基于伽利略与gps定位技术的结合应用分析题（基于伽利略与GPS定位技术的结合应用分析）

全球定位系统(GPS)的功能正迅速成为消费电子应用的主要市场驱动力，并逐渐成为各种新一代消费电子设备的重要区别。精确定位能力已经被添加到诸如汽车、个人导航设备甚至蜂窝电话的应用中。此外，许多先进的GPS服务正在开发中，如基于位置的广告。事实上，能够在地图上定位用户的功能足以推动GPS成为主流设备，但前提是整体的物料清单(BOM)成本和处理器负载不必大幅增加。

然而，为了以消费者愿意支付的价格为他们提供预期的GPS性能和精度，开发者必须熟悉一些关键技术，以在消费电子设备中实现GPS功能，尤其是全新的伽利略卫星网络。借助伽利略卫星提供的辅助信号，个人导航设备可以比只有GPS功能的设备更快更准确地获取并锁定位置，尤其是在最需要位置定位服务，但GPS精度不够的城市环境中。此外，随着软件基带处理(类似于软件定义无线电)等创新技术的出现，制造商可以在不影响成本和功耗的情况下，将定位技术引入个人多媒体播放器和手机等设备。所有这些因素使得伽利略和GPS的结合成为一项有吸引力的技术。

1.伽利略：有效弥补GPS网络的不足。

伽利略卫星是在欧盟的赞助下开发和推广的并行全球定位卫星网络。开发伽利略不是为了与GPS竞争，而是为了与之合作。伽利略卫星会在多个频段发射信号，其中一个频段和GPS一样是L1频段频率，这个频段频率在互补轨道的GPS卫星之间是分开的，这样在特定位置可以捕捉到的信号量会大大增加，这对高楼林立的城市接收设备的精度影响很大。至少需要四颗卫星才能获得足够的位置锁定信号，基于伽利略/GPS的个人导航设备可以同时使用两个系统的卫星，这意味着可以有更多的卫星信号。事实上，这种高精度足以让个人导航设备确定行人在道路上行走的方向。

GPS已经存在30多年了。1978年，第一颗探测卫星被送入太空；1989年，第一颗实用卫星被送入轨道。全球定位系统于1993年达到其初始运行能力，并于1995年达到其全部运行能力(FOC)。GPS由美国国防部管理，最初不是为商业市场设计的。

实际上，伽利略是全球定位系统的有效补充。伽利略可以提供比GPS更高的精度(伽利略的精度在商业应用中是/-4m，而GPS s的精度是/-10m)因为可用的信号更多，而且不受某个政府机构的控制(比如它可以在没有警告的情况下停止服务或者改变卫星的精度)。

目前，伽利略试验卫星GIOVE-A已经部署完毕，该技术的所有重要传输机制都得到了验证。随着深入部署，将有27颗伽利略卫星被送入轨道。由于目前的产品开发周期很长，许多OEM厂商已经开始考虑实施基于Galileo /GPS的架构，并让相关产品逐步进入市场，让消费者在Galileo系统正式投入运营后就能立即享受到优势。理想情况下，这些设备目前只使用GPS，但当伽利略卫星定位系统完成后，可以快速升级收集伽利略信号。即使OEM厂商没有升级已经投入使用的设备的计划，现在设计可以支持两个系统的架构也可以避免Galileo系统建立时产品推出的延迟和错过的商业机会。

今天的GPS架构由天线、射频(RF)接收器、基带处理器和连接到应用处理器的输出总线接口组成(见图1)。这类传统设备不受功耗约束，也不需要太大的灵活性，因为是针对特定设备(如车载GPS)开发的，所以可以高度优化接收机硬件的性能。他们的无线部分，无论是硬件还是软件，都很少或没有可配置的能力。它们往往以模块的形式卖给厂商，所以OEM厂商没有必要掌握更多关于射频设计和测试的细节。

图1:基于硬件基带处理的GPS架构框图

虽然在特殊应用的实施中节省了大量成本，但维护两个不同的RF子系统(伽利略和GPS)的成本远远超过了消费市场的容量。更重要的是，这两个RF部分占用的空间和消耗的功率增加了一倍，应用处理器需要两个总线接口。在这种情况下，将这些RF器件集成到一个子元件中可以降低整体成本、复杂性和功耗。

事实上，由于GPS和伽利略使用相同的频段(中心频率为1.575 GHz)，所以两个系统共用一个射频部分是可能的。但是，信号采集方法的细微差别需要通过可配置的方式来实现。特别地，伽利略信号使用4MHz带宽，而GPS使用2MHz带宽，并且实施不同的编码方案。从基带的角度来看，这些调制方案都可以用相关器解调，所以我们可以使用一个基带处理器，独立配置一个灵活的相关器模块，同时解调伽利略和GPS信号。

2利用未充分利用的计算能力

传统的基带处理是通过硬件实现的。然而，伽利略信号方案尚未最终确定。如果现在用硬件实现，基带的灵活性(只能用软件实现)需要重新配置，根据最终标准做必要的修改。此外，基于硬件的实现方案通常不灵活，难以适应通过修改来提高性能和精度的新信号处理算法。

低成本实现Galileo /GPS功能的关键是利用现有架构中未充分利用的计算能力，在软件中实现一些基带处理功能。例如，移动电话具有处理与通信无关的所有功能的应用处理器。随着人们对音乐和文章播放等多媒体服务的兴趣日益增加，这种处理器变得越来越强大。然而，当不使用这些服务时，应用处理器通常是空闲的，并且一般会将其断电以降低其功耗。

图2:双硬件架构和软件架构实现的Galileo /GPS系统框图。

当基带处理可以在应用处理器上的软件中实现时，消费者Galileo /GPS接收机就有可能实现。这样，因为一个接收机硬件已经可以支持多个卫星系统，所以基于软件的伽利略/GPS相当于软件定义无线电(SDR)。此外，随着无线通信技术的不断集成，可以预测在不久的将来，消费电子设备将使用多功能无线电技术来支持用可配置软件基带实现的蓝牙、WiFi和Galileo /GPS。

开发者可以选择继续使用硬件来实现GPS的基带处理，使用未充分利用的主处理器资源来执行Galileo 软件中的基带处理；或者同时在软件中实现GPS和伽利略基带处理。这两种方法都可以降低在消费应用中实现位置服务的成本，但在软件中同时实现这两个基带过程可以完全消除对硬件基带芯片的需求。

特别是如果基带处理用软件实现，Galileo /GPS系统的价格可以降低50%以上。基于软件的Galileo /GPS系统在供应时有望达到1美元的价位，而促成这一目标的因素之一是功能软件本身的商业模式：软件开发时不会有制造成本，软件一直是与硬件捆绑在一起作为推广硬件的手段。集成固定基带处理技术(如相关技术)和射频电路可以进一步节省成本(见图3)。此外，Galileo可以随时添加到基于软件的基带设备中，而不会增加整体硬件成本。相对来说，如果是基于硬件的实施方案，伽利略配置的实施会增加设备的零售成本，但不会马上给消费者带来价值。

图3:分为软件和射频部分进行处理的功能框图(即将相关功能从软件转移到无线部分进行处理)。

软件基带处理是否可行可以通过评估最坏情况负载来确定。对于Galileo /GPS，峰值处理将发生在初始信号获取期间或定位丢失之后(例如，在驶过长隧道之后)。当位置被锁定后，基带处理的计算量会大大减少，因为一旦系统掌握了位置信息，维护位置信息就更容易了。

当然，最坏情况的处理不能过多占用应用处理器的计算能力，以免影响其他功能。最初的软件基带实现方案将消耗多达66%的手机应用处理器(如ARM9)的可用计算能力，但软件供应商希望将这一负载降至略高于可接受的10-15%。

实现这一目标的方法之一是采用非实时技术。将数据作为信号流实时处理需要基于中断的处理能力，但这将导致不同应用中实时任务的高开销和复杂管理。此外，由于处理器不断被中断处理各种信号，其电源并不总是关闭，从而大大增加了整个系统的功耗。

非实时处理采用突发方式，一次采集多个数据样本进行处理。虽然这样会增加延迟，但是这个小延迟是可以忽略的，不会影响精度或者用户体验。因为数据是集中的，所以当应用程序处理器不忙于处理更高优先级的任务时，它可以安排处理时间表。需要注意的是，与实时处理的情况不同，这个处理器不会定时唤醒，只做基带处理；相反，当处理器被某个任务唤醒时，它会进行基带处理，让处理器的背面长时间休眠。

3解决灵敏度问题。

对于伽利略/GPS接收机(尤其是移动电话)，灵敏度是性能和精度的关键指标。信号采集要求接收机上的信号电平(在A-GPS系统中)在-130到-155 dBm之间，比射频前端模块获得的噪声电平低19到34dB左右。相关器将带宽为2MHz的信号扩展为带宽为50Hz的数据信号，从而提供43dB的相关增益，从而将有用信号提高到噪声水平以上，并有助于它们的处理。然而，接近有用信号的频率或有用频带中的谐波的任何其他通信信号都可能成为干扰源，并进一步降低接收机的灵敏度。

最常见和最具破坏性的干扰源来自个人导航设备本身。比如手机远离基站，以最大功率发射，就意味着在同一台设备中，1800MHz的频率下可能存在30dBm的信号，进一步导致最差情况下伽利略/GPS信号的灵敏度衰减。

有几种方法可以克服内部传输干扰。首先，因为发射信号是已知的，所以可以从伽利略/GPS信号中减去它。另一种方法是使用滤波器将蜂窝电话的干扰降低70dB以上，以保护输入的卫星信号。

然而，如果GPS具有2MHz的带宽，而Galileo扩展到4MHz，则双接收器架构具有两个最佳滤波器。GPS的调制方式是BPSK，而Galileo的调制方式是BOC (1，1)。这样，两个信号可以占用相同的信号带宽，然后相关器可以区分GPS信号和伽利略信号，反之亦然。

该滤波器也适用于基带处理器。当基带由硬件实现时，这些滤波器的参数是固定的，限制了无线部分的优化程度。然而，如果基带滤波由软件实现，这些参数可以改变，以匹配特定的信号条件。此外，随着滤波算法的发展，这些滤波器可以应用于现有的架构。尽管各种移动电话的架构存在很大差异，但这种灵活性使得单个双无线接收机架构能够很好地应用于不同的产品线。

不良晶振或VCXO参考时钟也可能严重降低灵敏度。一般来说，时钟源越稳定，成本越高，但采集时间越快。例如，0.5ppm的参考时钟将使锁定时间达到40秒的量级。如果采集时间不成问题，那么2.5ppm的参考时钟就足够了。

很多人误以为GSM参考时钟可以产生稳定的伽利略/GPS参考时钟，其实不然。GSM参考时钟被锁定到网络，并且需要频繁的频率校正。有时，这些校正通过GSM基带驱动DAC来实现，然后驱动VCTCXO。参考时钟频率的逐渐变化不会使伽利略/GPS接收机与卫星信号保持锁定，尤其是在信号较弱的地方，这会导致定位丢失。因此，最安全的方法是为Galileo /GPS子系统使用独立的时钟，但这会增加整个设备的成本。开发人员需要仔细考虑性能和成本之间的权衡，并避免开发出可能在体系结构设计过程的早期阶段，不能满足最低的准确性要求。

总之，伽利略系统可以提高全球定位服务的可用性和性能，增加的精度可以完美补充GPS的不足。借助基于软件的基带处理功能，个人导航设备(包括手机和便携式媒体播放器)将能够充分利用应用处理器的闲置处理能力，以低成本的方式实现伽利略/GPS双无线子系统，进而改善消费者全球导航模式。