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发表于 2009-2-21 22:40:06
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A-GPS定位效能再升级
新通讯 2008 年 8 月号 90 期
文．蔡金源
全球卫星定位系统(GPS)的应用愈来愈普及，如个人导航装置(PND)就已是3C卖场中的热门产品，而愈来愈多手机也开始将GPS功能纳入其中，希望能提供个人用户多样的定位服务(Location-based Service, LBS)。不过，为了提供更好的使用经验，今日的GPS设备仍得在缩短首次定位时间(TTFF)、准确性(Accuracy)和灵敏度(Sensitivity)上下功夫。其中，辅助式GPS(Assisted GPS, A-GPS)，即是在此一市场诉求下而备受重视。
A-GPS最早的发展背景是来自于美国联邦通讯传播委员会(FCC)所制定的E911政策，要求美国境内手机均须具备立即寻址功能，以在紧急时刻发挥定位寻人的用途。A-GPS是可协助达成此目标的技术之一，其它技术还包括微细胞识别码(Cell-ID)、时差抵达(Time Difference of Arrival, TDoA)、加强观察时间差(Enhanced Observed Time Difference, E-OTD)、角度到达时间(Angle of Arrival, AOA)及混合式的技术等。然而，随着GPS走向消费性，加上A-GPS又有助缩短TTFF，因而从政策驱动转变为市场驱动的明星技术。
A-GPS大幅缩短TTFF 准确卫星时间扮要角
要建置A-GPS技术，必须先从卫星讯号接收的基本原理开始认识。在没有辅助讯号的自主定位(Autonomous Positioning)模式下，GPS接收器必须从天空中完整接收到四颗以上的卫星讯号，才能顺利解出终端用户所在的三度空间位置。这个过程包括三个阶段：卫星搜寻(Acquisition)与讯号下载、追踪(Tracking)和导航(Navigation)，又以第一阶段最耗时间。
在前面几期新通讯组件杂志专栏中已经介绍过卫星讯号的组成，在此就不再赘述。卫星讯号的每个讯框，提供卫星的星期时间(Time of Week, TOW)、广播星历(Broadcast Ephemeris)、电离层参数及万年历(Almanac)等数据，这些数据的取得决定了定位所需的时间与准确性。其中广播星历为个别卫星本身的精确轨道位置，每小时更新一次，每次更新有效性约4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，每天更新一次，有效时间可达数周。
要完成定位，关键数据是卫星讯框中的前三个子讯框，即广播星历和星期时间、时间改正系数等，完整下载至少需要18秒钟。然而，当用户处于建筑物林立的街道中、骑楼下，甚至是室内环境中，由于讯号接收条件差，只要有一些讯号未被完整的下载，就得再重复30秒的讯框下载。卫星讯息组成及接收所需时间请参考图1。
图1 卫星讯息组成及接收所需时间
A-GPS是透过其它网络来实时或预先提供这些卫星数据，以加速定位计算时间。欲求得GPS用户的位置，必须量测出四颗卫星与终端器之距离，这可以从讯号传输时间乘以光速来求得，而传输时间就必须计算TOW。卫星导航定位系统测距的基础是测时，而定轨和定位的前提是各观测量的时间同步(Time Synchronization)，故时间同步正是卫星导航定位的关键。
因此，虽然同样是A-GPS，但提供准确卫星时间(Precise GPS Time)或粗略卫星时间(Coarse GPS Time)，对定位速度影响差异甚大(图2)。当GPS接收器预先获得广播星历和同步准确性小于400微秒的准确GPS时间，此时将可得到最佳定位速度，如冷启动TTFF只需4秒。这是因为两项数据让待搜寻频率和讯号延迟窗口(Window of Code Delay)范围变小；此外，准确的GPS时间能够用来计算卫星位置，而且可跳过对TOW的求解。
图2 透过辅助数据有助于加速定位，额外的同步讯号能进一步缩短定位时间。
相较之下，在A-GPS模式下若只能获得粗略卫星时间，定位时间会大幅拉长，如同步准确性若小于8毫秒，还须要进行位同步(Bit Sync)，冷启动的TTFF约需12秒；如果同步准确性大于8毫秒，会同时须要进行位同步和讯框同步(Frame Sync)，TTFF约需24秒以上。
一旦卫星时间不够准确，就无法有效预估讯号延迟窗口，若要达到与具有准确时间相同的表现，将需要500倍的搜寻资源。此外，因为卫星速度达每秒800公里，太快的速度也无法求得精确的卫星位置，将和自主式模式一样必须求解TOW，这会造成定位时间拉长至6秒，在弱讯号下更无法译码。虽然还有另一个方式是求解卫星时间，不过这需要多一颗卫星的数据，也就是五颗卫星才能进行定位。 在了解A-GPS的原理与优势后，接着来谈谈A-GPS的建置方法。要取得卫星定位辅助数据有两种方式，一是实时性的透过GSM、GPRS、CDMA或UMTS等行动通讯系统来取得，也就是联机式A-GPS(Online A-GPS)；另一种是采离线(Offline)，也就是依使用者的方便，透过行动网络或直接由因特网预先下载卫星数据，当需要时就能做为辅助定位之用。
联机式A-GPS提供实时信息
由于卫星的轨道数据会定时更新，因此理想上最好能够实时获得最新的辅助数据，这就得采用联机式A-GPS模式。不过，既然是联机方式，其获取数据的速度就会受到行动网络速率的影响，这是较不可控的因素。CDMA和GSM/GPRS的协议中都定义出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。
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，并从行动网络的基地台获取辅助数据，这些数据并不储存在GPS接收器或系统的内存中，而且每次启动连结时，数据都会更新。在终端与基地台的连结接口上，A-GPS的发展可分为政策导向和市场导向，其中政策导向的语音紧急服务因需要高可靠性的定位功能，因此产生了控制平面(Control Plane)架构；市场导向的LBS或导航应用，强调透过无线数据传输来达成的定位应用服务，因此产生了用户平面(User Plane)架构。
控制平面和用户平面的差异在于，前者是专为紧急救援而设计，目的是要让手机能提供随时随地的定位功能，因而不允许其它应用优先于此需求，例如为了强化GPS接收器的灵敏度而优先进行户外的定位；相较之下，用户平面被使用在非紧急的应用上，其目的是要缩短TTFF的时间及提升定位的准确性。进一步解释如下：
‧ 控制平面
A-GPS只是定位技术之控制平面标准的一种，其它还包括基于CDMA通讯技术的进阶前向链路三角定位(Advanced Forward Link Trilateration, AFLT)、WCDMA的观察到达时间差(Observed Time Difference of Arrival, OTDOA)和GSM的强化到达时间差(E-OTD)等。因此，控制平面中的终端设备(Mobile Station, MS)可以是本身具有GPS接收器的手机，也可以是普通手机；通讯架构中各个单元的功能基本上维持不变，但为了支持位置服务，必须新增网关服务器(Gateway Server)、定位服务器(Positioning Server)和定位业务(Location Services, LCS)终端。控制平面标准与架构定义如表1。
表1 控制平面标准与架构定义
空中界面 定位技术 定位服务器 网关服务器
CDMA(IS-95) IS-801 PDSS PDE MPC
WCDMA TS 25.331 RRC
(Radio Resource Control) SAS GMLC
GSM TS 04.31 RRLP
(Radio Resource LCS Protocol) SMLC GMLC
不同行动系统针对定位辅助功能定义出不同的接口规格，其中GSM/GPRS是无线资源定位协议(RRLP)，UMTS/WCDMA是无线资源控制(RRC)，CDMA则是IS-801A。除了接口规格不同外，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。目前美国的CDMA系统已使用于E911，而GSM业者在进行3G建置时也开始加入相关架构。
‧ 用户平面
用户平面主要以TCP/IP做为数据传送方式，目前包括CDMA、3GPP2和OMA都制定出用户平面的标准，其中OMA制定的安全用户平面地址(Secure User Plane Location, SUPL)获得业者普遍的支持。用户平面标准与架构定义如表2。SUPL透过将RRC、RRLP等讯息包裹为一致性的规格后再发送出去。其定位的运算通常也在客户端(MS-based)，能减少网络成本及维护管理上的需求；若是主要运算端为网络服务器，则称为MS-assisted。
表2 用户平面标准与架构定义
组织 User Plane标准 定位技术标准 定位服务器 网关服务器
CDMA V1/V2(CDG) IS-801 PDSS PDE MPC
3GPP2(CDMA-2000) X.S0024 IS-801 PDSS PDE PS
OMA SUPL IS-801 PDSS
TS 04.31 RRLP
TS 25.331 RRC SPC SLC
在建置上，用户平面较控制平面来得容易施行，用户平面提供的位置服务相关讯号包括定位等级(Positioning Level)和服务等级(Service Level)两类，它使用控制平面定位技术的相关协议，基本上功能相当，差别在于以TCP/IP的方式传送，而优势在于通用性高，系统建置成本较低，也不必受到GSM、CDMA、WCDMA不同系统的限制，因此有助于A-GPS在手机等行动设备中的推行。
离线式A-GPS不受服务质量影响联机效率
由于联机式容易因行动通讯商的服务质量及用户所在位置而影响联机效率，而且会受限于行动通讯商的管理，因此发展出离线模式。采用离线式A-GPS，用户只须在外出定位前，先透过行动网络或因特网从服务器端中取得辅助数据，下载后即可中断联机。当启动GPS功能，这些数据就会用来协助定位，同样能加速定位所需的时间。离线式A-GPS服务架构如图3。
图3 离线式A-GPS服务架构示意图
由于离线式所提供的辅助数据必须具有较长的有效性，因此数据提供者得具备专业的卫星轨道预测能力，如藉由天文学及重力等模式来预测及修正卫星轨道。有能力提供离线式服务的供货商并不多，不过目前已有业者可以透过差分万年历修正数据(Differential Almanac Correction Data)的作法，将卫星轨道的准确度从3～5公里提升到10～50公尺(图4)。
图4 透过差分万年历修正数据来提升轨道预测的准确度
采用离线式A-GPS，能省下卫星轨道数据的下载时间，而且加上定位时毋须随时保持联机，因此可省下不少联机费用。目前已有业者能提供达14天的有效时间，让用户下载使用。不过，由于辅助数据的准确性会随着时间而下降，因此最好能经常维持数据的更新。相较于透过SUPL等联机式A-GPS等复杂的方案，用户若能免费利用网络来获得卫星辅助数据，将能大幅降低A-GPS系统建置的门坎，有助于推广A-GPS的应用。
联机/离线可并行 A-GPS效能加倍
具备GPS功能的终端设备要支持A-GPS并不困难，若要采用联机式，则须考虑是采用MS-based或MS-assisted模式，也就是定位运算的主体在终端或伺服端。MS-based较为单纯，在取得网络辅助数据后，就回到独立运算的状态，但对终端系统的运算资源要求较高；MS-assisted则较为复杂，终端器将接收到的卫星讯号数据传送给网络服务器，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，一旦在过程中失联就会失去定位结果。
在内存需求方面，联机式只需一些实时的数据，对于内存容量的要求极低，每次下载的档案大小只有1～3KB；离线式的内存需求量也不大，下载1天的卫星预测数据，大约只需要10KB，14天的预测数据量则约为90KB。这些数据通常储存于非挥发性的快闪可擦除可程序只读存储器(Flash EPROM)中，而依系统架构的不同，有的GPS接收器会配置内存，可以直接沟通；另一种架构则是使用主处理器的内存来储存，可节省内存的成本与占用空间(图5)。
图5 GPS接收器透过主处理器取得储存资料的运作架构
值得一提的是，联机式或离线式并非二选一的方案，两者其实可以互补。其作法上能以联机式为优先，也就是当终端器能与网络顺畅的联机时，即采用联机式来取得最佳化的定位服务，当联机质量下滑时，就转为离线方式；也可以离线方式为优先来降低联机费，即当内存中的卫星数据过时了，才转为实时联机方式，并可同步再下载新的卫星数据。
对于GPS市场的既有业者来说，手机开始内建GPS功能无疑是一大利多，这意味着整个市场将大幅扩展开来。不过，手机的GPS应用与PND大为不同，诉求目标已从车载导航转移到个人用途，因此须要在更多样的使用环境下获得快速的定位服务，而A-GPS就成了不可或缺的一项实现技术。
(本文作者任职于u-blox) |
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