http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=133&zNo 蔡金源／u-blox台湾分公司产品应用工程师 前言： 行动用户时常处於建筑物林立的街道中、骑楼下，甚至是室内的环境中，由於这些 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，接着才能 进行定位计算。对於随身导航应用来说，自主定位在开机後的第一次定位时间（Time to first fix, TTFF）实在太长，而且行动用户时常处於建筑物林立的街道中、骑楼下，甚至 是室内的环境中，由於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，透过另一套网路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於卫星轨 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。 图 对於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。由於卫星是以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，由於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 对於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，由於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全球参考网路、发布辅助资料的中央伺服器，以及具A-GPS功能的接 收器所组成。GPS全球参考网路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伺服器，此伺服器会依据这些资 料来预测卫星未来的移动轨迹。IGS（International GNNS-Service）即是这样的一个网路 ，它在全球持续地运作着。 GPS接收器的运作程序，第一步是搜寻卫星讯号、再接收广播星历，接着才能定位与追踪。 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 行动通讯系统来取得，也就是连线式的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，透过行动网路或直接由网际网路预先下载卫 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 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. 连线式A-GPS 一个具连线式A-GPS功能的终端器，可以由两种介面来与行动网路沟通，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 功能所定义的介面规格，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA则是IS-801A。除了介面 规格不同外，不同的系统服务商往往会建立属於自己的控制平面运作系统，此举虽然能保 证较佳的服务品质，但建置成本极高，用户也得受限於系统服务商。 另一种介面系统为用户平面，它使用的是由OMA组织所定义的一套通用介面规格，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後再发 送出去，与TCP/IP的架构极为接近。由於其通用性高，系统建置成本较低，因此有助於 A-GPS在手机等行动设备中的推行。 采用连线式A-GPS，不同的作法会影响其定位效率。第一个影响的因素为连线效率，这和行 动通讯商的服务品质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於满足这项要求， 以u-blox的AssistNow Online为例，它已能达到、甚至超过标准的要求，进而能提供连线 品质保证的服务。 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时间有助於掌握卫星的确切位置。GPS时间又可分为粗略GP S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，後者只需数秒钟即可。 当支援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）来连结行动网路的基地站，此基地站会透过网际网路来与取得全球参考网路资 料的伺服器连结；GPS终端通常会从伺服器端下载包括Ephemeris、Almanac、概略位置、时 间、卫星健康状态等资料，除了Ephemeris是必要的，其他资料为选择性的。这些资料并不 需储存在GPS接收器或系统的记忆体中，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终端先透过行动网路或网际网路从伺服器端 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 被储存下来後，与伺服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後，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着时间而下降，下载後前几天准确度最高，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 ，由於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着大约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）伺服器沟通，以取得复制到此伺服器 中的辅助卫星资料。此一Mirror/Proxy伺服器也是透过标准的HTTP连结来与主伺服器 （Root server）沟通，以取得压缩过的卫星讯息资料；主伺服器的资料则来自如IGS的全 球参考网路。 图 与离线式A-GPS相比，连线式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，而且容易受限於行动通讯系统的连线时间及 连线品质。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连线，因此可省下不少连线费用，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：一种是采用单晶 片的方式，此晶片整合了GPS的射频及基频功能，有助於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晶片组模式，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晶片当中，但此种作法会占用大量的主处理器运算资源。 就连线式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）；若由网路伺服器 端来进行定位运算，再送回给终端，则称为MS-assisted模式。MS-based的模式在取得网路 辅助资料後，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路伺服器，由伺服器 计算出结果後再将位置资讯送回给终端器，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，但对於连线品质要求甚高，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等标准的序列介面来进行沟通 。离线模式中，从伺服器端下载来的资料通常储存於非挥发性的Flash EPROM中，依演算法 逻辑的不同，GPS接收器与记忆体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记忆体沟通。前者需要额外配置一颗Flash EPROM记忆 体，後者则只需使用主处理器的记忆体即可，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 图 在记忆体的需求上，连线式A-GPS对於记忆体容量的要求极低，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的记忆体需求量也不算大，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，也可以同时支援连线及离线模式。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 器透过行动网路取得有效的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一直受限於行动业 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路介面（SUPL）或网际网路 来取得开放性的卫星辅助资料，并以弹性的连线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品质。此套作法有助於打开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） ------- 跟大家分享一下新闻(不知道有没有OP，有的话请板大砍掉八XD)，所以拿AGPS跟GPS比是 不太洽当的；本质上就有优势。 另外就是9100在mobile现在有一个程式可以让gps定位比较快，我想应该就是在网路上先 下载了一些定位的资料。 --

※ 发信站: 批踢踢实业坊(ptt.cc) ◆ From: 140.112.20.33 ※ 编辑: cellsT 来自: 140.112.20.33 (09/21 15:20)