外部EEPROM中存儲可能的配置設置,對于特定的用戶應用提供一套軟件開發套件。基帶具有不同的接口以方便靈活的系統集成(2個USART、USB 2.0、SPI、GPIO),而且通過不同的省電模式提供先進的功率管理。

導航的結果通過USART或者USB接口輸出,使用內部NMEA(0183)協議或者u-blox公司的協議,后者具有增強的導航信息和控制功能。

ANTARIS 4技術展現了在任何靜態的和動態的環境下的魯棒性能,包括像具有挑戰性的大城市環境。在不影響導航準確性的情況下它能提供-158dB靈敏度、支持先進的WAAS/EGNOS、良好的獲取性能(例如34秒的冷啟動時間)、優良的多徑抑制、4Hz的刷新率、低功耗,而且使系統方案具有最低的材料成本。

圖5:ANTARIS 4支持的協議消息。

ANTARIS 4和A-GPS

ANTARIS芯片組提供全面的A-GPS功能,例如針對輔助數據在用戶層面上發送的情形。

這種方案對于需要立即的位置定位應用來說,例如通過蜂窩電話的E911緊急呼叫者定位,沒有等待的基于定位的服務以及移動資產跟蹤。來自外部資源的輔助數據,例如輔助服務器,減少了第一次準確的定位確定時間到僅僅4秒。輔助參數提供星歷、歷書、粗定位、時鐘飄逸和時間、衛星狀態,以及如果可能的話,提供一個精確的時間同步信號。這種輔助數據提供了GPS接收器用于搜尋和跟蹤的關于衛星的即時信息,以提高TTFF。

NTARIS 4的協議具有特殊消息用于A-GPS來與A-GPS服務器交換輔助數據。

根據輔助數據和時間同步,芯片組的性能將能得到提高:

-如果沒有輔助數據的話,對于冷啟動一般TTFF為34秒；

-沒有時間同步的情況,對于輔助型啟動TTFF為15到20秒；

-對于時間同步優于8ms的情況,輔助型啟動的TTFF時間一般為12秒；

-時間同步優于400us的輔助啟動的TTFF時間一般為4秒。

同樣,靈敏度從-142dBm提高到-145dBm,因為接收器可以執行重新獲取過程。

本文總結:

采用A-GPS,像LBS和E911這樣的新應用變得可行。使用輔助數據可以實現微弱信號的快速獲取,可以推動導航解決方案,否則導航方案將不可能實現。對于A-GPS來說,技術已經是現成的,應用時機已經來臨。在移動網絡端有兩種可用的方法:用戶層面上的A-GPS適合低成本和快速集成,基于控制層面的A-GPS適合于提供最佳的性能。

作者:Stefan Lux

GPS應用工程師

Atmel公司