GPS接收器架构与设计挑战

　　GPS无疑为当今电子产业亮点之一，其主力产品便携式导航产品(Portable Navigation Device，PND)近年来交出极亮丽的销售佳绩。根据"资策会MIC"日前发表的最新预测报告指出，2007年全球PND市场的规模突破2600万台，较2006年成长43%，其中标准型PND市场规模将达2320万台。

　　GPS的设备可分为三大类，即车用GPS、便携式GPS和其它应用设备(如航空、军用等)。现在当红的PND属于车用GPS的一种，另一种则为内置型GPS系统。内置型GPS通常与CD/DVD等车用信息娱乐(Infotainment)系统整合，此类系统的价格极高，可达1000美元；相较之下，PND的价格便宜许多，而且持续在降价，大致可分为三种等级，即PND系统模块价格约199美元的入门级产品、约299美元的中端产品，以及可达399美元的高端产品。

　　另一类值得关注的类型则是GPS手机和GPS PDA等便携式GPS设备，这个市场的用户数又远大于车用市场，因此其成长远景相当令人期待。不过，由于其应用性与汽车导航大相径庭，强调的是个人化的移动定位增值服务，如各种位置服务(Location basedservice, LBS)，这些服务的内容及服务体系、机制都还在建立当中；此外，由于便携式GPS设备经常会走入室内使用，因此对于定位技术的要求会更为严格。

图1　GPS设备分类

GPS接收器运作架构

　　这些GPS设备当中的定位核心单元即是GPS接收模块。这一模块包括被动或主动天线、RF前端、GPS引擎、处理器(通常为ARM7)、内存(ROM/RAM)和实时频率(RTF)IC等，此外还必须搭配温度补偿型振荡器(TCXO)；如果有特殊的应用需求，还得使用到外部的Flash、EPROM或Serial EEPROM等内存。接收及初步处理好的卫星数据会再通过UART、USB等接口传送给系统中的主处理器／控制器，再与地图或其它应用程序结合运算，并输出定位导航等画面到显示器上。

　　再进一步来看看GPS的运作架构。一般来说，GPS天线与接收器是分开设计的单元，而GPS接收器指的是包括射频(RF)与数字基带(BB)两大部分。在建置上，GPS设备的设计者可以选用分离式的芯片组作法，以获得较高的设计弹性；也可采用集成的SoC或SiP芯片，以降低采购成本及设计难度，此外，整合式芯片也具有尺寸小的优势。

　　在运作架构上，RF前端的功能在于将从GPS天线接收到的高频卫星信号转换为基带可读取的中、低频信号，再利用GPS基带来进行卫星信号采集(acquisition)及追踪(tracking)的工作。在GPS引擎中的主要组成为所谓的相关器(correlator)，由相关器再组成通道(channel)，而相关器与通道的数量正是决定定位效能好坏的关键所在，因此GPS芯片制造商无不致力于提升其数量，其中高端GPS接收器的相关器件数量甚至已可达一百万个，而通道数可达50个(u-blox 5)。

　　

图2　卫星信息组成及接收所需时间

GPS卫星信号原理

　　现在天空中的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电码(C/A code)及P电码，一般我们用得到的是L1及C/A电码，L2及P电码则为美国军方在使用。

图3　冷启动需经过搜寻、接收星历数据及追踪三阶段

　　在L1上所搭载的卫星信息以信框(Frame)为单位，每个信框为1500 bits，其下又分为五个子信框(Sub-Frame)，它的内容包括卫星的星期时间(Time of week, TOW)、广播星历(Broadcast Ephemeris)、电离层参数及万年历(Almanac)等，请参考表1。其中广播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；万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。

　　GPS设备的TTFF与其启动条件有关，可以分为三种情况：一是接收器本身完全无有效卫星数据的冷启动(Cold Start)；一是接收器具有有效的万年历数据、时间和起始位置，称为暖启动(Warm Start)；如果再具有更准确的广播星历数据，则称为热启动(Hot Start)。

　　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个别的广播星历及卫星时间数据，才能正确地计算定位。由于卫星是以50 bit/s的速率来发射信号，因此同步收齐四颗卫星一个完整信框数据的时间，至少需要30秒(即1500bps)，其中需花18秒下载广播星历。万年历方面，由于每次更新的数据需用到25个信框来传送更新的万年历数据，因此要完整的下载，需要用掉12.5分钟。

　　因此，冷启动与热启动的定位时间相差甚大，前者所需时间至少需要18~36秒，接收过程中如果出现了任何干扰而导致信号中断，那就得重新再接收一次。相较之下，如果在GPS设备的内存中已有完整且有效的广播星历资料，只要确认目前在头顶上的四颗卫星，即可立即进行定位计算，定位动作甚至在1秒之内就可完成。