GNSS支持GLONASS/GPS 提供最佳的定位精确度和可靠度

全球导航卫星系统(GNSS)接收机已列为智慧型手机的标准配备。苹果(Apple)的iPhone 4S和三星(Samsung)的Galaxy SIII所内建的GNSS接收机更同时支援美国全球卫星定位系统(GPS)和俄罗斯全球导航卫星系统(GLONASS)。

大部分智慧型手机用户对定位和位置服务的期许为在任何环境之下,智慧型手机都能提供不中断的紧急通报和适地性服务(LBS);在最低的功率消耗和硬体成本之下,提供最佳的定位精确度和可靠度。用户的基本需求可切割成四个领域:  

首次定位时间

绝大多数用户期待,当他们想要使用定位和位置服务时,就能立即获得位置资讯,因此首次定位时间(Time to First Fix, TTFF)必须非常的短。传统GPS接收机所定义的TTFF时间已无法满足智慧型手机用户需求,为了将TTFF时间降至最低,智慧型手机必须结合各种定位技术或辅助资讯,以满足用户需求。  

位置精确度

定位和位置服务的精确度可以从1公尺到100公尺,基本上,超过100公尺的误差将会大幅降低或者是限制位置服务的应用程度。  

位置资讯的可得性

当用户需要位置资讯时,智慧型手机皆能立即提供位置资讯给用户,不管用户是在户外或是室内的环境。  

位置资讯的可靠度

智慧型手机所输出的位置资讯可信吗?就算是处在干扰或遮蔽的环境下,智慧型手机所提供的位置资讯可靠度(Integrity)和可重复性,亦必须满足用户需求。  

为满足客户对定位服务的四点要求,次世代慧型手机须具备相对应的技术,以下将一一解说。  

GNSS接收机定位须支援多卫星系统

除传统GPS功能外,新世代GNSS接收机须能支援各国卫星系统,例如俄罗斯GLONASS、欧盟伽利略(Galileo)系统、日本准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System, QZSS)和中国大陆的北斗(Compass )系统。  

手机基地台定位

传统全球行动通讯系统/整体封包无线电服务/宽频分码多工(GSM/GPRS/WCDMA)系统基地台定位技术,例如利用细胞/小区(Cell/Sector)位置资讯的定位方式、CDMA2000系统所采用的先进上链三角定位(AFLT)、利用网路量测回报的定位(NMR)技术、利用4G长程演进计画(LTE)的观察抵达时间差(OTDOA)的定位技术。  

MEMS定位

利用微机电系统(MEMS)的惯性感测器(Inertial Sensor)元件,增强定位精确度和可靠度。  

其他无线讯号定位

利用无线区域网路(Wi-Fi)或社群网路(Crowdsourcing)提供定位的服务。  

图1所示为智慧型手机用户对下一世代位置和定位服务的要求,所有的技术都必须向下相容且无缝接轨(Seamless Handover)。  

 

图1 下一代定位和位置服务愿景

GLONASS成智慧手机标配

当今智慧型手机内建的GNSS接收机都支援俄罗斯GLONASS系统,以下概述其优点。事实上GLONASS系统并非一套全新布建的卫星导航系统,其已经存在于地球轨道将近20年,但过往针对GLONASS的应用并不普及。最主要的原因在于俄罗斯政府受限于财务压力,因此无法维持GLONASS系统的全面运转,且GLONASS所提供的涵盖率、精确度和可靠度一直以来都令人存疑。  

直到普亭(Vladimir Putin)担任总统的时代,俄罗斯才恢复对GLONASS系统的更新和升级。随着俄罗斯政经环境的改变,GLONASS系统变得愈来愈重要。截至目前为止,总共有二十七颗GLONASS卫星在地球轨道上运行。GLONASS系统提供全球覆盖的能力,同时精确度和可靠度也伴随着新一代的卫星升空,而有显著改善。  

在政治方面的影响,则是普亭一再扬言要对任何进口到俄罗斯的导航产品(包含宣称具有导航功能的智慧型手机)征收处罚性的关税,以强制推行GLONASS系统在终端设备的普及率。2011年4月高通(Qualcomm)利用中兴(ZTE)的智慧型手机在普亭(时任俄罗斯总理)面前实际展示利用GLONASS卫星系统来定位,此举更是将GLONASS接收机推升到任何智慧型手机的标准配备。  

适用高纬度地区GLONASS补强GPS讯号接收

GLONASS卫星位于中地球轨道(Medium Earth Orbit, MEO),距离地球平均海平面高度为19,100公里,比GPS卫星的轨道稍低一些。GLONASS卫星轨道的倾角(卫星轨道面和地球黄道面的夹角)为64.8度,GLONASS实际上是为了高纬度地区所设计的导航卫星系统,因此其高倾角设计有利于高纬度地区卫星讯号的接收。  

在高纬度地区,GPS卫星集中于南方的天空,因此GPS接收机的讯号接收很容易受到天线图状(Pattern)和地形地物的影响,GLONASS和GPS双星系统接收机可以互补使得卫星讯号的接收更为强健。GLONASS共有三个轨道,因此每个轨道上面会有八个平均分布的卫星。GLONASS卫星绕行地球的周期为11小时15分钟。表1为GPS和GLONASS卫星的比较。  

 

GLONASS基于FDMA技术

比较值得注意的是GLONASS采用分频多重存取(FDMA)系统,有别于GPS采用分码多重存取(CDMA)系统,所有GLONASS使用相同最大长度位移暂存器序列(MLSR)来编码,但利用不同的载波频率来发射,因此卫星的识别是利用载波频率,而不是编码序列。GLONASS系统的中心频率为1,602MHz,每个频道间距为500kHz,GLONASS卫星编码和载波的关系可用下列公式表示,图2显示GLONASS和GPS讯号和频率的属性,而表2详列GLONASS和GPS讯号比较。  

 

图2 GLONASS和GPS载波频率和调变的差异

 

2005年后,俄罗斯当局重新拟定GLONASS卫星的频道码,GLONASS卫星的频道码介于-7~+6间,其中+5和+6保留给特殊用途,并不提供民间使用。在地球轨道上面任两个对称的卫星会使用相同的频道码。  

根据GLONASS载波频率公式发现,两颗不同的GLONASS卫星会具有相同的载波频率,实际上这两颗卫星无法同时被看见,因其彼此会落在运行轨道的正对面。在GPS/GLONASS双频双模接收机的解码上,要小心处理GLONASS不同卫星,但发射载波相同的问题。例如当GNSS接收机是冷开机(Cold Start)或工厂重置模式(Factory Reset)下,当开机时一般都会利用行动网路下载长期的轨道预测资料(Predicted Orbit Data),加速首次定位时间。此时GNSS接收机除非已经利用其他方式得知大致位置,否则无法判定所锁定GLONASS卫星是同一轨道上面对立的两颗卫星中的哪一颗。一般演算法是等到GPS定位之后、或是直接解码GLONASS星历资料(Ephemeris),才能判断正确GLONASS卫星号码。在无法得知正确的GLONASS的卫星号码之前,无法利用下载的轨道资料来计算位置。  

善用GLONASS/GPS时域交错加速智慧手机定位

GLONASS导航讯息(Navigation Message)由一个超级讯框(Superframe)组成,持续时间为2.5分钟。超级讯框由五个子讯框(Subframe)所组成,因此每个子讯框持续时间为30秒,和GPS类似。每个子讯框由十五个字串(String)所组成,每个字串的持续时间为2秒。十五个字串可分为两部分--立即资料(Immediate Data)和非立即资料(Non-immediate Data);立即资料占用五个字串的长度,主要用来携带该卫星的星历资料和时钟修正讯息。后面十个字串携带其他卫星的星历(Almanac),每个卫星星历会占用两个字串,因此一个讯框可以广播五颗卫星的星历。图3为GLONASS卫星所广播的导航讯息结构。  

 

图3 GLONASS卫星广播的导航讯息结构

GLONASS采用协调世界时间(UTC),但GPS采用GPS时间,两者间时差为15秒(2012年6月30日后为16秒)。这种时间交错的排序方式,适合GNSS接收机的解码。图4显示GPS和GLONASS利用时域交错的方式发射导航讯息。时域交错主因为来自不同的系统时间所产生的润秒(Leap Second)。  

 

图4 GLONASS和GPS卫星所广播的卫星星历在时域上的交错,主要来自润秒。

在时域上利用交错的方式发射卫星星历资料,有助于加速定位,特别在间断性遮蔽的环境中,能够连续解码18秒的GPS星历资料。藉由GLONASS特殊的交错,有可能在空间的空档内解出GLONASS的星历资料,利用GPS和GLONASS混合(Hybrid)量测来计算出用户的位置。大城市里,经常会遇到间断遮蔽的情况,GPS和GLONASS先天的时域交错使得GNSS接收机在自主模式(Autonomous Mode)之下的首次定位时间会远小于GPS​​接收机。  

值得注意的是,由于GLONASS和GPS的频段不同,所以GNSS接收机的外部电路须能支援较大频宽,以涵盖GPS和GLONASS频段。  

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