以开放式A-GPS　打开手机市场大门

(寄信给作者) 2007/08/27
蔡金源／u-blox台湾分公司产品应用工程师
前言：行动用户时常处于建筑物林立的街道中、骑楼下，甚至是室内的环境中，由于这些地方的讯号接收条件很差，用户往往得长时间等待不一定能够成功的第一次定位，透过辅助定位方式，也就是A-GPS（即Aiding GPS或Assisted GPS），已成为GPS发展上的必然趋势
GPS卫星讯息组成
GPS的应用日益普及，车用导航及PDA/PND可携式导航设备在市场上大行其道，而其应用领域除了与相片、影音播放相结合外，也逐渐从汽车导航跨入行人的徒步随身导航，在应用性上也更强调位置服务（Location-based Service, LBS），也就是从定位功能延伸出附近餐厅、景点、捷运/公车路线等加值服务。不仅如此，美国E911法案更要求每台手机中要具备GPS的功能，以在紧急时刻发挥定位寻人的用途。
当GPS的应用不断地推进个人的随身应用时，传统的GPS定位方式就出现了不小的使用瓶颈。采用自主定位（Autonomous Positioning）的独立式GPS设备，必须要在讯号条件佳的开放天空中接收到四颗以上的卫星，才能顺利解出终端用户所在的位置；不仅如此，此设备的GPS接收器还得不间断地接收30秒以上的时间，才能将GPS卫星讯号完整收齐，接著才能进行定位计算。对于随身导航应用来说，自主定位在开机后的第一次定位时间（Time to first fix, TTFF）实在太长，而且行动用户时常处于建筑物林立的街道中、骑楼下，甚至是室内的环境中，由于这些地方的讯号接收条件很差，用户往往得长时间等待第一次定位，而且还不一定能够成功。在此情况下，透过另一套网络来取得卫星讯息的辅助定位方式，也就是A-GPS（即Aiding GPS或Assisted GPS），已成为GPS发展上的一个必然趋势。
GPS卫星讯息组成
在深入探讨A-GPS之前，我们必须先掌握一般GPS自主定位的基本原理及卫星讯息的组成，才能了解A-GPS的优势所在。目前在天空中有多套定位卫星系统在运作，包括美国的GPS系统、俄国的GLONASS系统，以及欧盟在建置中的Galileo系统，其中以美国的GPS为今日市场应用的主流，也是本文中所探讨的系统。
GPS是由24颗卫星群所组成，分别运行在六个轨道面上，每颗卫星会不断地发射关于卫星轨道、时间及各种参数的卫星讯息，这些讯息的接收正是GPS终端能否成功定位的关键所在。目前GPS卫星分别有1575.42MHz的L1载波及1227.60MHz的L2载波，在载波上调制了C/A电码（C/A code）及P电码，一般我们用得到的是L1及C/A电码，L2及P电码则为美国军方在使用。
在L1上所搭载的卫星讯息以讯框（Frame）为单位，每个讯框为1500 bits，其下又分为五个子讯框（Sub-Frame），它的内容包括卫星的星期时间（Time of week, TOW）、广播星历（Broadcast Ephemeris）、电离层参数及万年历（Almanac）等，请参考下列表一。其中广播星历为个别卫星本身的精确轨道位置，它每小时更新一次，每次更新的有效性约四小时；万年历则为所有卫星在轨道上的概略位置及其状况等，它每天更新一次，有效时间可达数周。

对于一个不具任何有效定位资料的GPS终端来说，最重要的是要收齐四颗卫星个别的广播星历及卫星时间资料，才能正确的计算定位。由于卫星是以50 bit/s(bps)的速率来发射讯号，因此同步收齐四颗卫星一个完整讯框资料的时间，至少需要30秒（即1500bit/ 50bps），其中需花18秒下载广播星历。万年历方面，由于每次更新的资料需用到25个讯框来传送更新的万年历资料，因此要完整的下载，需要用掉12.5分钟。

图说：卫星讯息组成及接收所需时间（资料来源：u-blox）
对于GPS终端来说，启动开机时本身是否具有有效的卫星讯息，将决定它第一次定位的速度。如果是完全无资料的状况，称为冷开机（Cold Start），顺利接收讯号的话，大约需18-36秒才能完成定位；不过，由于广播星历的下载不能间断，如果因讯号微弱而一时断讯的话，就得从头再接收，这就得耗费更长的定位时间。因此，更佳的状况是终端机本身已具有可用的Almanac或Ephemeris，如果已具有Almanac，即称为暖启动（Warm Start）；最快的条件是已具有Ephemeris，称为热启动（Hot Start）。
开放式的A-GPS服务
一般的A-GPS系统由GPS全球参考网络、发布辅助资料的中央服务器，以及具A-GPS功能的接收器所组成。GPS全球参考网络必须建置广大的监控基地台，并持续且准确地监控卫星的移动。它会将监控得到的相关卫星资料传送给高效能的中央服务器，此服务器会依据这些资料来预测卫星未来的移动轨迹。IGS（International GNNS-Service）即是这样的一个网络，它在全球持续地运作著。
GPS接收器的运作程序，第一步是查找卫星讯号、再接收广播星历，接著才能定位与追踪。如果能预先取得卫星讯息，或以更快的速度来下载广播星历，那就能加速定位的速度，请参考下图。要取得这些辅助资料有两种方式，一是即时性的透过GSM、GPRS、CDMA或UMTS等移动通信系统来取得，也就是联机式的A-GPS（Online A-GPS）；另一种是采离线方式（Offline A-GPS），也就是依使用者的方便，透过行动网络或直接由网际网络预先下载卫星资料，当需要时就能做为辅助定位之用。以下将介绍这两种方式的特性及差异所在。

图说：冷启动时，具有Ephemeris或差分Almanac修正资料的终端器能快速的定位。（资料来源：u-blox）
1. 联机式A-GPS
一个具联机式A-GPS功能的终端器，可以由两种界面来与行动网络沟通，一是控制平面（Control plane），一是用户平面（User plane）。前者是不同行动系统针对定位辅助功能所定义的界面规格，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA则是IS-801A。除了界面规格不同外，不同的系统服务商往往会建立属于自己的控制平面运作系统，此举虽然能保证较佳的服务质量，但建置成本极高，用户也得受限于系统服务商。
另一种界面系统为用户平面，它使用的是由OMA组织所定义的一套通用界面规格，称为SUPL（Secure User Plane Location）。它透过将RRC、RRLP等讯息包裹为一致性的规格后再发送出去，与TCP/IP的架构极为接近。由于其通用性高，系统建置成本较低，因此有助于A-GPS在手机等行动设备中的推行。
采用联机式A-GPS，不同的作法会影响其定位效率。第一个影响的因素为联机效率，这和移动通信商的服务质量及用户所在位置息息相关，是较不可控的因素。CDMA和GSM/GPRS的协定中都定义出A-GPS手机的最低运作效能标准：CDMA的标准定义在3GPP2 C.S0036-0（TIA 916），GSM/GPRS则是3GPP TS 25.171。其中CDMA要求最大的反应时间（即最长的TTFF）是在16秒之内，GSM则是20秒。目前各家的解决方案都致力于满足这项要求，以u-blox的AssistNow Online为例，它已能达到、甚至超过标准的要求，进而能提供联机质量保证的服务。
第二个因素则与下载的卫星资料内容有关，当所获得的有用资料愈多，定位的速度也就愈快。例如若能取得GPS时间（GPS Time），则可大幅缩短定位时间；这是因为卫星的移动很快（每秒移动800公尺），GPS时间有助于掌握卫星的确切位置。GPS时间又可分为粗略GPS时间（Coarse GPS time）和精确GPS时间（Precise GPS time），前者的定位时间要约30秒钟，后者只需数秒钟即可。
当支持A-GPS的终端启动时，它会同时接收来自天空中的卫星讯号，并透过用户平面（如GPRS）来连结行动网络的基地站，此基地站会透过网际网络来与取得全球参考网络资料的服务器连结；GPS终端通常会从服务器端下载包括Ephemeris、Almanac、概略位置、时间、卫星健康状态等资料，除了Ephemeris是必要的，其它资料为选择性的。这些资料并不需储存在GPS接收器或系统的存储器中，而且每次启动连结时，资料都会更新。请参考Online A-GPS的服务架构示意图。

图说：Online A-GPS服务架构示意图（资料来源：u-blox）
2. 离线式A-GPS
另一种方式是采离线方式。在使用前，GPS终端先透过行动网络或网际网络从服务器端中取得辅助资料，这些资料通常是预先推测的Almanac或Ephemeris卫星轨道资料，当它们被储存下来后，与服务器的连结就可以中断。下次GPS接收器启动时，储存的资料会被用来决定当前的轨道资料，以帮助导航定位。
在此情况下，接收器不需等到所有的资料都从卫星下载回来后，才能开始计算，它能很快的开始进行导航。辅助资料的有效性与资料供应者有关，大约可以维持十天至两周左右，但所提供位置的准确性会随著时间而下降，下载后前几天准确度最高，时间愈久准确度就愈低，因此最好能经常维持资料的更新。
卫星轨道预测的准确度也与资料供应者的专业能力密切相关。如果直接提供卫星的Almanac，由于它只提供所有卫星轨道的概略位置，与实际的卫星轨道之间存在著大约3-5公里的误差，若直接以此资料来进行定位，计算出来的位置会偏移不少。因此，专业的资料供应者会藉由天文学及重力等模式来预测及修正卫星轨道，以u-blox提出的AlmanacPlus 技术为例，可以透过差分万年历修正资料（Differential Almanac Correction Data）的作法，将卫星轨道的准确度提升到10-50公尺，如下图所示。

图说：透过AlmanacPlus差分万年历修正资料来提升轨道预测的准确度。（资料来源：u-blox）
从Offline A-GPS服务架构示意图中可以看出，具离线式A-GPS功能的行动终端透过TCP/IP的协定方式来与标准的镜射（Mirror）或代理（Proxy）服务器沟通，以取得复制到此服务器中的辅助卫星资料。此一Mirror/Proxy服务器也是透过标准的HTTP连结来与主服务器（Root server）沟通，以取得压缩过的卫星讯息资料；主服务器的资料则来自如IGS的全球参考网络。

Offline A-GPS服务架构示意图（资料来源：u-blox）
与离线式A-GPS相比，联机式A-GPS以Ephemeris来进行定位，因此可以得到较佳的准确性。不过，Ephemeris的有效性短，必须随时更新，而且容易受限于移动通信系统的联机时间及联机质量。相较之下，离线式A-GPS因不需花费时间在卫星轨道资料的下载，也不会受到基地台涵盖范围的限制，再加上在定位时不需随时保持联机，因此可省下不少联机费用，是相当便利的一项定位方案。目前市场已出现一些离线式的解决方案，其资料的有效时间大约只有5 到 10天，而以u-blox AssistNow Offline来说，除了以上述的AlmanacPlus来提供更准确的资料外，其有效时间已可以达到14天。
A-GPS终端系统规划
在行动终端的GPS次系统建置上，可视手机制造商的需求采用不同的架构：一种是采用单芯片的方式，此芯片整合了GPS的射频及基频功能，有助于设备业者降低成本及安装尺寸；另一种是采用射频与基频独立的芯片组模式，此方式让设备业者有较大的设计弹性，但系统工程师必须有能力去调整整体系统的效能，设计上的挑战性较高；还有一种是将基频功能整合到手机的应用处理器或基频芯片当中，但此种作法会占用大量的主处理器运算资源。
就联机式A-GPS来说，系统规划上必须考虑到定位运算的主体在那一端。如果是由行动终端来负责运算工作，则称为MS-based模式（MS为Mobile Station的缩写）；若由网络服务器端来进行定位运算，再送回给终端，则称为MS-assisted模式。MS-based的模式在取得网络辅助资料后，就回到独立运算的状态，运作上较为单纯，但对终端系统的运算资源要求较高。
MS-assisted则较为复杂，终端器得将接收到的卫星讯号资料传送给网络服务器，由服务器计算出结果后再将位置信息送回给终端器，此举虽能降低终端器的运算负荷，而且能进行较复杂的运算以取得更精确的位置，但对于联机质量要求甚高，因为一旦失联就会失去定位结果。
在系统架构上，主处理器和GPS接收器透过UART、SPI or I2C等标准的序列界面来进行沟通。离线模式中，从服务器端下载来的资料通常储存于非挥发性的Flash EPROM中，依算法逻辑的不同，GPS接收器与存储器沟通方式可以分为两种：一是接收器直接与Flash EPROM沟通，一是接收器透过主处理器来与存储器沟通。前者需要额外配置一颗Flash EPROM存储器，后者则只需使用主处理器的存储器即可，因此可节省设计成本与空间。此外，在行动终端上建置A-GPS方案，会希望不要对主处理器造成太大的负担。以AssistNow?方案为例，即强调将所有的运算工作都交给GPS接收器，因此不需要为CPU进行客制化的工作，建置上更为容易。

图说：GPS接收器配置专属存储器的运作架构。（资料来源：u-blox）

图说：GPS接收器透过主处理器取得储存资料的运作架构。（资料来源：u-blox）
在存储器的需求上，联机式A-GPS对于存储器容量的要求极低，以u-blox的AssistNow Online为例，每次下载的档案大小只有1-3KB；离线式A-GPS的存储器需求量也不算大，以AssistNow Offline来说，下载一天的卫星预测资料，大约只需要10KB，十四天的预测资料量则约为90KB。
具A-GPS功能的行动终端，也可以同时支持联机及离线模式。当终端器一启动时，内部的GPS接收器会自动检查在Flash EPROM中的有效卫星资料，当找不到可有效使用的Ephemeris时资料时，它就会用采用离线模式，以或修正过的Almanac资料来辅助定位运算。一旦终端器透过行动网络取得有效的Ephemeris时，系统就会利用它来取代离线资料，以取得更精确的定位结果。同样的，当Ephemeris又失效时，系统则会再切回来使用离线模式。
结论：早在一、两年前，市场上即开始预期GPS会从车用导航及PDA导航应用，进入到手机当中，不过，GPS手机的推出与市场的接受度始终慢了半拍，这和A-GPS一直受限于行动业者的建置进度有关。当行动业者以封闭性的获利心态来经营A-GPS定位服务时，就会让手机制造业者觉得绑手绑脚，一般用户也难以感受到A-GPS的使用优势。
本文提出一套开放式的A-GPS运作模式，也就是透过通用行动网络界面（SUPL）或网际网络来取得开放性的卫星辅助资料，并以弹性的联机或离线方式来实现更快的定位速度或更精确的定位，以及更可靠的定位导航质量。此套作法有助于打开A-GPS在行动终端的市场，让GPS真正成为手机的新杀手级应用。（www.u-blox.com）
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什么是"被动三角定位"?
作者：neohumil…    文章来源：F6    点击数：1080    更新时间：2006-9-1    
Enhanced 911
当前北美的定位服务开始于1996年，那里美国通信委员会通过了这个颇有争议的Enhanced 911法案，这个法案，在1999年又再次修订，要求无线运营商可以在50至100米之内定位一个手机。任何手机只要拨打美国全国紧急服务电话911，就可以找到你，即使你不知道你在哪里。同时，这能力的首次展示已经在某些地方开始了。从2002年的晚些时候开始，整个Sprint PCS网络已经具备了紧急定位的能力。其他网络，如Cingular Wireless，也成功地完成了在Wilmington的定位技术测试。
这种定位技术无需对手机作多大的修改。定位方法可能会用到来自GPS的信息，但是不会经常使用。如何正确地实施定位技术就要依靠发挥手机网络的根本作用了。在欧洲，主要的手机标准是GSM，而现在GSM也开始在美国流行。对GSM网络而言，定位技术被称为Uplink Time Difference of Arrival。这种技术依靠一种三角的形式：它至少需要三个手机基站来接收信号，然后通过这三个信号到达时间的不同来计算出位置。在基站密布的市区准确度是最高的。这种技术不需要客户购买新的手机，也不会影响网络的性能。
而CDMA网络是一个码分多址的网络，它的定位技术被称为辅助的GPS，正如名字所示，是利用卫星网络定位的。用这种方法，无线运营商或一个独立GPS数据反馈服务器发送从GPS接收器收到数据“提示”给手机，手机接收到这些信息，快速的修正自己的位置。
服务器或GPS接收器可以安装在每个手机基站上，GPS接收器也可以内置于手机中，它在野外也工作良好，因为它是接收卫星的信号，Sprint PCS，Verizon和Nextel是使用这种技术的。
在欧洲和美国的911服务类似的定位服务，已经也开展起来了。它们的服务号为112。从今年7月24日起，欧洲的运营商也被强制要求提供定位服务。这次是一个Enhanced 112法案了。
GPS简介：
由美国国防部发展出的24颗距地表20,183公里高空的卫星群,以55度等角均匀地分布在六个轨道面上,并以11小时58分的周期环绕地球运转所组成的全球卫星定位系统(Global Positioning System, GPS),在每一颗卫星上都载有位置及时间讯号,只要客户端装设GPS设备,无论何地都可接收到至少5颗卫星的讯号。如今,GPS客户端接收器体积不断缩小,价格日降,单机的接收精准度愈来愈高,使其逐渐出现在手机、PDA、笔记型计算机等信息电子产品中,未来更可望成为以上产品的标准配备之一。
卫星导航技术由来已久,至今仍未普及至一般生活中,乃是由于长期以来一直以军事用途为主。最早促成卫星导航技术发展的单位是美国与苏联,40年前美苏开始发射人造卫星,并运用其对经纬度坐标定位与导航功能,做为敌前侦测与军事通讯等用途。在卫星导航技术发展同时,美国国防部开始发展一项规划24颗导航卫星(NAVSTAR)的「全球卫星定位系统」计划。　 24颗卫星平均分布在6个轨道面,每一个轨道面上各有4颗卫星绕行地球运转，让地面使用者不论在任何地点、任何时间,至少有4颗以上的GPS卫星出现在我们上空中供使用者使用。每颗卫星都对地表发射涵盖本身载轨道面的坐标、运行时间的无线电讯号,地面的接收单位可依据这些资料做为定位、导航、地标等精密测量。
GPS定位系统是利用卫星基本三角定位原理,GPS接受装置以量测无线电信号的传输时间来量测距离。由每颗卫星的所在位置,测量每颗卫星至接受器间距离,即可算出接受器所在位置之三维空间坐标值。使用者只要利用接受装置接收到3个卫星信号,就可以定出使用者所在之位置。一般的 GPS都是利用接受装置接收到4个以上卫星信号,来定出使用者所在之位置及高度。
目前GPS接受装置定位的精度,利用差分定位(Differential)技术其精度可达到2-5公尺左右,甚至可达到更精确之定位。现在全球计有5个地面卫星监控站,负责传送卫星瞬时常数(Ephemera‘s Constant)及时脉偏差(Clock Offsets)之修正,让卫星能及时提供接收器使用者更精确之定位运用。这些地面卫星监空站,分布于瓜加林岛、科罗拉多泉、夏威夷、亚森欣岛、底亚歌加西亚等地。
GPS基本构成
迈入商用阶段的全球卫星定位系统,必须包含空中卫星、地面控制系统、使用者接收器三部份。现在已发射的24颗卫星提供两种L-Band载波:L1 (1575.42MHz)与L2(1227.60MHz)调制PRN电码。L1负责传送导航讯号,L2频率则负责传送精确的延迟讯号,供给PPS接收器使用。　 　 载波讯号分别采用三种码调制,分别为调制导航讯号的粗略撷取码(Coarse Acquisition Code),其负责取得定位讯号与定义每一个卫星基本资料,并负载次一层编码制的导航讯息,以使接收器得到更精确的定位讯号;第二个与第三个调制码则分别为P码与Y码,分别调制L1与L2频率,为军用PPS接收器锁码讯号。不易被干扰的P电码(Precise Code;10.23MHz)为军方采用;而民间使用的则为C/A电码(Coarse/Acquisition Code,1.023MHZ)。
地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对据离,大气校正等数据。其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。
SPS与PPS定位系统
GPS提供了一般用SPS(Standard Positioning System)与精密定位系统PPS(Precision Positioning System)两种定位系统。SPS是最常见的定位系统,其水平方向精确度约为30公尺,SPS需经过选择性效益(Selective Availability,SA)处理程序,就是会将卫星讯号的位置或时间资料重新处理,在加入了随机变动参数后误差会加大,因此其精确度不会高于SA的误差值。SA-SPS的精确度水平值100公尺,垂直为156公尺,时间为10亿分之340秒,适合提供现在的一般性商业应用,如汽车导航系统等。
PPS系统则采用锁码讯号,定位精确度水平值为20公尺,垂直为27.7公尺,时间为10亿分之200秒。由于PPS为销码系统,因此不会被加入SA码干扰,事实上,PPS亦仅提供给军事单位与政府使用,为确保军事安全,美国国防部更会在一般民用GPS加入SA乱码稍加干扰,以确保各项政府与军事机密的安定性。
误差控制
GPS 为一被动(Passive)系统,使用者的接收器仅能接收单向传来的讯号。由卫星至接收器之间,是依靠测量卫星发射之无线电讯号至接收器所需时间,再乘以光速所得之距离,计算出接收器所在位置的三维坐标值,前提是必须知道由卫星星历轨道资料计算出的每颗卫星位置,如此即可得知每个GPS接收器的正确位置。
由于GPS的测量必须采用二个不同的时表,因此在传送时会产生异步的时间偏差量,通常一个极小的误差值会造成实作上的极大误差。现在民间用的GPS接收器接收准确度大概仅达95%,精确度约在100公尺内,为消除误差,现在的GPS技术借着已知地点的经纬度坐标,误差率约在几十公尺左右,在现行的商业应用中,已可满足大部份需求。
此外,配合各GPS地面接收站同步接收卫星讯号的差分定位(Differential GPS,DGPS)技术,能在讯号接收后与GPS接受器反复确认,藉由此动作消除卫星讯号的误差与干扰,经过差分定位技术后,误差范围可缩小至2-5公尺,已能运用在精确的汽车导航定位系统中。
GPS的误差原因　 　从GPS的基础构成中可得知GPS的原理并不困难,基本上GPS的卫星讯号会不断传送轨道运行资料,其所载之原子钟也会不停产生精确的时间资料。而每个 GPS接收器上也有自己的时钟与无线电接收器,所以最新的资料是不断的接收。同时由于每个卫星都会产生一个不同的球状讯号,因此常连续接收到三个卫星讯号时,便会产生一个交点,此即为GPS之定位功能。
但是即使讯号再精准,GPS仍会因各种自然或干扰因素产生误差,造成GPS卫星讯号的误差原因有很多,从自然界的物理因素,到卫星之间的距离所造成之干扰,以及接数器内部误差,都有可能造成GPS产生讯号误差,此点将严重影响GPS的产品性能。
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