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目前，7種關(guān)鍵技術(shù)使GPS進(jìn)入世界各地的手機，本文詳述了這些技術(shù)的進(jìn)入過(guò)程以及對未來(lái)10年有什么影響。 十年前的E911法案啟動(dòng)了消費型GPS第一個(gè)成功的里程碑，自此以后，GPS接收器的靈敏度進(jìn)步了幾乎千倍以上，超過(guò)九成(五億支) 以上的手機已搭配GPS 功能并以主機式GPS(Host-based GPS)為標準。聯(lián)邦傳播委員會(huì )(FCC)及美國國會(huì )在1999年通過(guò)了E911法案，此法案規定當手機使用者撥打911緊急電話(huà)時(shí)，手機可自動(dòng)提供通話(huà)位置信息。原本，輔助定位系統(A-GPS)只用于移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )與GPS時(shí)間同步的時(shí)間校對，且主要是用在CDMA的電信網(wǎng)絡(luò )。而全球最大的電信網(wǎng)絡(luò )GSM和3G并不與GPS時(shí)間同步。所以在早期，一般認為非GPS技術(shù)(如現在已被淘汰的增強觀(guān)測時(shí)差E-OTD等技術(shù))會(huì )在E911法案中勝出的。然而，正如我們現在所知道的，GPS和全球導航衛星系統(GNSS)成了手機定位系統的大贏(yíng)家。E911法案是GPS在美國發(fā)展的主要動(dòng)力，并且間接促進(jìn)了全球GPS的發(fā)展。這要歸功于以下我所要談?wù)摰钠唔楆P(guān)鍵技術(shù)，它們使GPS技術(shù)在過(guò)去多年來(lái)逐漸成熟。 關(guān)鍵技術(shù)一：輔助定位系統(A-GPS) 關(guān)于A(yíng)-GPS有三件值得記住的事：“更快、更長(cháng)、更高”。透過(guò)奧林匹克運動(dòng)會(huì )的名言“更快、更強、更高”，你就可以記得住了。 A-GPS最顯著(zhù)的特征，是它使用衛星軌道資料傳送替代了原有基站傳送相同(或等量)的軌道數據，所以A-GPS接收速度更快。在過(guò)去，接收器必須在二維代碼/頻率空間中，搜索每一個(gè)GPS衛星信號。而輔助數據縮減了搜索范圍，讓裝置可以用更長(cháng)的時(shí)間來(lái)做信號整合，換句話(huà)說(shuō)，就是敏感度更高了 (見(jiàn)圖1)。就是我們說(shuō)的更長(cháng)，更高。 現在，我們更進(jìn)一步來(lái)看看代碼/頻率搜索，并介紹精確校時(shí)、粗略校時(shí)以及大規模平行關(guān)聯(lián)器等概念。任何輔助數據都可以減少頻率搜索次數，頻率搜索的概念就是如同你轉動(dòng)車(chē)上的收音機旋鈕，尋找電臺位置。只不過(guò)由于衛星移動(dòng)，會(huì )產(chǎn)生不同的GPS頻率，也就是多普勒效應。如果你可以預先知道衛星是如何設置的，就可以縮小頻率搜尋的范圍。 代碼延遲(code-delay)就更加敏銳了。C/A 代碼的重復周期是1ms，所以如果可以在獲得衛星信號之前，就知道比1ms更精確的GPS時(shí)間，便可以縮小代碼延遲搜索區域，這就是我們所說(shuō)的“精確校時(shí)”。 CDMA通信網(wǎng)絡(luò )是和GPS的時(shí)間同步，而最普遍的通信網(wǎng)絡(luò )(GSM及目前的3G)則不然。后者與GPS時(shí)間有±2秒的誤差，我們稱(chēng)之為粗略校時(shí)。在最初，只有精確校時(shí)的網(wǎng)絡(luò )可以應用A-GPS，但后來(lái)局勢改觀(guān)是因為我們有了關(guān)鍵技術(shù)二、關(guān)鍵技術(shù)三，那就是大量平行關(guān)聯(lián)器和高靈敏度。 關(guān)鍵技術(shù)二、三：大量平行關(guān)聯(lián)器和高敏感度 傳統的GPS中，每個(gè)頻道只有兩到三個(gè)關(guān)聯(lián)器。他們會(huì )搜索代碼延遲空間直到可搜索到信號，然后用一組關(guān)聯(lián)器追蹤峰值的前端，和用另一組追蹤峰值的后端，所以他們被稱(chēng)為“前后關(guān)聯(lián)器”。 大量平行關(guān)聯(lián)器是指，有足夠數量的關(guān)聯(lián)器同時(shí)在多個(gè)頻道中，對所有的C/A代碼延遲進(jìn)行搜索。就硬件而言，這意味著(zhù)有上萬(wàn)個(gè)關(guān)聯(lián)器在運作。大量平行關(guān)聯(lián)器的好處是，所有的代碼延遲搜索都是平行運作，因此接收器可以用更長(cháng)的時(shí)間來(lái)整合信號，即使沒(méi)有精確對時(shí)也無(wú)所謂。所以現在接收器可以更快、更長(cháng)、更高，也就是更高的靈敏度，這不限于我們在何種電信網(wǎng)絡(luò )中執行A-GPS。在最初，我們認為室內GPS定位會(huì )受限于高靈敏度，但發(fā)覺(jué)使用體積更小、更便宜天線(xiàn)的實(shí)際成果卻也不差。雖然小而便宜的天線(xiàn)會(huì )降低性能表現(我們稍后也會(huì )提到)，但是它們已被配備在所有的智能型手機上，且被手機廠(chǎng)接受去執行有關(guān)A-GPS的功能。 關(guān)鍵技術(shù)四：粗略時(shí)間導航 我們已經(jīng)了解，A-GPS輔助不再受限于根據解碼軌道數據(所以可以更快)，并可以透過(guò)大量平行關(guān)聯(lián)器使用粗略對時(shí)(所以可以更長(cháng)的時(shí)間做信號整合及提高靈敏度)。然而，要測量精確初估的距離(pseudorange)，并計算行進(jìn)時(shí)間，還是需要花時(shí)間對衛星所傳送的星期時(shí)間(Time of Week, TOW)譯碼，譯碼后來(lái)取得位置進(jìn)一步可執行導航。粗略校時(shí)導航就是要解決一些衛星的TOW問(wèn)題，而不是直接解碼。其關(guān)鍵的技術(shù)是依靠在標準導航中的方程式中加入額外狀態(tài)資料;并于著(zhù)名的視線(xiàn)矩陣(line-of-sight matrix)中加入相對應的欄位來(lái)解決TOW問(wèn)題。 這個(gè)技術(shù)的成果就是，你定位所需要的時(shí)間，會(huì )比解讀衛星的星期時(shí)間(TOW)(例如一秒、兩秒或三秒)還要更快;或是在衛星信號微弱狀態(tài)下無(wú)法解讀衛星的星期時(shí)間(TOW)時(shí)，仍然可以進(jìn)行實(shí)際上的定位。因為你可以有更快的首次定位時(shí)間 (FF)，無(wú)需頻繁喚醒接收器來(lái)維持熱啟動(dòng)狀態(tài)，因此可延長(cháng)電池壽命。 關(guān)鍵技術(shù)五：時(shí)間短TOW 另一個(gè)和粗略時(shí)間導航技術(shù)相提并論的是時(shí)間短的衛星TOW解碼，也就是降低解讀衛星的TOW數據的門(mén)坎標準。在1999年，衛星接收的信號強度可讓接收器解讀衛星的TOW最低標準可達到-142dBm。這是因為當我們在整合信號以20ms為間隔時(shí)，可以偵測到-142dBm信號數據位中強度。然而，解讀衛星的TOW的技術(shù)不斷演進(jìn)，現在最低可接受強度已經(jīng)降低到-152dBm。 關(guān)鍵技術(shù)六、七：主機式全球定位系統(Host-based GPS)，RF-CMOS 從傳統的系統單芯片(SoC)架構出發(fā)，我們就可以清楚地認識主機式架構(Host-based)。SoC GPS通常是單一封裝，但封裝中包含了三個(gè)獨立的組件，有三個(gè)硅芯片被包在一起：基帶(baseband)模塊，包含中央處理器 (CPU);分開(kāi)的無(wú)線(xiàn)調頻器(RF)以及一個(gè)閃存。如果要降低成本，不使用閃存情況下，唯一的方法是改用只讀存儲器(ROM)，它可以包含在基帶模塊中。然而這也意味著(zhù)，你將無(wú)法可隨時(shí)更新接收器的軟件，來(lái)使用我們剛剛討論的最新發(fā)展技術(shù)。 相對而言，主機式架構不需要在GPS芯片中有CPU功能。其主因是在智能型手機以及其他含有GPS產(chǎn)品上，其既有的CPU和閃存都能額外提供GPS運算時(shí)所需的低功耗。同時(shí)， RF-CMOS技術(shù)可以讓無(wú)線(xiàn)調頻器和基帶同在單一GPS芯片中。此為主機式架構 GPS 特質(zhì)和優(yōu)勢。 這一切的結果代表著(zhù)芯片價(jià)格大幅降低，但性能依舊可以維持。 現在已達到我們預期的目標了嗎? A-GPS 技術(shù)已經(jīng)引領(lǐng)我們大步向前。 “從技術(shù)水平和消費者市場(chǎng)層面上我們是否已經(jīng)達到預期的目標了嗎?” 一般認為，體積小而便宜的天線(xiàn)會(huì )影響質(zhì)量的表現，但是我要說(shuō)，一個(gè)成本低于4 美元的單一 GPS 芯片，性能超過(guò)一個(gè)成本19,000 美元的接收器。這聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)直是自相矛盾，甚至不可思議。但是我們可從首次定位時(shí)間、靈敏度和城市精確度(Urban Accuracy)的數據來(lái)證實(shí)這點(diǎn)。 另一個(gè)芯片革命的觀(guān)點(diǎn)是，我們已經(jīng)達到GPS 單系統技術(shù)開(kāi)發(fā)的高點(diǎn)，難以再往上。然而，還有許多有待解決的問(wèn)題，特別是城市信號屏障以及室內使用方面。但是這些問(wèn)題絕不會(huì )是由GPS(或是其它個(gè)別的系統)可以獨自解決的。所以我們可以把下個(gè)十年視為“GPS 增值”，單一GPS 的時(shí)代很快就會(huì )成為昨日黃花。這也不能被解讀為GPS 的失敗，甚至正好相反。這是因為GPS 單一系統運作得十分好，以至于在過(guò)去多年移動(dòng)電話(huà)內附GPS 的銷(xiāo)售總量已達5 億支，基于此銷(xiāo)售基礎，我們可以大膽將GPS 推展到衛星導航從未涉足過(guò)的領(lǐng)域—是因為我們已開(kāi)始嘗試突破單一GPS 的表現瓶頸。 在不久的將來(lái)，我們就會(huì )看到大量的GPS 增值產(chǎn)品，像是GPS+微機電系統(MEMS)、GPS+(無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ))Wi-Fi、GPS+網(wǎng)絡(luò )測量報告(NMR)、GPS+羅盤(pán)(Compass)以及GPS+蘇聯(lián)導航衛星系統(GLONASS)、日本準天頂導航衛星系統(QZSS)、歐洲伽利略衛星系統。將來(lái)能夠進(jìn)行最大程度整合的公司，就會(huì )是贏(yíng)家。所以，引用丘吉爾的話(huà)，目前的狀況并不是GPS 的終點(diǎn)，甚至談不上接近終點(diǎn);了不起只能算是初階段的結束。 GPS 消費市場(chǎng) 幾年前Len Jacobson 的《GNSS 應用及市場(chǎng)》有一份對2010 年消費市場(chǎng)的預測： Frost & Sullivan 2006 報告預測，在2010 年，PND 及手持裝置 (不包括移動(dòng)電話(huà)) 市場(chǎng)會(huì )達到 27 億美元(830 萬(wàn)臺，平均售價(jià)325美元)。對照實(shí)況，目前的市場(chǎng)大約是60億美元，(4 千萬(wàn)臺，平均售價(jià)150美元)。簡(jiǎn)言之，消費市場(chǎng)的規模比幾年前所預估的還要大上一倍，還不包括手機市場(chǎng)。雖然價(jià)格比預估要低一半，但是出售量是預估的四倍之多。 談到移動(dòng)電話(huà)，我們回頭看看1999 年，那時(shí)大家預估A-GPS 只會(huì )在精確校時(shí)通信網(wǎng)絡(luò )中被采用(像是CDMA)。如今A-GPS已經(jīng)大量在全球精確校時(shí)以及粗略校時(shí)通信網(wǎng)絡(luò )中被使用，包括歐洲和北美的GSM，以及日本的W-CDMA。最近三年GPS 消費市場(chǎng)，特別是移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)已經(jīng)大幅成長(cháng)，置入手機的GPS 接受器數量超過(guò)了以往所有GPS 產(chǎn)品數量的總和。而到如今，每年全球民用導航衛星系統(GNSS)接收器產(chǎn)量99%以上的數量皆使用L1-only C/A code GPS 接收器。 所以，從消費市場(chǎng)觀(guān)點(diǎn)，我們是否已經(jīng)達到預期的目標?是的!我們不只達到，而且是已經(jīng)遠遠超過(guò)預期的成績(jì)。接下來(lái)，讓我們回顧過(guò)去十年的技術(shù)發(fā)展，看看這些技術(shù)是否已經(jīng)達到我們預期的目標。 摩爾定律表明，在一定的晶體管數目下，芯片體積每?jì)赡瓯銜?huì )縮小一半。摩爾定律在GPS 是適用的，大約每?jì)赡�，芯片尺寸�?huì )縮小一半。2010 年才剛剛開(kāi)始，人們已經(jīng)開(kāi)始在談?wù)撓乱淮�，也就�?0 nm的GPS 芯片了。過(guò)去二十年來(lái)，摩爾定律已經(jīng)重復了十回，所以同樣的芯片在二十年前，尺寸會(huì )比現在大上1000 倍。當然不可能會(huì )有這么大的芯片，但我要說(shuō)的是，GPS 芯片并不只是隨著(zhù)摩爾定律變小而已，它還變得更復雜，功能性更強。 最低價(jià)GPS性能表現 基本上，GPS 接收器只做三件事：?jiǎn)?dòng)、追蹤微弱信號、計算定位速度時(shí)間和位置。撇開(kāi)繁瑣的細節不談，主要重點(diǎn)可歸納為：速度、靈敏度和精確度。 從90 年代以來(lái)，首次定位時(shí)間(TTFF)和靈敏度都有一定程度的進(jìn)步，這要歸功于上述七個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。即使沒(méi)有精確時(shí)間，首次定位時(shí)間在輔助冷啟動(dòng)或是未輔助熱啟動(dòng)之下，已經(jīng)可以達到一秒。這比90 年代傳統GPS 表現好上45 倍。在靈敏度方面，到1998 年為止，大約有30 倍的進(jìn)步(達到 -150dBm)，2006 年又增進(jìn)了10 倍(到-160 dBm)。說(shuō)不定假以時(shí)日，我們會(huì )擁有1000 倍的靈敏度。那么準確度又是如何呢? 有些低價(jià)芯片被當成是低精確度的代名詞，不過(guò)這并不正確。的確體積小、成本低的天線(xiàn)會(huì )降低定位準確度，然而就相同天線(xiàn)而言，在移動(dòng)電話(huà)極為普遍的環(huán)境中，現今市場(chǎng)上最低價(jià)的GPS 接收器，其性能表現卻優(yōu)于最貴的GPS 接收器。以下圖表的數據會(huì )說(shuō)明這一點(diǎn)。 首先，我們連接一個(gè)最小、最低價(jià)的GPS 接收器，到一個(gè)最好的天線(xiàn)上(扼流圈天線(xiàn))，架設到可以清楚看見(jiàn)天空的開(kāi)闊屋頂上。圖2 左側是定位點(diǎn)散布情形，藍色圈圈顯示了有2000 個(gè)定位點(diǎn)，它的中位數值是0.9 公尺。右側是一個(gè)19,000 美元的勘測級專(zhuān)業(yè)GPS(Survey-grade GPS)接收器量測的結果，使用的是同樣的天線(xiàn)。 勘測級專(zhuān)業(yè)(survey-grade) GPS比含GPS 移動(dòng)電話(huà)的精準度表現要好上60cm，或者要說(shuō)好上三倍也可以，看你要怎么說(shuō)。但先別急，因為這種測試環(huán)境既非典型的消費者情境(在屋頂上架扼流圈天線(xiàn))，也不是我們今日面對的主要挑戰。 接下來(lái)，我們要在一個(gè)比較典型的使用環(huán)境中，看看一般消費型天線(xiàn)的精確度表現如何。圖3 顯示一個(gè)主動(dòng)式平板天線(xiàn)(就是個(gè)人導航設備PND 里面會(huì )看到的那種)在圣何塞市區的定位情形。圣何塞是一個(gè)典型的美國都市，不算是對GPS 最嚴峻的挑戰，但也不是太容易。城中的街道(Lightstone Alley)只有5 米寬，兩側都是高聳建筑物。 要測量精確度，我們使用實(shí)際參照的方法，結合GPS 以及配備環(huán)狀鐳射陀螺儀的戰術(shù)級慣性測量裝置(tactical grade IMU)，它可以在圖上顯示藍色小點(diǎn);白色小點(diǎn)是低價(jià)GPS 的定位情形。大多數時(shí)間白色小點(diǎn)都和藍色小點(diǎn)重疊，偶而你會(huì )看到一些錯開(kāi)的地方，紅色線(xiàn)段顯示的是水平誤差。水平誤差的中位數值是4.4 m。 圖4 比較了低價(jià)及高價(jià)的GPS 接收器的表現。當勘測級專(zhuān)業(yè)接收器(survey-grade receiver) 接上移動(dòng)電話(huà)使用的平板天線(xiàn)時(shí)，出現了很多個(gè)定位間距(position gap)，而且當汽車(chē)不動(dòng)的時(shí)候，定位卻仍飄移(在圖的左下以及上側區域，路口的地方)。這是由于城市環(huán)境的信號比較微弱。但我們也先別急，因為這也還不是消費型GPS 最嚴苛的測試：在嚴峻的都會(huì )高樓密集區像是舊金山、紐約、芝加哥、上海、臺北、東京新宿之類(lèi)地區，才是終極挑戰。通常在這些地方，最多只能直接接收到一顆或二顆GPS 衛星，也許也可以借著(zhù)偵測到清楚的反射信號而收到其他衛星系統的衛星信號，但這不是我們常談到的GPS 多路徑效應，那個(gè)是“同時(shí)有直接信號也有反射信號”，但這里卻是“只有反射信號。其他都沒(méi)了”。GPS 的直接信號通常都會(huì )被高聳密集的建筑物遮蔽，而無(wú)法被偵測到。因此很難獲得良好精確度。 圖5并列比較了移動(dòng)電話(huà)上的GPS 以及勘測級專(zhuān)業(yè)GPS(survey grade GPS)，在安裝同樣的小型天線(xiàn)后，我們在舊金山金融區做測試�？睖y級專(zhuān)業(yè)GPS(survey grade GPS)完全無(wú)法定位!圖6 顯示可得信號，并解釋了原因。在蒙特馬利街(Montgomery Street)上，只有依據直接可得的衛星，信號強度是-132dBm，所有其他的衛星的信號強度都低于-140dBm，傳統GPS 是無(wú)法獲取信號的。要能夠在這種嚴峻的環(huán)境中有辦法定到位置，我們需要移動(dòng)電話(huà)中具備高靈敏度GPS 接收器。 簡(jiǎn)言之，低成本的接收器并不會(huì )犧牲性能。而且相反地，由于有先前提到的七樣關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)和突破，首次定位時(shí)間(TTFF)和靈敏度都有驚人進(jìn)步;而且定位精準度也沒(méi)有打折扣，事實(shí)上在城市環(huán)境中，低成本接收器比起傳統接收器，以及新型、動(dòng)輒上千美元的勘測級專(zhuān)業(yè)接收器(survey-grade receiver)卻毫不遜色。 我們已經(jīng)看過(guò)GPS 消費市場(chǎng)規模超過(guò)了預期，從技術(shù)觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，答案較不明確。在過(guò)去十年，消費型GPS 技術(shù)進(jìn)步簡(jiǎn)直一日千里。然而精確地來(lái)說(shuō)，由于這些關(guān)鍵技術(shù)遠遠超過(guò)早期的預測。但是單獨靠GPS 在室內的定位功能卻明顯不足，理想中，我們要的是讓GPS 在室外運作得和室內一樣的好(但是目前還無(wú)法做到，在現階段，我們無(wú)法在單一GPS 本身技術(shù)上有明顯的突破來(lái)改善室內定位的效果)。我們不會(huì )期望單一GPS 的首次定位時(shí)間可以進(jìn)步45 倍，或是靈敏度可以再提升個(gè)30dB。然而，我們卻會(huì )希望借助其它技術(shù)的整合，來(lái)提高性能。圖7 顯示的是一個(gè)市場(chǎng)上的GPS+MEMS例子，型號是Tomtom14950，使用了博通BCM4750 芯片 (上面實(shí)驗中所使用的同樣芯片)、再加上和MEMS 加速度計以及MEMS 時(shí)率陀螺儀的整合，如此，可在舊金山的城市高樓密集區中進(jìn)行測試時(shí)可獲得更良好的定位效果(精確度提升了30%，最壞情況誤差降低一半多)。測試結果顯示方向精確度尤其顯著(zhù)。 圖7線(xiàn)條圖顯示的是在舊金山測試中，對只含有GPS 產(chǎn)品的衛星信號都很差。就單一GPS 來(lái)說(shuō)，定向的角度誤差甚至達到45°，這也是使用過(guò)只含有GPS 的人，都會(huì )遇到的情形：突然之間地圖旋轉到錯誤的方向。如果整合了MEMS 時(shí)率陀螺儀后，定向的角度誤差可縮小到只有3°，和45°誤差相比有15 倍的進(jìn)步。這類(lèi)似過(guò)去十年GPS 發(fā)生的各類(lèi)演進(jìn)，主要因為有“GPS 加值”。 在未來(lái)幾年，我們會(huì )開(kāi)始看到許多技術(shù)加值到GPS 上面：Wi-Fi、NMR/MRL(GSM 及3G 手機協(xié)助定位) ，當然還有GPS+蘇聯(lián)導航衛星系統(GLONASS)、羅盤(pán)、日本準天頂衛星系統(QZSS)和歐洲伽利略系統。 舉例來(lái)說(shuō)，近年來(lái)大多數智能手機、上網(wǎng)本等具有劃時(shí)代意義的類(lèi)似產(chǎn)品，都配備GPS 以及Wi-Fi，而且許多配備了3G 網(wǎng)卡，所以如果GPS 科技發(fā)展出包含Wi-Fi 及MRL 定位，是再自然不過(guò)的事。尋找整合多種無(wú)線(xiàn)芯片供貨商，也是自然的趨勢。畢竟，當有芯片供貨商已經(jīng)為你準備好的時(shí)候，你為何還要花功夫自己動(dòng)手，解決整合不同無(wú)線(xiàn)共存的問(wèn)題呢? 我們展望了下個(gè)十年的導航科技，可以說(shuō)未來(lái)的GPS 特色是會(huì )加上其它技術(shù)。誰(shuí)有能力把技術(shù)整合到最大程度，誰(shuí)就會(huì )是最大的贏(yíng)家。 |
