GPS接收器架构与设计挑战

GPS无疑为当今电子产业亮点之一，其主力产品便携式导航产品(Portable Navigation Device，PND)近年来交出极亮丽的销售佳绩。根据“资策会MIC”日前发表的最新预测报告指出，2007年全球PND市场的规模突破2600万台，较2006年成长43％，其中标准型PND市场规模将达2320万台。

GPS的设备可分为三大类，即车用GPS、便携式GPS和其它应用设备(如航空、军用等)。现在当红的PND属于车用GPS的一种，另一种则为内置型GPS系统。内置型GPS通常与CD/DVD等车用信息娱乐(Infotainment)系统整合，此类系统的价格极高，可达1000美元；相较之下，PND的价格便宜许多，而且持续在降价，大致可分为三种等级，即PND系统模块价格约199美元的入门级产品、约299美元的中端产品，以及可达399美元的高端产品。

另一类值得关注的类型则是GPS手机和GPS PDA等便携式GPS设备，这个市场的用户数又远大于车用市场，因此其成长远景相当令人期待。不过，由于其应用性与汽车导航大相径庭，强调的是个人化的移动定位增值服务，如各种位置服务(Location basedservice,LBS)，这些服务的内容及服务体系、机制都还在建立当中；此外，由于便携式GPS设备经常会走入室内使用，因此对于定位技术的要求会更为严苛。GPS接收器运作架构

这些GPS设备当中的定位核心单元即是GPS接收模块。这一模块包括被动或主动天线、RF前端、GPS引擎、处理器(通常为ARM7)、内存(ROM/RAM)和实时频率(RTF)IC等，此外还必须搭配温度补偿型振荡器(TCXO)，如果有特殊的应用需求，还得使用到外部的Flash、EPROM或SerialEEPROM等内存。接收及初步处理好的卫星数据会再通过UART、USB等接口传送给系统中的主处理器/控制器，再与地图或其它应用程序结合运算，并输出定位导航等画面到显示器上。

再进一步来看看GPS的运作架构。一般来说，GPS天线与接收器是分开设计的单元，而GPS接收器指的是包括射频(RF)与数字基带(BB)两大部分。在建置上，GPS设备的设计者可以选用分离式的芯片组作法，以获得较高的设计弹性；也可采用集成的SoC或SiP芯片，以降低采购成本及设计难度，此外，整合式芯片也具有尺寸小的优势。

在运作架构上，RF前端的功能在于将从GPS天线接收到的高频卫星信号转换为基带可读取的中、低频信号，再利用GPS基带来进行卫星信号采集(acquisition)及追踪(tracking)的工作。在GPS引擎中的主要组成为所谓的相关器(correlator)，由相关器再组成通道(channel)，而相关器与通道的数量正是决定定位效能好坏的关键所在，因此GPS芯片制造商无不致力于提升其数量，其中高端GPS接收器的相关器件数量甚至已可达一百万个，而通道数可达50个(u-blox 5)。

要看一个GPS接收器的性能，往往会比较几个条件，即首次定位时间(Time to firstfiX,TTFF)、灵敏度、功耗、尺寸、整合度等，其中又以TrFF与灵敏度最为关键。就TTFF来说，一个GPS接收器必须得知四颗卫星的位置，才能计算出接收器的位置，而要了解TTFF的接收性能，必须先知道卫星信号的基本原理。

GPS卫星信号原理

现在天空中的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信息，这些信息的接收正是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/Acode)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上所搭载的卫星信息以信框(Frame)为单位，每个信框为1500 bits，其下又分为五个子信框(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，请参考表1。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。

GPS设备的TTFF与其启动条件有关，可以分为三种情况：一是接收器本身完全无有效卫星数据的冷启动(Cold Start)；一是接收器具有有效的万年历数据、时间和起始位置，称为暖启动(Warm Start)；如果再具有更准确的广播星历数据，则称为热启动(HotStart)。

对于一个不具任何有效定位数据的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数据，才能正确地计算定位。由于卫星是以50 bit/s的速率来发射信号，因此同步收齐四颗卫星一个完整信框数据的时间，至少需要30秒(即1500bps)，其中需花18秒下载广播星历。万年历方面，由于每次更新的数据需用到25个信框来传送更新的万年历数据，因此要完整的下载，需要用掉12.5分钟。

因此，冷启动与热启动的定位时间相差甚大，前者所需时间至少需要18～36秒，接收过程中如果出现了任何干扰而导致信号中断，那就得重新再接收一次。相较之下，如果在GPS设备的内存中已有完整且有效的广播星历资料，只要确认目前在头顶上的四颗卫星，即可立即进行定位计算，定位动作甚至在1秒之内就可完成。

以A－GPS加速定位

要加速TTFF的定位速度，最好的方式即是以辅助模式来提供各种星历数据，这正是所谓的辅助式GPS(Assisted GPS,A-GPS)。A-GPS的运作架构上又可以分为两大模式，一是由电信运营商来提供辅助信息的模式，一是由设备制造商所提供的辅助模式。运营商的A-GPS架构又可分为为控制平面(Control plane)和用户平面(User plane)两种作法，这类的模式能够提供质量稳定、实时且准确的辅助信息，但建置成本极高，而且用户必须负担额外的联机或服务成本。

为了打破运营商的控制，有些GPS设备或芯片公司(如u-blox或已被Broadcom并购的Global Locate)已开始提供免费的辅助数据。Global Locate公司提出LTO(Long-TermOrbit)it术，能将广播星历数据的有效时间延长到2～10天；u-blox也提出AlmanacPlus技 术，它可使用十天至两周左右，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数据的更新。

在A-GPS的架构中，会由GPS全球参考网络(Worldwide Reference Network，WWRN)所建置的基站来监控卫星的移动，并持续将观测到的数据传送给网络中的中央服务器，通过此服务器来计算预测卫星未来的移动位置等数据，这些辅助数据会再传送给通信网路中的A-GPS服务器。当具A-GPS功能的终端器寻求辅助数据时，就能通过GSM、GPRS、CDMA或UMTS等移动通信网路来实时传送，称为联机式的A-GPS。另一种方式是让用户以离线的方式预先下载这些辅助数据，该用户可在他方便的时间通过因特网或移动网络来进行下载。

GPS接收器设计挑战

今日的GPS市场竞争愈来愈激烈，为了实现市场区别，GPS设备有必要发展出应对策略。就一般性PND的市场来说，由于独立型设备的定位技术已发展到可接受的程度，因此未来有几种走向，一是朝更多附加功能发展，例如整合Wi-Fi、蓝牙(BT)及UWB等无线功能，以及AM/FM收音机、移动电视、视信输入(video in)等AV影音功能，也可导入硬盘(HDD)、触控面板及外部喇叭输出等功能。SiRF并购(Centralit)，的原因，正是希望发展出属于自己的一套整合应用平台。

另一个走向则是往更高功能发展，例如提供能够更快定位的A-GPS功能与服务、提升定位追踪的灵敏度，或是加入MEMS运动传感器，为汽车提供不中断的定位功能。在PND或内装式GPS中导入三轴加速度计和陀螺仪(Gyroscope)或磁罗盘等MEMS组件，就能够在GPS信号不良时进行替代性的方位推估工作。

其原理是通过三轴加速度计所提供的加速度及运动方向变化，以及陀螺仪的转向测量，来计算出车辆位移上的改变，并继续在地图上显示导航的功能。在短距离内，DR系统所提供的数据比GPS的信号来得准确，不过，当时间增加时，误差累积效应会愈来愈大，导航的精确度就会大幅下降。

还有一个重要的发展趋势，就是软件式GPS的开发。所谓软件式GPS是运用GPU或手机的基带/应用处理器和GPS软件来取代今日的GPS基带功能，这对于PND来说可以省下约5美元的系统成本。除了降低成本外，软件式的GPS接收器方案还有助于缩小设计尺寸及提升设计弹性，让产品能随着新功能、新规格的演进而进行升级。不过，软件式GPS仍得克服性能不佳、整合不易，而且会占用极大的处理器资源等设计难题。