滿足行人定位和GPS手機需求　混合式定位技術出線

市場調研機構Berg Insight最近的研究報告預測，到2009年，基於手機的個人導航解決方案在歐美地區的出貨量將達一千兩百萬套。回想在2005年手機和導航技術首次成功結合時，板上和板外(On-board and Off-board)系統出貨量大約只有一百萬套，預期基於手機的個人導航解決方案逐年成長率將高達86%。  

從儀錶板過渡至手機  

把導航技術引入大眾市場不只是簡單地對現有GPS性能和功能性重新包裝便可，在專用導航系統中，設計人員可以為用戶建立理想的接收環境，來接聽藏在背景雜訊下的訊號，比如採用大型彩色顯示器提供用戶指南，採用能夠應付類似美國加州莫哈維沙漠(Mojave Desert)情況的交流發電機來滿足能量需求。  

但相比之下，一般的電話環境吵雜不良，而且只備有極小的顯示螢幕和彌足珍貴的電池能量，此外，GPS應用往往只是行動電話上的眾多應用之一，所以功率管理是關鍵問題；而具備GPS功能的行動電話由於尺寸的限制和新設計的各種考慮事項，使在天線放置和接收器雜訊隔離方面的選擇很有限。要把GPS接收器整合到電話中，前者的尺寸必須很小，並對遠程衛星近乎靜默耳語般的訊號非常敏感，以及能夠不受最靠近它的噪音源比如電話的內置掃頻發射器的影響。  

然而，對於穿梭於建築物林立、衛星可見度很低的城市峽谷，並在室內室外不斷進進出出的行人來說，並不會因為上述的挑戰而對傳統GPS接收器網開一面。  

精確度和可靠性備受關注  

在購物中心使用全球定位服務找尋一個丟失的孩子，或在不熟悉的地方找尋一家電影院，與告知駕駛員高速公路出口及超速攝影機的位置所在是截然不同的工作。如果連把一般的GPS接收器安裝在汽車儀錶板上都很困難，又該如何把它們放進外套的口袋中呢？  

不過，在汽車系統中運用航位推算(Dead-reckoning)原理，從上一個位置計算出當前位置、速度和方向還是比較容易。另外，地圖資料庫和使用者對道路的了解也有助於進一步確認位置，於是使用者可推測出汽車的行進路線。  

然而，人的行動卻是變化多端，難以預測的。人們常常抄捷徑，進出各個建築物，停下，出發，又突然改變方向。但他們卻可能較駕駛者更須要知道非常精確的位置資訊，例如不僅須要知道在哪一條街上，還要進一步知道在街道的哪一邊。車載導航系統每秒可完成數次資料收集，並能夠刪除錯誤的測量資料；而行人導航系統卻只能在一個街角收集一次資料，這使每一個GPS位置的精確度和可靠性比汽車應用中的更為重要。  

結合AGPS和伽利略技術  

要針對上述所有挑戰構建一個系統，性能是設計人員關注的主要問題，晶片供應商提供各式各樣的純GPS技術解決方案，例如輔助GPS(Assisted GPS, AGPS)和伽利略(Galileo)系統，而這些都是Berg Insight在2006年所做的位置定位服務(LBS)調查中，許多受訪供應商和業內顧問認為的重要技術。其中，44%的受訪者預期AGPS和伽利略將成為最重要的定位技術，另外39%則指出，最重要的是二者或更多技術的結合。  

強化演算法/結合慣性感測器  

關於性能的一個特別關注點是，在人口密集的城市和室內環境中，訊號強度會大幅削弱，倘若單靠提高接收器靈敏度不可行或不足夠，必須找出解決這一問題的方法，其中，減少這些系統依賴的衛星數目是一種可能的解決方案，GPS演算法的發展允許接收器定位只基於一顆或兩顆衛星，甚至在缺乏足夠訊號來完成傳統GPS資料收集的情況下，也可獲取重要資訊。不過，相較開放式環境中通過從多個衛星訊號獲得資訊而計算所得，此位置估算方法的精確度在可靠性上較差。  

另一種選擇方案是慣性導航系統，當接收器只有極少甚至沒有可視衛星訊號時，結合慣性感測器如指南針、高度計或步程計等的最新定位計算技術，就能提供傳統GPS無法實現的定位估算。在高樓林立、衛星可能時隱時現的環境中，整合上述類型感測器對性能來說極為有利。不過，若要靠感測器來放大GPS接收器的接收訊號，在缺乏衛星訊號的情況下，這些方法尚無法支援長時間的準確定位。  

利用其他技術輔助  

開發人員逐漸考慮採用GPS以外的補充系統，從而在對衛星導航不利的環境中提供良好的定位資訊。Cell ID和單元三角測量(Cell Triangulation)方法在人口密集區域、室內及戶外提供很好的覆蓋範圍，但精確度較衛星系統為差，例如，Cell ID精確度一般在一到二公里間，而單元三角測量技術要好很多，至於增強型GPS(Enhanced GPS, E-GPS)等系統在缺乏GPS訊號時精確度也達一百公尺。但不少蜂巢定位技術都有一個缺陷，那就是需要在網路基礎架構中增添額外的支援硬體。  

廠商開發出一套E-GPS系統，配備有GPS接收器的蜂巢手機可接入由基於蜂巢技術三角測量系統所支援的GSM網路，從而提供快速定位和無縫的覆蓋範圍。這種特殊的解決方案大大增強服務的可靠性，可以較少的衛星實現定位、內建感測器和能夠實現行人航位推算的演算法、以E-GPS補足傳統的GPS，還可被整合到支援伽利略衛星的混合系統中。  

重要的是，能夠利用蜂巢訊號進行定位測量的軟體，毋須在手機中增加任何額外硬體，也毋需任何網路基礎設施；建基於網路的測量與衛星技術互相結合，可以實現快速的全方位、全區域定位；根據原型系統的現場測試顯示，該方案可進行連續跟蹤，在城市和室內等各種環境下能夠於十秒內提供一百公尺範圍以內的精確度。因此，GPS用戶便可以在室內體驗到可靠運作並快速收集資料的定位服務。  

這種混合式解決方案不僅能夠確保各處定位資訊均快速和精確，而且由於毋須花費昂貴的成本對網路基礎架構進行修改，所以還可以有效地減小終端設備的成本和功率。  

手機內建AGPS 功耗待克服  

AGPS也是一種混合式解決方案，它把GPS和無線鏈路結合到蜂巢基地台中的一個輔助伺服器中，該伺服器可幫助執行實現範圍測量和定位解決發案所需的任務。各種AGPS技術為手機設計人員提供不同的選擇方案，來具體劃分網路和行動設備之間的定位負荷量，目前最流行的AGPS解決方案之一，是利用CDMA手機的基礎設施，由於它在伺服器端計算手機的位置、速度和時間，故可把手機的工作負荷減至最小，從而降低行動基站對功率的要求，並使AGPS的實現成本較低廉。可惜的是，受限於CDMA網路，AGPS的性能達不到消費者對定位服務的要求，因為它是針對緊急服務需求而設計。  

另一種方案可透過行動設備自身內部的位置、時間和速度計算來實現，這樣，手機會自動獲得資料以存取位置定位服務，並提供導航/定位功能。如此一來，網路的壓力便較小；而更重要的是能連續處理定位資訊，這點對消費應用至為關鍵。不過，這種方案需額外的硬體，事實上，GSM這類非CDMA網路總是需要硬體來提供定位資訊。這種系統的主要缺點是要求更高的處理能力，而且耗電更快。  

目前廠商也正在努力以各種方法解決功耗問題，諸如靜默跟蹤(Silent Tracking)和搶先定位(Pre-emptive Positioning)等技術能夠在對電池壽命造成最小影響的情況下，實現定位感測和衛星同步，整合這些技術的晶片能以最少的成本增添GPS功能。此外，只要在最後收集的位置資訊上增加方向和速度的測量值，便可以獲得進一步的定位資訊。  

為手機而開發的航位推算解決方案考慮到行人的特殊需要，例如無法獲得衛星訊號時，指南針技術及慣性感測器能夠在強大GPS訊號的環境中被校準，以進行航位推算。  

伽利略系統增加衛星數  

像航位推算、E-GPS和AGPS等解決方案，皆旨在從數目有限的可視衛星中，獲得更精確的連續定位資訊，對於行人定位，須使用的衛星數目可能更多，例如由歐洲委員會和歐洲太空總署聯手開發的伽利略系統所提供的額外衛星服務。  

伽利略系統將建造一個由三十顆衛星提供定位和定時服務的基礎架構，該技術建立在GPS經驗基礎上非常可靠，其衛星星座結構及基於地面的控制與管理系統，其精確度類似、甚至高於GPS。  

同時支援GPS和伽利略的混合系統將能夠確保在全球每一角落的地平線上都有足夠數量的衛星，從而保證在各城鎮乃至緯度極高的地區都能接收到訊號。GPS和伽利略基礎架構相互協助，提高精確度和安全性，同時採用兩個獨立系統，能讓所有用戶都受益，因為他們將能夠使用同一個接收器來接收GPS和伽利略訊號。混合式GPS和伽利略技術有助於增加用於室內和城市峽谷的可視衛星數量，已有廠商推出相關接收器，可同時支援GPS和伽利略系統，從而提供最佳的覆蓋範圍，滿足消費者對性能的期望。  

量化性能 E-GPS勝出  

針對各種不同方案包括帶有獨立式GPS的增強型Cell-ID、AGPS和E-GPS等，量化性能是很重要的，高靈敏度無疑是高可用性和室內定位的重要因素之一，但單單以接收器靈敏度作為性能的準確指標則過於簡化，由於接收器靈敏度能自然量化，因此要找出其他重要因素，如訊號處理演算法、啟發式衛星搜索、採集和跟蹤演算法、時鐘精確度、搜索策略的靈活性、功耗以及處理負載等，並與之作出比較變得更加困難。

增加GPS射頻功能  

在實現E-GPS和AGPS解決方案時，具有不同整合度的各種設計方案都將在不同階段上彼此相關，例如與設備應用及基頻處理器分開的完整GPS接收器；而與之相反的則是軟體GPS，所有的訊號處理和定位計算都在主機處理器上執行，只須外接無線射頻(RF)前端即可。  

目前可行的混合式解決方案介於上述兩個方案之間，未來有兩種可能的發展方向，一種包含三個模組：主機處理器、GPS基頻處理器和GPS射頻，這條發展路線是整合更多的前端功能，最終構成一個兼具單晶片GPS前端和主機微控制器的解決方案。這種方式不但產生最佳化硬體，還為射頻晶片帶來附加價值。增加前端模組以實現新的功能，例如藍牙、數位廣播視頻和其他無線電功能等，意味著須要重新改動設計中最複雜的部分，因為處理功能都與射頻整合在一起。  

軟體GPS滿足快速上市  

而另一種發展方向是GPS加速器晶片、射頻前端及主機處理器共同工作，其後這個加速器和主機處理器被整合在一起，當把伽利略功能性增添到射頻晶片的既有GPS中時，該架構也被保留下來。於是，未來用於行動電視和其他功能的無線電技術將完全內建在射頻晶片中，而增強的軟體功能性可更快速及容易地內建於主機處理器軟體。  

在第一個方案裡，有可能得花上兩年的時間來等待單晶片前端經過重新設計，然後才能實現增強的功能；但利用第二種方案，短短數月之內就能夠推向市場。  

(本文作者為SiGe半導體GNSS解決方案部產品行銷經理)