辅助全球定位系统(A-GPS)革命及其消费市场

最低价GPS性能表现

基本上，GPS 接收器只做三件事：启动、追踪微弱信号、计算定位速度时间和位置。撇开繁琐的细节不谈，主要重点可归纳为：速度、灵敏度和精确度。

从90 年代以来，首次定位时间(TTFF)和灵敏度都有一定程度的进步，这要归功于上述七个关键技术。即使没有精确时间，首次定位时间在辅助冷启动或是未辅助热启动之下，已经可以达到一秒。这比90 年代传统GPS 表现好上45 倍。在灵敏度方面，到1998 年为止，大约有30 倍的进步(达到 -150dBm)，2006 年又增进了10 倍(到-160 dBm)。说不定假以时日，我们会拥有1000 倍的灵敏度。那么准确度又是如何呢?

有些低价芯片被当成是低精确度的代名词，不过这并不正确。的确体积小、成本低的天线会降低定位准确度，然而就相同天线而言，在移动电话极为普遍的环境中，现今市场上最低价的GPS 接收器，其性能表现却优于最贵的GPS 接收器。以下图表的数据会说明这一点。

首先，我们连接一个最小、最低价的GPS 接收器，到一个最好的天线上(扼流圈天线)，架设到可以清楚看见天空的开阔屋顶上。图2 左侧是定位点散布情形，蓝色圈圈显示了有2000 个定位点，它的中位数值是0.9 公尺。右侧是一个19,000 美元的勘测级专业GPS(Survey-grade GPS)接收器量测的结果，使用的是同样的天线。

勘测级专业(survey-grade) GPS比含GPS 移动电话的精准度表现要好上60cm，或者要说好上三倍也可以，看你要怎么说。但先别急，因为这种测试环境既非典型的消费者情境(在屋顶上架扼流圈天线)，也不是我们今日面对的主要挑战。

接下来，我们要在一个比较典型的使用环境中，看看一般消费型天线的精确度表现如何。图3 显示一个主动式平板天线(就是个人导航设备PND 里面会看到的那种)在圣何塞市区的定位情形。圣何塞是一个典型的美国都市，不算是对GPS 最严峻的挑战，但也不是太容易。城中的街道(Lightstone Alley)只有5 米宽，两侧都是高耸建筑物。

要测量精确度，我们使用实际参照的方法，结合GPS 以及配备环状镭射陀螺仪的战术级惯性测量装置(tactical grade IMU)，它可以在图上显示蓝色小点;白色小点是低价GPS 的定位情形。大多数时间白色小点都和蓝色小点重叠，偶而你会看到一些错开的地方，红色线段显示的是水平误差。水平误差的中位数值是4.4 m。



图4 比较了低价及高价的GPS 接收器的表现。当勘测级专业接收器(survey-grade receiver) 接上移动电话使用的平板天线时，出现了很多个定位间距(position gap)，而且当汽车不动的时候，定位却仍飘移(在图的左下以及上侧区域，路口的地方)。这是由于城市环境的信号比较微弱。但我们也先别急，因为这也还不是消费型GPS 最严苛的测试：在严峻的都会高楼密集区像是旧金山、纽约、芝加哥、上海、台北、东京新宿之类地区，才是终极挑战。通常在这些地方，最多只能直接接收到一颗或二颗GPS 卫星，也许也可以借着侦测到清楚的反射信号而收到其他卫星系统的卫星信号，但这不是我们常谈到的GPS 多路径效应，那个是“同时有直接信号也有反射信号”，但这里却是“只有反射信号。其他都没了”。GPS 的直接信号通常都会被高耸密集的建筑物遮蔽，而无法被侦测到。因此很难获得良好精确度。

图5并列比较了移动电话上的GPS 以及勘测级专业GPS(survey grade GPS)，在安装同样的小型天线后，我们在旧金山金融区做测试。勘测级专业GPS(survey grade GPS)完全无法定位!图6 显示可得信号，并解释了原因。在蒙特马利街(Montgomery Street)上，只有依据直接可得的卫星，信号强度是-132dBm，所有其他的卫星的信号强度都低于-140dBm，传统GPS 是无法获取信号的。要能够在这种严峻的环境中有办法定到位置，我们需要移动电话中具备高灵敏度GPS 接收器。

简言之，低成本的接收器并不会牺牲性能。而且相反地，由于有先前提到的七样关键技术的演进和突破，首次定位时间(TTFF)和灵敏度都有惊人进步;而且定位精准度也没有打折扣，事实上在城市环境中，低成本接收器比起传统接收器，以及新型、动辄上千美元的勘测级专业接收器(survey-grade receiver)却毫不逊色。

我们已经看过GPS 消费市场规模超过了预期，从技术观点来说，答案较不明确。在过去十年，消费型GPS 技术进步简直一日千里。然而精确地来说，由于这些关键技术远远超过早期的预测。但是单独靠GPS 在室内的定位功能却明显不足，理想中，我们要的是让GPS 在室外运作得和室内一样的好(但是目前还无法做到，在现阶段，我们无法在单一GPS 本身技术上有明显的突破来改善室内定位的效果)。我们不会期望单一GPS 的首次定位时间可以进步45 倍，或是灵敏度可以再提升个30dB。然而，我们却会希望借助其它技术的整合，来提高性能。图7 显示的是一个市场上的GPS+MEMS例子，型号是Tomtom14950，使用了博通BCM4750 芯片 (上面实验中所使用的同样芯片)、再加上和MEMS 加速度计以及MEMS 时率陀螺仪的整合，如此，可在旧金山的城市高楼密集区中进行测试时可获得更良好的定位效果(精确度提升了30%，最坏情况误差降低一半多)。测试结果显示方向精确度尤其显著。

图7线条图显示的是在旧金山测试中，对只含有GPS 产品的卫星信号都很差。就单一GPS 來說，定向的角度误差甚至达到45°，这也是使用过只含有GPS 的人，都会遇到的情形：突然之间地图旋转到错误的方向。如果整合了MEMS 时率陀螺仪后，定向的角度误差可缩小到只有3°，和45°误差相比有15 倍的进步。这类似过去十年GPS 发生的各类演进，主要因为有“GPS 加值”。

在未来几年，我们会开始看到许多技术加值到GPS 上面：Wi-Fi、NMR/MRL(GSM 及3G 手机协助定位) ，当然还有GPS+苏联导航卫星系统(GLONASS)、罗盘、日本准天顶卫星系统(QZSS)和欧洲伽利略系统。

举例来说，近年来大多数智能手机、上网本等具有划时代意义的类似产品，都配备GPS 以及Wi-Fi，而且许多配备了3G 网卡，所以如果GPS 科技发展出包含Wi-Fi 及MRL 定位，是再自然不过的事。寻找整合多种无线芯片供货商，也是自然的趋势。毕竟，当有芯片供货商已经为你准备好的时候，你为何还要花功夫自己动手，解决整合不同无线共存的问题呢?

我们展望了下个十年的导航科技，可以说未来的GPS 特色是会加上其它技术。谁有能力把技术整合到最大程度，谁就会是最大的赢家。