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u-blox公司A-GPS解决方案简介
Service,
LBS），也就是从定位功能延伸出附近餐厅、景点、出租/公交车路线等增值服务。不仅如此，美国E911法案更要求每台手机中要具备GPS的功能，以求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，必须要在信号条件好的开放天空中接收到四颗以上的卫星信号，并且，此设备的GPS接收机还得将这些GPS卫星轨道信息数据完整收齐，接着才能进行定位计算。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，而且用户时常处于建筑物林立的街道中，高架桥下，甚至是室内的环境中，由于这些地方的信号接收条件很差，用户往往得长时间才能等到第一次定位，而且还不一定能够成功。在此情况下，通过另一套网络来取得卫星信息的辅助定位方式，也就是A-GPS（即Aiding
GPS），已成为GPS发展上的一个必然趋势。由此，瑞士u-blox公司在A-GPS方面特别推出两种不同形式的解决方案，以帮助用户缩短TTFF时间，快速实现定位。
GPS卫星信息组成
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信息的组成，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、俄罗斯在建中的GLONASS系统，以及欧盟在建中的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码（C/A
code）及P码，一般我们用得到的是L1及C/A电码，L2及P码则为美?军方在使用。
在L1上所搭载的卫星信息以帧（Frame）为单位，每个帧为1500
bits，其下又分为五个子帧（Sub-Frame），它的内容包括星历（Ephemeris）数据、电离层参数及年历（Almanac）等，请参考表一。其中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；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。
表1：卫星信息中每帧的组成内容。
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分别的星历及卫星时间数据，才能正确的计算定位。由于卫星是以50
bit/s(bps)的速率来发射信号，因此同步收齐四颗卫星一个完整星历数据的时间，至少需要18秒，年历方面，由于每次更新的数据需用到25帧来传送更新的年历数据，因此要完整的下载，需要用掉12.5分钟。
图1：卫星信息组成及接收所需时间。
对于GPS终端来说，启动开机时本身是否具有有效的卫星信息，将决定它第一次定位的速度。GPS的启动分为三种类型，冷启动（Cold
Start）、温启动（Warm Start）和热启动（Hot Start）。
1.
冷启动：如果GPS接收机是在完全无任何数据的状况下启动，称为冷启动，如上图所示，如果信号比较好的情况下，接收信号不被中断，最少需要18秒可以下载完星历，如果出现最坏的情况，刚好错过了第一个子帧的第一个比特，则需要在下一个周期重新下载该子帧，这样一共需要36秒才能下载完星历，下载完星历数据，GPS接收机便可以计算出定位数据了；不过，由于星历子帧的下载不能间断，如果因信号微弱而一时中断的话，就得从头再接收该子帧，这就得耗费更长的时间下载星历，也就要更长的时间才能定位。
2.
温启动：GPS接收机在只有有效的年历数据，并且从上次定位之后没有发生大距离移动的时候的启动称为温启动。比较典型的例子是：接收机关机超过两个小时，但仍然保留上次的位置、时间和年历数据，这允许接收机预测当前可见的卫星的位置，比较容易捕获到卫星。不过，此时如果GPS接收机需要计算定位信息，它仍需要如冷启动一样下载四颗以上卫星完整的星历数据。
3.
热启动：GPS接收机启动时仍然拥有有效的星历和年历数据的启动称为热启动。比较典型的例子是：接收机关机不超过两个小时，并且这段时间内接收机的内部时钟一直保持工作状态。在热启动时，接收机同样可以预测卫星的位置，能够快速捕获并跟踪卫星信号，由于已经有有效的星历数据，因此没有必要如冷启动和温启动一样重新下载星历数据，从而可以快速定位。
从上面的描述可以看到，如果是在冷启动或者温启动状况下，接收机需要从卫星上下载星历数据，在信号不好的情况下，可能要等待数十秒甚至数分钟之久，那么有没有其他的办法可以解决这个问题呢？当然有！u-blox公司的两种不同的A-GPS技术，都可以省掉较长的从卫星上下载数据的时间。A-GPS是指通过其他的途径获取星历等辅助数据的技术，有了A-GPS，GPS接收机不需完整下载四颗以上的卫星的星历数据，能够在捕获到卫星信号之后立即定位。
A-GPS服务
一般的A-GPS系统由GPS全球参考网络、发布辅助数据的根服务器，以及具A-GPS功能的接收机所组成。GPS全球参考网络必须建立覆盖广泛的监控站，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数据传送给高效能的根服务器，此服务器会依据这些数据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，它在全球持续地运转着。
GPS接收机的运行程序，第一步是搜寻卫星信号、再接收星历，接着才能定位与跟踪。如果能预先取得卫星信息，或以更快的速度来下载星历，那就能加速定位的速度，请参考(图二)。最对这种情况，u-blox公司提出了两种不同的A-GPS方案获得辅助数据，一是实时性的通过GSM、GPRS、CDMA或UMTS等移动通信系统来取得，也就是在线A-GPS方式（AssistNow
Online）；另一种是采用离线A-GPS方式（AssistNow
offline），也就是依使用者的方便，通过移动网络或直接由因特网预先下载卫星数据，当需要时就能起到辅助定位的作用。以下将介绍这两种方式的特性及差异所在。
图2：冷启动时，具有星历或差分年历修正数据的终端能快速的定位。
1. 在线A-GPS （AssistNow Online）
一种方式是在线方式，u-blox公司的在线方式的品牌为AssistNow online。
一个具有在线A-GPS功能的终端，可以由两种接口来与移动网络通信，一是控制平台（Control plane），一是用户平台（User
plane）。前者是不同移动系统针对定位辅助功能所定义的接口规范，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是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台运作系统，此举虽然能保证较佳的服务质量，但建设成本较高，用户也得受限于系统服务商。
另一种接口系统为用户平台，它使用的是由OMA组织所定义的一套通用接口规范，称为SUPL（Secure User Plane
Location）。它通过将RRC、RRLP等信息打包为一致性的规范后再发送出去，与TCP/IP的架构极为接近。由于其通用性高，系统建设成本较低，因此有助于A-GPS在手机等移动设备中的推广。
采用在线A-GPS，不同的方法会影响其定位效率。第一个影响的因素为连网速度，这和移动运营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的协议中都定义出A-GPS手机的最低运行效果标准：CDMA的标准定义在3GPP2
C.S0036-0（TIA 916），GSM/GPRS则是3GPP TS
25.171。其中CDMA要求最大的启动时间（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，它能够超过标准的要求，进而能提供优质的在线服务。
第二个因素则与下载的卫星数据内容有关，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米），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信号，并通过用户平台（如GPRS）来连接移动网络的基站，此基站会通过因特网来与取得全球参考网络数据的服务器连接；GPS终端通常会从服务器端下载包括星历、年历、粗略位置、时间、卫星健康状态等数据，除了星历是必要的，其它数据为选择性的。这些数据并不需储存在GPS接收机或系统的内存中，而且每次启动连接时，数据都会更新。Online
A-GPS的服务架构请参考(图三)。
图3：Online A-GPS服务架构示意图。
2. 离线式A-GPS （AssistNow Offline）
另一种方式是离线方式, u-blox公司的离线方式的品牌为AssistNow
offline，u-blox公司拥有这项技术的专利所有权。在使用前，GPS终端先通过移动网络或因特网从服务器端中取得辅助数据，这些数据通常是预先推测的年历或星历卫星轨道数据，当它们被储存下来后，与服务器的连接就可以中断。下次GPS接收机启动时，储存的数据会被用来推算当前的轨道数据，以帮助导航定位。
在此情况下，接收机不需等到所有的数据都从卫星下载回来后才开始计算，它能很快的开始进行导航。辅助数据的有效性与数据提供者有关，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。
卫星轨道预测的准确度也与资料提供者的专业能力密切相关。如果直接提供卫星的年历，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着大约3-5公里的误差，若直接以此数据来进行定位，计算出来的位置会偏移不少。因此，专业的数据供应者会借由天文学及重力等模式来预测及修正卫星轨道，u-blox公司提出的AlmanacPlus技术，可以通过差分年历修正数据（Differential
Almanac Correction Data）的做法，将卫星轨道的准确度提升到10-50米，请参考(图4)。
图4：通过AlmanacPlus差分年历修正数据来提升轨道预测的准确度。
从(图5)中可以看出，具有离线式A-GPS功能的移动终端通过TCP/IP的协议方式来与标准的镜像（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数据。此Mirror/Proxy服务器也是通过标准的HTTP协议来与根服务器（Root
server）通信，以取得压缩过的卫星信息数据；根服务器的数据则来自如IGS的全球参考网络。
图5：Offline A-GPS服务架构示意图。
与离线式A-GPS相比，在线A-GPS以当前星历来进行定位，因此可以得到较佳的准确性。不过，星历的有效性短，必须随时更新，而且容易受限于移动通信系统的连网时间及连网质量。相较之下，离线式A-GPS因不需花费时间在卫星轨道数据的下载，也不会受到基站涵盖范围的限制，再加上在定位时不需随时保持联机，因此可省下不少上网费用，是相当便捷的一种定位方案。u-blox公司的AssistNow
Offline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，而目前市场上也有其他离线式的解决方案，其数据的有效时间大约只有5
到 10天。
无论是在线式A-GPS还是离线式A-GPS，u-blox公司生产的所有GPS接收机在出厂时就支持，相关的程序已经硬掩模在芯片内部，不需要特别的程序来支持。
A- GPS终端系统规划
在移动终端的GPS系统设计上，因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的射频及基带功能，有助于制造商降低成本及安装尺寸；另一种是采用射频与基带独立的芯片组模式，此方式让制造商有较大的设计弹性，但系统工程师必须有能力去调整整体系统的性能，设计上的挑战性较高；还有一种是将基带功能整合到手机的应用处理器或基带芯片当中，但此种作法会占用大量的主处理器运算资源。
就在线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。如果是由移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数据后，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，终端得将接收到的卫星信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，此举虽能降低终端的运算负荷，而且能进行较复杂的运算以取得更精确的位置，但对于连网质量要求甚高，因为一旦掉线就会失去定位结果。
在系统架构上，主处理器和GPS接收机通过UART、SPI or
I?C等标准的接口来进行通信。离线模式中，从服务器端下载来的数据通常储存于非易失性的Flash
EPROM中，依算法的不同，GPS接收机与内存通信方式可以分为两种：一是接收机直接与Flash
EPROM沟通，一是接收机通过主处理器来与内存沟通。前者需要额外配置一颗Flash
EPROM内存，后者则只需使用主处理器的内存即可，因此可节省设计成本与空间。此外，在移动终端上设计A-GPS方案，会希望不要对主处理器造成太大的负担。采用u-blox公司的AssistNow方案，所有的运算工作都交给GPS接收机，因此不需要为CPU进行定制化的工作，设计上更为容易。
图6：GPS接收机配置单独Flash存储器的架构。
图7：GPS接收机通过主处理器取得存储数据的架构。
在内存的需求上，在线A-GPS对于内存容量的要求极低，u-blox公司的AssistNow
Online，每次下载的数据大小只有1-3KB；对离线式A-GPS方案AssistNow
Offline来说，下载一天的卫星预测数据，大约只需要10KB，十四天的预测数据量则约为90KB。
具有A-GPS功能的移动终端，也可以同时支持在线及离线模式。当终端一启动时，内部的GPS接收机会自动检查在Flash
EPROM中的有效卫星数据，当找不到可有效使用的星历数据时，它就会用采用离线模式，以经过修正的年历数据来辅助定位运算。一旦终端通过移动网络取得有效的星历时，系统就会利用它来取代离线数据，以取得更精确的定位结果。同样的，当星历又失效时，系统则会再切回来使用离线模式。
本文小结
u-blox公司推出的AssistNow的A-GPS通过移动网络或因特网来取得卫星辅助数据，并以灵活的在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质量。此套做法同时可以非常简单的整合进中国移动现在力推的SUPL技术，也可以独立于SUPL单独工作，有助于打开A-GPS在移动终端的市场，让GPS真正成为手机的新杀手级应用。最后，A-GPS技术不仅仅能够在手机中应用，它也能够在所有带通讯功能的GPS产品中应用，并终将成为GPS应用中一项不可或缺的技术。详细情况请浏览：www.u-blox.com。
作者：刘卫、倪志鸿
u-blox公司
