可以應對移動電話的設計挑戰的GPS導航系統

　　 

    作者：卓然公司移動事務部產品營銷經理Alon Shamir先生

    移動電話采用GPS

    最新的市場預測顯示，GPS是移動電話的下一個熱門功能。

    移動電話制造商、服務提供商和用戶都在不斷地關注著移動電話可采用的新功能。GPS能夠實現各種熱門服務，如：導航、交通信息、游戲、家庭成員或朋友的定位等等。

    GPS已經開始進入大眾市場。GPS占到了PDA銷售的60%以上，并且據預測，未來五年內大部分手機將采用GPS。在美國，GPS是一個強制性的功能，聯邦法規要求手機采用GPS技術，這樣可以通過手機向公共安全應答點（PSAP）自動輸送位置信息，從而簡化911緊急服務。各種因素限制了GPS的廣泛采用，主要包括：成本高、功耗高、以及GPS的準確度低。

    基于移動位置的服務

    在這個極具競爭性的電信時代，移動網絡運營商在不斷地尋求新型的和創新的方式，以將其產品差異化并提高其利潤。實現這些目標的最好方式之一，就是提供基于位置的高度個性化的移動服務。移動位置服務包括：汽車導航、交通和天氣信息、車輛和人員管理、基于位置的計費服務、就近服務、游戲、安全等等。

    什么是GPS？

    導航衛星定時定距系統（簡稱為NAVSTART），即眾所周知的全球定位系統（GPS），是一個基于衛星的位置系統。該系統由美國國防部（DOD）開發和運營。第一顆衛星于1974發射升空，截止1994，全部24顆衛星到位。如今，該系統包含至少24顆有源衛星，并且DOD定期將老舊的衛星更換成新的衛星。

    這些3,000至4,000磅重的太陽能衛星在大約12,000英里（19,300公里）的高度圍繞著地球旋轉，每天兩圈。其軌道經過精心安排，這樣在地球上的任何時候任何地點，總能夠在天空中"看到"至少四顆衛星。GPS接收器的任務就是對四顆或更多的衛星進行定位，計算每顆衛星的距離，并利用這些信息來推導其自身的位置。

    該系統免費在所有時候和所有氣候條件下向所有人提供高度精確的位置和時間信息。

    照片由美國軍方提供

    一顆GPS衛星

    GPS如何運作？

    GPS系統以幾種頻率發射信號。民用GPS系統的發射頻率為1575.42MHz（K1）。GPS接收器可以測量出衛星信號的行程時間，并相應地計算出衛星的距離。由于接收器本身不能確定衛星的方向，所以它需要至少四個不同衛星的讀數來獲得定位。

    更確切地說，GPS信號比一個典型的電臺要弱1000倍并且遠100倍！因此，GPS信號"特別弱"，所以GPS基帶實際上是在"大海里撈針"。

    照片由美國國防部提供

    GPS衛星系統

    輔助GPS

    輔助GPS(AssistedGPS)，或A-GPS，是一種利用輔助服務器來減少GPS確定某個位置所需時間的一種技術。當用戶位于"市區峽谷"、頭頂有濃密的樹木覆蓋、甚至在室內時，這種技術在用戶定位方面很有用。輔助GPS應用越來越普遍，并且通常用于蜂窩網絡的位置服務（LBS）。

    與僅利用接收器自身的資源來計算接收器位置的自發式GPS系統不同，A-GPS系統可以從遠程計算機（網絡輔助服務器）獲得幫助，這個計算機擁有較高的處理能力，并且能夠接入參考網絡。由于A-GPS接收器和輔助服務器分擔任務，所以與依賴蜂窩網絡覆蓋情況的自發式GPS系統相比，它的過程更快、效率更高。A-GPS系統提供的性能超過了相同的接收器在獨立模式下的性能。例如，A-GPS系統獲得初次位置讀數的速度比自發式GPS系統要快得多：前者為1至2秒，而后者為40至50秒。

    車載導航系統和便攜式導航系統

    GPS系統產生多個位置讀數（經度、緯度、以及高度或海拔）。這些信息成為其它各種服務的基礎。其中最受歡迎的服務就是導航服務，這種服務可以引導你從地點A到達地點B。它通常顯示一張地圖，但地圖并不是一種必須的要求，因為聲音導航服務（左轉/右轉）是一種比較有效的方法。

    高質量的導航比較困難，要求各種資源準確無誤，例如：

    需要海量的數據結構以計算地點A到地點B的路線。

    需要一個功能強大的CPU，以在屏幕上連續顯示更新的地圖。

    需要巨大的存儲空間來保存地圖數據，能夠容納1GB以上的數據。

    為此，許多GPS設備采用了基于AGPS網絡的服務。當然，只有在連續網絡連接的情況下--如移動電話，這種服務才可行。

    國家海洋電子協會（NMEA）

    一個基于GPS的系統一般由兩個部分組成，即GPS引擎和在引擎上運行的服務應用程序（如在導航服務中）。系統的兩個部分通常由不同的廠商提供。但是，這兩個部分需要一個通用的界面協議。這個通用的界面協議是NMEA0183標準，該標準由國家海洋電子協會（www.nmea.org）制定。定位的時候，NMEA報文包括各種數據，如視野中衛星的數目、衛星的信號強度、時間和接收器的位置。

    移動電話整合GPS的挑戰

    有幾種因素限制了GPS在移動電話中的廣泛采用。主要的挑戰包括下列幾個方面：

    尺寸較大--目前移動電話發展的趨勢是更輕、更小，而當前的GPS芯片集解決方案的尺寸太大。需要有更小尺寸的解決方案。

    成本較高--需要整合GPS功能，而將成本比較敏感的移動電話制造商的物料清單（BOM）大幅度增加。

    功耗較高--需要高效的設計，這樣運行GPS時不會耗盡移動電話電池的電量和縮短兩次充電之間的時間。GPS性能太差--需要利用輔助GPS來提高在密集市區的使用性能，這樣能夠快速而準確地向移動電話用戶提供位置數據。

    整合的復雜性--目前，在移動電話中整合軟件和射頻功能的設計周期為3-6個月。必須找到縮短這個周期的辦法。

    很清楚，需要新的設計解決方案來滿足移動電話市場的挑戰性需求。

    卓然公司的GPS技術

    卓然公司的APPROACH5C多媒體處理器IC包含一個內置的高性能、低功率的GPS基帶，支持自發式和輔助GPS。APPROACH5C處理器中的GPS引擎發送包含時間、位置和速度信息的標準NMEA報文，并且能夠兼容所有基于GPS的應用程序。

    APPROACH5C多媒體處理器中的GPS技術符合移動電話的所有這些挑戰性要求：

    尺寸小--由于GPS基帶已經包含于多媒體處理器中，因此僅需要外部射頻模塊。

    成本低--與獨立的GPS基帶芯片相比，將GPS基帶內置于多媒體處理器中可以大幅度降低系統成本。GPS基帶利用了APPROACH5C多媒體處理器提供的CPU和內存資源，從而優化了芯片。

    功率低--APPROACH5C多媒體處理器采用先進的系統節能設計，并且利用先進的90納米加工技術生產。90納米加工技術將捕獲功率減少到70mW，并將跟蹤功率減少到40mW。

    性能高--GPS性能通過其定位所需的時間和定位的準確度來衡量。APPROACH5C處理器的靈敏度為-160dbm。在AGPS模式下，它將首次鎖定時間（TTFF）減少到1秒以下，并將導航精確度提高到5米以下。

    完全整合--卓然公司提供一個基于APPROACH5C多媒體處理器和射頻模塊的完整參考設計，因此無須其它特殊的或額外的復雜射頻設計。軟件也包含在內，因此無須再進行軟件整合。

    下圖顯示的是在中國深圳市進行汽車試駕時的GPS數據，利用的是Googleearth應用程序。圖中的每一個藍點代表一個GPS讀數。這些點在每隔一秒的時間內讀出，因此，連續點之間的距離就代表著汽車的速度。我們甚至可以看見汽車駛入大樓的停車場。

    在中國深圳市進行的GPS試駕

    APPROACH5C多媒體處理器是目前支持GPS的唯一多媒體處理器。它還是提供給移動電話制造商的唯一小型解決方案，使他們能夠通過在APPROACH5C解決方案中增加一個低成本的射頻芯片，從而在移動電話中置入一個高性能、低功率、具有成本競爭力的GPS系統。目前已經開發出了擁有完整軟件應用的APPROACH5C系統平臺，能夠幫助多媒體移動電話制造商將他們的新型號產品快速推向市場。

    作者簡介：

    AlonShamir是卓然公司移動事務部負責APPROACH多媒體處理器產品線的產品營銷經理。如需聯系Shamir先生，請發送電子郵件至：alon.shamir@zoran.com。

原文轉自：http://www.kjueaiud.com