GPS和全球导航卫星系统七项关键技术的历程及发展

目前，7种关键技术使GPS进入世界各地的手机，本文详述了这些技术的进入过程以及对未来10年有什么影响。

十年前的E911法案启动了消费型GPS第一个成功的里程碑，自此以后，GPS接收器的灵敏度进步了几乎千倍以上，超过九成（五亿支） 以上的手机已搭配GPS 功能并以主机式GPS（Host-based GPS）为标准。联邦传播委员会（FCC）及美国国会在1999年通过了E911法案，此法案规定当手机使用者拨打911紧急电话时，手机可自动提供通话位置信息。原本，辅助定位系统（A-GPS）只用于移动电话网络与GPS时间同步的时间校对，且主要是用在CDMA的电信网络。而全球最大的电信网络GSM和3G并不与GPS时间同步。所以在早期，一般认为非GPS技术（如现在已被淘汰的增强观测时差E-OTD等技术）会在E911法案中胜出的。然而，正如我们现在所知道的，GPS和全球导航卫星系统（GNSS）成了手机定位系统的大赢家。E911法案是GPS在美国发展的主要动力，并且间接促进了全球GPS的发展。这要归功于以下我所要谈论的七项关键技术，它们使GPS技术在过去多年来逐渐成熟。

关键技术一：辅助定位系统（A-GPS）

关于A-GPS有三件值得记住的事：“更快、更长、更高”。透过奥林匹克运动会的名言“更快、更强、更高”，你就可以记得住了。

A-GPS最显著的特征，是它使用卫星轨道资料传送替代了原有基站传送相同（或等量）的轨道数据，所以A-GPS接收速度更快。在过去，接收器必须在二维代码/频率空间中，搜索每一个GPS卫星信号。而辅助数据缩减了搜索范围，让装置可以用更长的时间来做信号整合，换句话说，就是敏感度更高了 （见图1）。就是我们说的更长，更高。

现在，我们更进一步来看看代码/频率搜索，并介绍精确校时、粗略校时以及大规模平行关联器等概念。任何辅助数据都可以减少频率搜索次数，频率搜索的概念就是如同你转动车上的收音机旋钮，寻找电台位置。只不过由于卫星移动，会产生不同的GPS频率，也就是多普勒效应。如果你可以预先知道卫星是如何设置的，就可以缩小频率搜寻的范围。

代码延迟（code-delay）就更加敏锐了。C/A 代码的重复周期是1ms，所以如果可以在获得卫星信号之前，就知道比1ms更精确的GPS时间，便可以缩小代码延迟搜索区域，这就是我们所说的“精确校时”。

CDMA通信网络是和GPS的时间同步，而最普遍的通信网络（GSM及目前的3G）则不然。后者与GPS时间有±2秒的误差，我们称之为粗略校时。在最初，只有精确校时的网络可以应用A-GPS，但后来局势改观是因为我们有了关键技术二、关键技术三，那就是大量平行关联器和高灵敏度。

关键技术二、三：大量平行关联器和高敏感度

传统的GPS中，每个频道只有两到三个关联器。他们会搜索代码延迟空间直到可搜索到信号，然后用一组关联器追踪峰值的前端，和用另一组追踪峰值的后端，所以他们被称为“前后关联器”。

大量平行关联器是指，有足够数量的关联器同时在多个频道中，对所有的C/A代码延迟进行搜索。就硬件而言，这意味着有上万个关联器在运作。大量平行关联器的好处是，所有的代码延迟搜索都是平行运作，因此接收器可以用更长的时间来整合信号，即使没有精确对时也无所谓。所以现在接收器可以更快、更长、更高，也就是更高的灵敏度，这不限于我们在何种电信网络中执行A-GPS。在最初，我们认为室内GPS定位会受限于高灵敏度，但发觉使用体积更小、更便宜天线的实际成果却也不差。虽然小而便宜的天线会降低性能表现（我们稍后也会

提到），但是它们已被配备在所有的智能型手机上，且被手机厂接受去执行有关A-GPS的功能。

关键技术四：粗略时间导航

我们已经了解，A-GPS辅助不再受限于根据解码轨道数据（所以可以更快），并可以透过大量平行关联器使用粗略对时（所以可以更长的时间做信号整合及提高灵敏度）。然而，要测量精确初估的距离（pseudorange），并计算行进时间，还是需要花时间对卫星所传送的星期时间（Time of Week， TOW）译码，译码后来取得位置进一步可执行导航。粗略校时导航就是要解决一些卫星的TOW问题，而不是直接解码。其关键的技术是依靠在标准导航中的方程式中加入额外状态资料;并于著名的视线矩阵（line-of-sight matrix）中加入相对应的栏位来解决TOW问题。

这个技术的成果就是，你定位所需要的时间，会比解读卫星的星期时间（TOW）（例如一秒、两秒或三秒）还要更快;或是在卫星信号微弱状态下无法解读卫星的星期时间（TOW）时，仍然可以进行实际上的定位。因为你可以有更快的首次定位时间 （FF），无需频繁唤醒接收器来维持热启动状态，因此可延长电池寿命。

关键技术五：时间短TOW

另一个和粗略时间导航技术相提并论的是时间短的卫星TOW解码，也就是降低解读卫星的TOW数据的门坎标准。在1999年，卫星接收的信号强度可让接收器解读卫星的TOW最低标准可达到-142dBm。这是因为当我们在整合信号以20ms为间隔时，可以侦测到-142dBm信号数据位中强度。然而，解读卫星的TOW的技术不断演进，现在最低可接受强度已经降低到-152dBm。

关键技术六、七：主机式全球定位系统（Host-based GPS），RF-CMOS

从传统的系统单芯片（SoC）架构出发，我们就可以清楚地认识主机式架构（Host-based）。SoC GPS通常是单一封装，但封装中包含了三个独立的组件，有三个硅芯片被包在一起：基带（baseband）模块，包含中央处理器 （CPU）;分开的无线调频器（RF）以及一个闪存。如果要降低成本，不使用闪存情况下，唯一的方法是改用只读存储器（ROM），它可以包含在基带模块中。然而这也意味着，你将无法可随时更新接收器的软件，来使用我们刚刚讨论

的最新发展技术。

相对而言，主机式架构不需要在GPS芯片中有CPU功能。其主因是在智能型手机以及其他含有GPS产品上，其既有的CPU和闪存都能额外提供GPS运算时所需的低功耗。同时， RF-CMOS技术可以让无线调频器和基带同在单一GPS芯片中。此为主机式架构 GPS 特质和优势。

这一切的结果代表着芯片价格大幅降低，但性能依旧可以维持。

现在已达到我们预期的目标了吗？

A-GPS 技术已经引领我们大步向前。 “从技术水平和消费者市场层面上我们是否已经达到预期的目标了吗？”

一般认为，体积小而便宜的天线会影响质量的表现，但是我要说，一个成本低于4 美元的单一 GPS 芯片，性能超过一个成本19，000 美元的接收器。这听起来简直是自相矛盾，甚至不可思议。但是我们可从首次定位时间、灵敏度和城市精确度（Urban Accuracy）的数据来证实这点。

另一个芯片革命的观点是，我们已经达到GPS 单系统技术开发的高点，难以再往上。然而，还有许多有待解决的问题，特别是城市信号屏障以及室内使用方面。但是这些问题绝不会是由GPS（或是其它个别的系统）可以独自解决的。所以我们可以把下个十年视为“GPS 增值”，单一GPS 的时代很快就会成为昨日黄花。这也不能被解读为GPS 的失败，甚至正好相反。这是因为GPS 单一系统运作得十分好，以至于在过去多年移动电话内附GPS 的销售总量已达5 亿支，基于此销售基础，我们可以大胆将GPS 推展到卫星导航从未涉足过的领域—是因为我们已开始尝试突破单一GPS 的表现瓶颈。

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