[新聞] 以開放式A-GPS　打開手機市場大門

看板PDA作者cellsT (vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv)時間18年前 (2007/09/20 13:35)推噓14(14推 0噓 9→)

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http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=133&zNo 蔡金源／u-blox臺灣分公司產品應用工程師前言：行動用戶時常處於建築物林立的街道中、騎樓下，甚至是室內的環境中，由於這些地方的訊號接收條件很差，用戶往往得長時間等待不一定能夠成功的第一次定位，透過輔助定位方式，也就是A-GPS（即Aiding GPS或Assisted GPS），已成為GPS發展上的必然趨勢 ~GPS衛星訊息組成~ GPS的應用日益普及，車用導航及PDA/PND可攜式導航設備在市場上大行其道，而其應用領域除了與相片、影音播放相結合外，也逐漸從汽車導航跨入行人的徒步隨身導航，在應用性上也更強調位置服務（Location-based Service, LBS），也就是從定位功能延伸出附近餐廳、景點、捷運/公車路線等加值服務。不僅如此，美國E911法案更要求每台手機中要具備 GPS的功能，以在緊急時刻發揮定位尋人的用途。當GPS的應用不斷地推進個人的隨身應用時，傳統的GPS定位方式就出現了不小的使用瓶頸。採用自主定位（Autonomous Positioning）的獨立式GPS設備，必須要在訊號條件佳的開放天空中接收到四顆以上的衛星，才能順利解出終端用戶所在的位置；不僅如此，此設備的GPS接收器還得不間斷地接收30秒以上的時間，才能將GPS衛星訊號完整收齊，接著才能進行定位計算。對於隨身導航應用來說，自主定位在開機後的第一次定位時間（Time to first fix, TTFF）實在太長，而且行動用戶時常處於建築物林立的街道中、騎樓下，甚至是室內的環境中，由於這些地方的訊號接收條件很差，用戶往往得長時間等待第一次定位，而且還不一定能夠成功。在此情況下，透過另一套網路來取得衛星訊息的輔助定位方式，也就是A-GPS（即Aiding GPS或Assisted GPS），已成為GPS發展上的一個必然趨勢。 ~GPS衛星訊息組成~ 在深入探討A-GPS之前，我們必須先掌握一般GPS自主定位的基本原理及衛星訊息的組成，才能了解A-GPS的優勢所在。目前在天空中有多套定位衛星系統在運作，包括美國的GPS 系統、俄國的GLONASS系統，以及歐盟在建置中的Galileo系統，其中以美國的GPS為今日市場應用的主流，也是本文中所探討的系統。 GPS是由24顆衛星群所組成，分別運行在六個軌道面上，每顆衛星會不斷地發射關於衛星軌道、時間及各種參數的衛星訊息，這些訊息的接收正是GPS終端能否成功定位的關鍵所在。目前GPS衛星分別有1575.42MHz的L1載波及1227.60MHz的L2載波，在載波上調制了C/A電碼（C/A code）及P電碼，一般我們用得到的是L1及C/A電碼，L2及P電碼則為美國軍方在使用。在L1上所搭載的衛星訊息以訊框（Frame）為單位，每個訊框為1500 bits，其下又分為五個子訊框（Sub-Frame），它的內容包括衛星的星期時間（Time of week, TOW）、廣播星曆（Broadcast Ephemeris）、電離層參數及萬年曆（Almanac）等，請參考下列表一。其中廣播星曆為個別衛星本身的精確軌道位置，它每小時更新一次，每次更新的有效性約四小時；萬年曆則為所有衛星在軌道上的概略位置及其狀況等，它每天更新一次，有效時間可達數週。圖對於一個不具任何有效定位資料的GPS終端來說，最重要的是要收齊四顆衛星個別的廣播星曆及衛星時間資料，才能正確的計算定位。由於衛星是以50 bit/s(bps)的速率來發射訊號，因此同步收齊四顆衛星一個完整訊框資料的時間，至少需要30秒（即1500bit/ 50bps），其中需花18秒下載廣播星曆。萬年曆方面，由於每次更新的資料需用到25個訊框來傳送更新的萬年曆資料，因此要完整的下載，需要用掉12.5分鐘。圖對於GPS終端來說，啟動開機時本身是否具有有效的衛星訊息，將決定它第一次定位的速度。如果是完全無資料的狀況，稱為冷開機（Cold Start），順利接收訊號的話，大約需18 -36秒才能完成定位；不過，由於廣播星曆的下載不能間斷，如果因訊號微弱而一時斷訊的話，就得從頭再接收，這就得耗費更長的定位時間。因此，更佳的狀況是終端機本身已具有可用的Almanac或Ephemeris，如果已具有Almanac，即稱為暖啟動（Warm Start）；最快的條件是已具有Ephemeris，稱為熱啟動（Hot Start）。 ~開放式的A-GPS服務~ 一般的A-GPS系統由GPS全球參考網路、發佈輔助資料的中央伺服器，以及具A-GPS功能的接收器所組成。GPS全球參考網路必須建置廣大的監控基地台，並持續且準確地監控衛星的移動。它會將監控得到的相關衛星資料傳送給高效能的中央伺服器，此伺服器會依據這些資料來預測衛星未來的移動軌跡。IGS（International GNNS-Service）即是這樣的一個網路，它在全球持續地運作著。 GPS接收器的運作程序，第一步是搜尋衛星訊號、再接收廣播星曆，接著才能定位與追蹤。如果能預先取得衛星訊息，或以更快的速度來下載廣播星曆，那就能加速定位的速度，請參考下圖。要取得這些輔助資料有兩種方式，一是即時性的透過GSM、GPRS、CDMA或UMTS等行動通訊系統來取得，也就是連線式的A-GPS（Online A-GPS）；另一種是採離線方式（Offline A-GPS），也就是依使用者的方便，透過行動網路或直接由網際網路預先下載衛星資料，當需要時就能做為輔助定位之用。以下將介紹這兩種方式的特性及差異所在。圖圖說：冷啟動時，具有Ephemeris或差分Almanac修正資料的終端器能快速的定位。（資料來源：u-blox） 1. 連線式A-GPS 一個具連線式A-GPS功能的終端器，可以由兩種介面來與行動網路溝通，一是控制平面（Control plane），一是用戶平面（User plane）。前者是不同行動系統針對定位輔助功能所定義的介面規格，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA則是IS-801A。除了介面規格不同外，不同的系統服務商往往會建立屬於自己的控制平面運作系統，此舉雖然能保證較佳的服務品質，但建置成本極高，用戶也得受限於系統服務商。另一種介面系統為用戶平面，它使用的是由OMA組織所定義的一套通用介面規格，稱為SUPL （Secure User Plane Location）。它透過將RRC、RRLP等訊息包裹為一致性的規格後再發送出去，與TCP/IP的架構極為接近。由於其通用性高，系統建置成本較低，因此有助於 A-GPS在手機等行動設備中的推行。採用連線式A-GPS，不同的作法會影響其定位效率。第一個影響的因素為連線效率，這和行動通訊商的服務品質及用戶所在位置息息相關，是較不可控的因素。CDMA和GSM/GPRS的協定中都定義出A-GPS手機的最低運作效能標準：CDMA的標準定義在3GPP2 C.S0036-0 （TIA 916），GSM/GPRS則是3GPP TS 25.171。其中CDMA要求最大的反應時間（即最長的 TTFF）是在16秒之內，GSM則是20秒。目前各家的解決方案都致力於滿足這項要求，以u-blox的AssistNow Online為例，它已能達到、甚至超過標準的要求，進而能提供連線品質保證的服務。第二個因素則與下載的衛星資料內容有關，當所獲得的有用資料愈多，定位的速度也就愈快。例如若能取得GPS時間（GPS Time），則可大幅縮短定位時間；這是因為衛星的移動很快（每秒移動800公尺），GPS時間有助於掌握衛星的確切位置。GPS時間又可分為粗略GP S時間（Coarse GPS time）和精確GPS時間（Precise GPS time），前者的定位時間要約30 秒鐘，後者只需數秒鐘即可。當支援A-GPS的終端啟動時，它會同時接收來自天空中的衛星訊號，並透過用戶平面（如GPRS）來連結行動網路的基地站，此基地站會透過網際網路來與取得全球參考網路資料的伺服器連結；GPS終端通常會從伺服器端下載包括Ephemeris、Almanac、概略位置、時間、衛星健康狀態等資料，除了Ephemeris是必要的，其他資料為選擇性的。這些資料並不需儲存在GPS接收器或系統的記憶體中，而且每次啟動連結時，資料都會更新。請參考 Online A-GPS的服務架構示意圖。圖說：Online A-GPS服務架構示意圖（資料來源：u-blox） 2. 離線式A-GPS 另一種方式是採離線方式。在使用前，GPS終端先透過行動網路或網際網路從伺服器端中取得輔助資料，這些資料通常是預先推測的Almanac或Ephemeris衛星軌道資料，當它們被儲存下來後，與伺服器的連結就可以中斷。下次GPS接收器啟動時，儲存的資料會被用來決定當前的軌道資料，以幫助導航定位。在此情況下，接收器不需等到所有的資料都從衛星下載回來後，才能開始計算，它能很快的開始進行導航。輔助資料的有效性與資料供應者有關，大約可以維持十天至兩週左右，但所提供位置的準確性會隨著時間而下降，下載後前幾天準確度最高，時間愈久準確度就愈低，因此最好能經常維持資料的更新。衛星軌道預測的準確度也與資料供應者的專業能力密切相關。如果直接提供衛星的Almanac ，由於它只提供所有衛星軌道的概略位置，與實際的衛星軌道之間存在著大約3-5公里的誤差，若直接以此資料來進行定位，計算出來的位置會偏移不少。因此，專業的資料供應者會藉由天文學及重力等模式來預測及修正衛星軌道，以u-blox提出的AlmanacPlus 技術為例，可以透過差分萬年曆修正資料（Differential Almanac Correction Data）的作法，將衛星軌道的準確度提升到10-50公尺，如下圖所示。圖說：透過AlmanacPlus差分萬年曆修正資料來提升軌道預測的準確度。（資料來源： u-blox）從Offline A-GPS服務架構示意圖中可以看出，具離線式A-GPS功能的行動終端透過TCP/IP的協定方式來與標準的鏡射（Mirror）或代理（Proxy）伺服器溝通，以取得複製到此伺服器中的輔助衛星資料。此一Mirror/Proxy伺服器也是透過標準的HTTP連結來與主伺服器（Root server）溝通，以取得壓縮過的衛星訊息資料；主伺服器的資料則來自如IGS的全球參考網路。圖與離線式A-GPS相比，連線式A-GPS以Ephemeris來進行定位，因此可以得到較佳的準確性。不過，Ephemeris的有效性短，必須隨時更新，而且容易受限於行動通訊系統的連線時間及連線品質。相較之下，離線式A-GPS因不需花費時間在衛星軌道資料的下載，也不會受到基地台涵蓋範圍的限制，再加上在定位時不需隨時保持連線，因此可省下不少連線費用，是相當便利的一項定位方案。目前市場已出現一些離線式的解決方案，其資料的有效時間大約只有5 到 10天，而以u-blox AssistNow Offline來說，除了以上述的AlmanacPlus來提供更準確的資料外，其有效時間已可以達到14天。 ~A-GPS終端系統規劃~ 在行動終端的GPS次系統建置上，可視手機製造商的需求採用不同的架構：一種是採用單晶片的方式，此晶片整合了GPS的射頻及基頻功能，有助於設備業者降低成本及安裝尺寸；另一種是採用射頻與基頻獨立的晶片組模式，此方式讓設備業者有較大的設計彈性，但系統工程師必須有能力去調整整體系統的效能，設計上的挑戰性較高；還有一種是將基頻功能整合到手機的應用處理器或基頻晶片當中，但此種作法會佔用大量的主處理器運算資源。就連線式A-GPS來說，系統規劃上必須考慮到定位運算的主體在那一端。如果是由行動終端來負責運算工作，則稱為MS-based模式（MS為Mobile Station的縮寫）；若由網路伺服器端來進行定位運算，再送回給終端，則稱為MS-assisted模式。MS-based的模式在取得網路輔助資料後，就回到獨立運算的狀態，運作上較為單純，但對終端系統的運算資源要求較高。 MS-assisted則較為複雜，終端器得將接收到的衛星訊號資料傳送給網路伺服器，由伺服器計算出結果後再將位置資訊送回給終端器，此舉雖能降低終端器的運算負荷，而且能進行較複雜的運算以取得更精確的位置，但對於連線品質要求甚高，因為一旦失聯就會失去定位結果。在系統架構上，主處理器和GPS接收器透過UART、SPI or I2C等標準的序列介面來進行溝通。離線模式中，從伺服器端下載來的資料通常儲存於非揮發性的Flash EPROM中，依演算法邏輯的不同，GPS接收器與記憶體溝通方式可以分為兩種：一是接收器直接與Flash EPROM 溝通，一是接收器透過主處理器來與記憶體溝通。前者需要額外配置一顆Flash EPROM記憶體，後者則只需使用主處理器的記憶體即可，因此可節省設計成本與空間。此外，在行動終端上建置A-GPS方案，會希望不要對主處理器造成太大的負擔。以AssistNow?方案為例，即強調將所有的運算工作都交給GPS接收器，因此不需要為CPU進行客製化的工作，建置上更為容易。圖圖在記憶體的需求上，連線式A-GPS對於記憶體容量的要求極低，以u-blox的AssistNow Online為例，每次下載的檔案大小只有1-3KB；離線式A-GPS的記憶體需求量也不算大，以 AssistNow Offline來說，下載一天的衛星預測資料，大約只需要10KB，十四天的預測資料量則約為90KB。具A-GPS功能的行動終端，也可以同時支援連線及離線模式。當終端器一啟動時，內部的 GPS接收器會自動檢查在Flash EPROM中的有效衛星資料，當找不到可有效使用的Ephemeris 時資料時，它就會用採用離線模式，以或修正過的Almanac資料來輔助定位運算。一旦終端器透過行動網路取得有效的Ephemeris時，系統就會利用它來取代離線資料，以取得更精確的定位結果。同樣的，當Ephemeris又失效時，系統則會再切回來使用離線模式。結論：早在一、兩年前，市場上即開始預期GPS會從車用導航及PDA導航應用，進入到手機當中，不過，GPS手機的推出與市場的接受度始終慢了半拍，這和A-GPS一直受限於行動業者的建置進度有關。當行動業者以封閉性的獲利心態來經營A-GPS定位服務時，就會讓手機製造業者覺得綁手綁腳，一般用戶也難以感受到A-GPS的使用優勢。本文提出一套開放式的A-GPS運作模式，也就是透過通用行動網路介面（SUPL）或網際網路來取得開放性的衛星輔助資料，並以彈性的連線或離線方式來實現更快的定位速度或更精確的定位，以及更可靠的定位導航品質。此套作法有助於打開A-GPS在行動終端的市場，讓 GPS真正成為手機的新殺手級應用。（www.u-blox.com） ------- 跟大家分享一下新聞(不知道有沒有OP，有的話請板大砍掉八XD)，所以拿AGPS跟GPS比是不太洽當的；本質上就有優勢。另外就是9100在mobile現在有一個程式可以讓gps定位比較快，我想應該就是在網路上先下載了一些定位的資料。 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 140.112.20.33

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