全球定位系统(GPS)技术能够随时精确地确定你的真实位置，即便你不想让别人知道。GPS现在已经成为许多依赖位置、定位和导航的商用和个人产品中的基本功能。GPS技术每年都会更新，以使它变得更精确。目前，许多低成本GPS射频芯片和导航接收器已使得每个人都能买得起。事实上，一个明显的趋势是越来越多的手持产品开始增加GPS功能。
GPS的工作原理
GPS系统由24颗运行卫星组成，其中至少有三颗备用卫星，这些卫星的运行轨道离地面12,548英里或10,898海里(20,200公里)，与赤道夹角为55°。总共有6个轨道，每个轨道有4颗卫星。每个轨道的卫星运行周期是12小时差2分钟。
因此在地球上任何地方都可以始终“看到”至少5~8颗卫星。在位于美国科罗拉多州的陆上，USAF建有一个用于监视和控制卫星的地面站。该地面站能确保星群中的每颗卫星都运行在正确的位置上，同时获取需要传回地球的正确的位置数据。
每颗卫星都携带有四个原子钟(两个铯钟、两个铷钟)，它们可产生绝对精确的定时脉冲。这些脉冲用作生成发送往地球接收机的信号的基准。每颗卫星都有自己唯一的伪随机码(PRC)，以便将自身与相邻卫星区分开来。
另外，每颗卫星还发送被称为星历的信息，这些信息精确定义了卫星在轨道上的位置。这种信息可以被翻译为地球上识别经纬度的地面轨迹，从而提供被请求的位置数据。地面站每天都会更新星历数据。
每颗卫星都是用微波L波段的1,575.42MHz频率发送它的PRC和星历数据。这被称为L1信号。接收机可以通过卫星唯一的PRC识别每颗卫星，方法与其它直接序列扩频系统一样。PRC采用二元相移键控(BPSK)技术以1Mbps的速率发送，每1023位重复一次，它称作粗捕获(C/A)编码。
图1显示了这一编码如何用作导航数据的碎片码，其产生速率是50bps。导航编码包含有星历数据。整个L1信号占用约1MHz的带宽。
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| 图1：GPS卫星发射机以50W或者更低的功率发射直接序列扩频信号。 |
每颗卫星还以1,227.6MHz的频率发送L2信号。L2信号使用另外一种被称为P编码的1023位PRC。P编码的产生速率是10.23Mbps，并用于拆分50bps的导航数据。P编码还可以被加密，在这种情况下就称为Y编码。结果信号再调制1,227.6MHz的载波和L1信号。L2信号严格用于军事用途。
回到地球上，接收机捕获这些信号，运用巧妙的三角算法解出时间、海拔高度和位置数据。位置信息表现为经度和纬度。由于有可用的时间信息，因此也能计算出速度。接收机制造商称之为PVT，或位置-速度-时间输出。利用优异的软件和地图叠加技术就可以在详细的地图上显示你的位置，就像上世纪60年代詹姆士邦德的电影中展示的那样。
要获取GPS定位信息，最关键的是能“看到”卫星。由于这些卫星离我们有12,000英里之遥，你需要能捕获到的所有信号以及一副好的天线和一台超级灵敏的无线设备。获取信号的唯一实用方法是让天线能无遮挡地“看到”卫星。如果在室内你就会失去卫星发送的信号。这也是GPS无线设备只能在室外或带窗户的汽车中使用的原因。
一旦能很好地看到卫星，接收机就会花几分钟时间锁定其中的一颗卫星，并提取数据；成功提取数据后再转而锁定另一颗可视卫星，再次提取数据；再锁定第三颗卫星，并一直这样下去。确定经纬度数据需要三颗卫星，海拔和速度计算则需要四颗卫星。
接收机测量信号从卫星传送到接收机的时间。光或无线电波在空间的传播速度(稍少于30万千米/秒)是已知的，因此只要知道精确的传输耗时，接收机就能计算出它到卫星的距离。该距离值与来自卫星的其它数据一起被用于计算。
接收机本身通常是超外差或直接转换类型的器件，并由片上或外部CPU完成DSP解调和基带恢复。处理器的功能一般都很强大，通常采用具有浮点运算功能的32位CPU，因此能够获得需要的精度。
增强型GPS
虽然GPS很精确，但仍不能完全满足许多应用的精度要求。军事用途可以获得小于1米的精度，但这种精度是商用或个人设备所无法达到的。目前商用接收机的精度约在10米以下。有几种增强型GPS已被开发出来，可用于需要更高精度的商用设备。
这些GPS包括差分GPS(DGPS)、广域增强系统(WAAS)和辅助GPS(A-GPS)，这些GPS都使用附加系统来提高定位信息的精度。其中最早的DGPS是由美国海岸警卫队(USCG)实现的。
USCG在沿着美国海岸线和主要水路建立了一些固定的基站，并且已知这些固定位置的精确的地址信息。这些基站监视卫星，并将收到的信息与自身已知的精确位置进行比较。系统会确定任何一点差异或误差，然后通过一个工作在285到325kHz范围内的独立发送器将此误差发送给邻近的DGPS无线设备。
DGPS无线设备同时装备有GPS接收机和DGPS信号的接收机。误差数据经过处理器计算出更精确的位置。实现好于5米定位精度。DGPS接收机已得到广泛使用，但它们只在有此类信号的沿海地区才有效。船舶确实能从这种更高精度的导航中获益非浅，而铁路行业也有类似的系统。
美国联邦航空局(FAA)开发的WAAS能让飞机实现由仪器导航的盲降。事实上甚至DGPS优于5米的精度等级还不足以确定跑道的实际位置和范围。
FAA在整个美国部署了约25个地面站，有一些位于海岸边，它们都具有已知的精确位置。这些站监视GPS卫星并判断误差。这些误差再广播到两颗地球同步卫星上，再由这两颗卫星将误差信号转发到地面上专设的WAAS GPS无线设备上。依靠这一系统可以将位置精度提高到3英尺以内。
A-GPS(辅助GPS)可以与手机一起使用。许多手机，特别是Verizon和Sprint Nextel系统中使用的CDMA手机，其内置的GPS接收机可以用来满足美国政府对所有蜂窝电话实施E911条例的要求。因此当这种手机拨打911时，手机的位置能被精确地确定，从而在即使没有任何方位信息的情况下，紧急救援人员也能快速响应和定位求救者。
顺便提一下，工作于AT&T(以前的Cingular)和T-Mobile系统的手机不使用GPS。它们采用另外一种定位技术，该技术基于可以收到目标手机信号的三个基站的位置信息，通过三角计算的方法得出持手机者的具体位置。无论是哪种情况，A-GPS都只能工作在具有GPS功能的手机上。
A-GPS能在手机进入室内时利用蜂窝网络提供位置信息，这时天线是无法“看到”卫星的。在该网络中，由定位服务器监视卫星，并知道其精确位置。该服务器再通过网络与手机交流信息。
使用GPS的挫折感来自接收机锁定卫星信号并接收定位数据需要较长的捕获时间。“首次定位时间”(TTFF)从接收机冷启动开始算要好几分钟，这是因为导航数据的传送速度只有50bps。
遇到紧急事件时需要更快的锁定时间。实现快速锁定的一种方法是让手机的GPS接收机使用定位助理从定位服务器那里取得当前位置信息。这能让GPS无线设备知道从哪儿开始，从而将初始计算用的启动时间从分钟缩短到秒数量级。于是，即使手机失去与卫星的联系，它仍能从服务器取得定位数据，从而仍有可能确定自己的位置。
手机中的GPS接收机存有上一次已知的位置信息。经过与本地服务器的反复交流后，电话能很好地预测出自己的位置，并将该信息传回网络。
大多数A-GPS内置在CDMA电话中，并且是由Qualcomm的gpsOne芯片组实现的。A-GPS也能用于GSM/WCDMA手机，但目前还没有实现。
最终在AT&T和T-Mobile的蜂窝电话中可能会内置GPS。A-GPS一般采用TIA/EIA和ANSI标准。其它A-GPS标准还有无线资源控制(RRC)、无线资源定位协议(RRLP)和安全用户平面定位(SUPL)等。
全球导航卫星系统(GNSS)
虽然GPS是应用最广泛的卫星导航系统，但导航系统不止这一种。俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)投入使用的时间几乎与GPS一样长。GLONASS由12颗卫星组成，主要功能与GPS相同。该系统主要应用于俄罗斯、北欧和加拿大。
正在筹建的欧盟伽利略卫星导航系统也是类似的系统，它甚至工作在相同的L1频率。该系统采用29颗卫星，运行轨道正好填补了GPS卫星的空缺。同时具有GPS和伽利略接收功能的接收机可以获得更好地覆盖和更精确地定位信息。
目前轨道上只有一颗伽利略卫星，但已有计划在今后几年内发射更多颗卫星。系统全部正常工作的时间大约在2010到2012年之间。
GPS设计方案
目前业界专注于个人导航设备(PND)和使用GPS的汽车组件。手持GPS无线设备已很普及，事实上目前每辆轿车和卡车都提供了GPS导航系统作为选择。当前的发展趋势是在其它设备中增加GPS功能，特别是便携和手持设备(如手机和PDA)甚至用于可以标记照片位置信息的数码相机。
微型尺寸和更低功耗的最新器件可以使这一切成为现实。任何新设计都需要加入GPS接收芯片、处理器以及最重要的天线。现在几乎有成打的接收器芯片可供选择，著名的制造商有Atmel、Global Locate、Glonav、英飞凌、美信、硅锗半导体、SiRF、ST和TI等。
定位于促进手持GPS发展的瑞士Nemerix SA公司开发的便携和移动器件可满足人们对低功耗和小尺寸的要求。它的NX3接收器据称是目前功耗指标最好的产品之一。该器件功耗只有约35mW，其-158dBm的接收灵敏度在业界也是数一数二的。
NX3采用6×6mm的封装，在硅锗(SiGe)接收器前端内采用了堆叠式裸片，并集成有一个低噪声放大器(LNA)和一个CMOS基带处理器。输出信号通过串口连接到主处理器。处理器通常采用5到10MIPS的ARM7或ARM9，主要用来运行GPS软件。NX3也提供完善的A-GPS功能。
Nemerix最近还发布了Nex扩展星历解决方案。这是一个与A-GPS一起工作的软件组件，可以每七天为接收机提供常规的预测星历更新。这样接收机就无需从卫星上下载全部的星历数据，完成全部的下载通常需要花数分钟时间。事实上，Nex可以将TTFF缩短到约5至15秒。
硅锗半导体公司的SE4120S可能是体积最小的新型GPS接收器芯片之一(图2)。其尺寸只有4×4mm，非常适合嵌入在蜂窝电话和其它便携式设备中使用。作为一个很好的卖点，SE4120S也具有完整的伽利略接收功能。
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| 图2：硅锗半导体的SE4120S芯片在4mm×4mm的微小封装上包含了GPS和伽利略定位系统接收器。 |
SE4120S的片上局域网(LAN)增益有18dB，噪声指数是1.6dB，因此用它做的接收器具有极高的灵敏度。它能捕获低至-160dBm的卫星信号，跟踪弱至-170dBm的卫星。片上可调中频滤波器可进一步优化GPS或伽利略的性能。只提供GPS功能的SE4110S所采用的芯片级封装尺寸只有2.2×2.2×0.3mm。
另外一款具有伽利略接收功能的芯片是瑞士u-blox提供的u-blox 5，它具有-160dBm的灵敏度，可提供A-GPS功能。具有多个版本的u-blox 5的TTFF据称只有1秒，功耗小于50mW。
长期从事GPS行业的RF Micro Devices公司(RFMD)大约在五年前收购了IBM的GPS业务。据RFMD公司的Dave Lyon透露，公司最新推出的产品是基于RF8110接收器和GPS软件的成套解决方案。接收器拥有-146dBm的捕获灵敏度和-154dBm的跟踪灵敏度，并支持WAAS和EGNOS(欧洲对地静止导航覆盖服务)。
RF8110可以与运行RFMD软件的外部处理器一起工作，这些处理器可以是ARM、飞思卡尔的i.MX、Marvell的X-Scale和TI的OMAP。RFMD解决方案的大部分GPS功能是用软件实现的。从GPS射频信号创建的数字IQ样本以流数据的形式传送给主机存储器。
在RFMD软件的协助下，应用处理器接收这些信息，并自动或利用辅助数据计算出位置信息。最终结果将是一个仅由少量部品构成的非常灵活的产品。与大多数其它接收器一样，RFMD的接收器通过美国航海电子协会(NEMA)接口连接显示器。
GloNav公司的GNS4540在单个9mm×6mm或6mm×4mm封装内集成了一个GPS射频芯片和一个基带芯片，它也是专为手机和其它便携式设备而设计的，其捕获灵敏度是-157dBm，跟踪灵敏度是-159dBm。
GNS4540独有的DynaTrak特性可用来实现多径算法，以在室内、信号非常弱和快速变化的环境中获得可靠的跟踪性能。GNS4540通过SPI或UART串口连接外部处理器，支持CDMA、WCDMA和GSM上的A-GPS。在跟踪模式下的功耗只有30mW。
GPS芯片提供商Global Locate最近发布了一款与英飞凌联合开发的Hammerhead II GPS接收器。与其它大多数新的GPS芯片一样，它的目标应用也是蜂窝电话和其它移动设备。其裸片体积3.74×3.59×0.6mm，是目前体积最小的产品之一。另外，其灵敏度可达-160dBm。
Hammerhead II也需要与外部主处理器协同工作。Global Locate公司还提供相关的软件。恩智浦半导体公司最近在它的GSM/EDGE/UMTS WCDMA蜂窝参考设计中就采用了Hammerhead II。Hammerhead芯片还被用于TomTom的PND产品中。
有趣的是，蓝牙芯片巨头CSR最近收购了NordNav Technologies AB和Cambridge Positioning Systems公司。通过整合，这些公司将帮助CSR公司为蜂窝电话和PND提供基于软件的低成本GPS。凭借CSR公司的无线技术，公司有望以低于1美元的价格提供完整的GPS解决方案。产品将在今年下半年晚些时候推出。
TI公司也有新的GPS产品推出。这款名为NaviLink 5.0的芯片主要用于移动电话和其它便携式设备，支持A-GPS，可以与TI的OMAP和OMAP-Vox处理器一起工作。同时能无缝地与TI的2.5G和3G蜂窝电话芯片组相接。
如果用户缺少射频经验，又想在产品中集成GPS，可以考虑DeLorme公司的最新GPS模块。该模块采用意法微电子的STA2056接收芯片，在25mm×25mm的尺寸内装备有完整的GPS定位引擎，包括LNA、声表面波(SAW)滤波器、GPS基带接收器、振荡器和电源调节电路。只要再增加一个外接天线、串行数据接口和电源即可构成一个完整的GPS系统。DeLorme还提供Street Atlas USA以及Topo USA旅行和寻路软件。
你的芯片供应商可为你提供大部分的软件，但你也有其它选择。Rand McNally和TeleCommunications Systems开发的Navigator软件提供实时地址输入的语音识别和方向指示的语音输出功能。Navigator软件可以通过无线电话或智能电话提供免提语音化的详细方向指示，还可以提供实时交通信息。
TeleCommunications Systems的Xypoint SUPL Server符合SUPL标准，可满足开放移动联盟(OMA)定义的IP(互联网协议)A-GPS定位要求。OMA标准采用网络的现有IP架构在移动手机和A-GPS服务器之间传送数据，支持下一代定位服务(LBS)，包括导航、快速跟踪和移动营销。
另外一个选择是TruePosition公司为A-GPS提供的SUPL Server。无线运营商可以部署这种高精度技术实现高性能的定位服务，比如位置查寻和导航，并给社会网络设备提供定位功能。TruePosition还与移动技术提供商GPShopper合作为运营商品牌和白色标签服务提供需要知晓位置信息的购物服务，以此来满足位置搜寻和移动购物的要求。
在采用A-GPS时，还需要良好的测试方法。Rhode&Schwarz就可以提供这样的软硬件解决方案，其整套测试案例已获全球认证论坛(GCF)Wi-015工作组的验证。另外，它也能与公司的CRTU-W协议测试仪一起工作。GCF是网络运营商和移动手机制造商之间的联系纽带，提供独立的程序来确保2G和3G电话的全球互操作性。
作者：Louis E. Frenzel
通信/测试编辑
《Electronic Design》
