葛 偉

0 引言

GPS是全球定位系統(tǒng)（global positioning system）,是隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而建立的新一代精密度衛(wèi)星定位系統(tǒng)。GPS全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，越來(lái)越多的人開始接觸到GPS。

A-GPS（Assisted GPS）即輔助GPS技術(shù)，它可以提高GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的性能。通過(guò)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)基站它可以快速地定位，廣泛用于含有GPS功能的手機(jī)上。GPS通過(guò)衛(wèi)星發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)來(lái)進(jìn)行定位。當(dāng)在很差的信號(hào)條件下，例如在一座城市，這些信號(hào)可能會(huì)被許多不規(guī)則的建筑物、墻壁或樹木衰減。在這樣的條件下，非A-GPS 導(dǎo)航設(shè)備可能無(wú)法快速定位，而A-GPS 系統(tǒng)可以通過(guò)移動(dòng)基站信息來(lái)進(jìn)行快速定位。本文主要是介紹A-GPS的定位原理，在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及遇到的相關(guān)問(wèn)題以及解決的方案。

1 A-GPS原理的介紹

A-GPS，全稱Assisted-GPS，它是一種結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站和GPS進(jìn)行定位的技術(shù)。整個(gè)A-GPS的架構(gòu)，如圖1所示：

圖1 A-GPS的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖

A-GPS利用移動(dòng)基站 SM/GPRS、WCDMA和CDMA2000輔助，完美解決了GPS覆蓋的問(wèn)題。由于借用移動(dòng)基站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，接收器不必再下載和解碼來(lái)自 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，因此可以有更多的時(shí)間和處理能力來(lái)跟蹤GPS信號(hào)，這樣能降低首次定位時(shí)間，增加靈敏度以及具有最大的可用性。這就是A-GPS最大的優(yōu)勢(shì)。

A-GPS依賴于GPS而存在，和GPS一樣，都需要在終端接收機(jī)內(nèi)增加GPS芯片接收模塊，并配備相應(yīng)的GPS天線才能夠正常工作。A-GPS整個(gè)定位過(guò)程：1.首先終端接收機(jī)把本身的位置信息發(fā)送給位置服務(wù)。2.位置服務(wù)器把該位置相關(guān)的GPS信息，如GPS定位輔助信息，靈敏度輔助信息，工作狀態(tài)信息；移動(dòng)終端計(jì)算的輔助信息，如GPS歷書，修正數(shù)據(jù)，GPS星歷等。3.終端接收機(jī)把位置服務(wù)器傳輸?shù)男畔?，很快的捕捉到衛(wèi)星，并可以接收GPS原始信號(hào)并解調(diào)信號(hào)。計(jì)算接收機(jī)到衛(wèi)星的偽距離，當(dāng)然這個(gè)距離受到各種GPS誤差影響。4.最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)側(cè)計(jì)算或者終端側(cè)計(jì)算最后算出終端的具體位置。

2 A-GPS的優(yōu)勢(shì)

A-GPS的優(yōu)勢(shì)主要在其定位精度上。在室外等空曠地區(qū)，其精度在正常的GPS工作環(huán)境下，可達(dá)0.1米左右，堪稱目前定位精度最高的一種定位技術(shù)。A-GPS的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：首次捕獲 GPS信號(hào)的時(shí)間快。這個(gè)我們稱之為TTFF，全稱Time To First Fix。在開發(fā)過(guò)程的測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，A-GPS的TTFF基本在1秒到10秒之間。A-GPS之所以會(huì)比 GPS更定位，和它的定位方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也是密切相關(guān)的。

首先，要介紹的是A-GPS的定位計(jì)算方式，一般來(lái)說(shuō)，終端接收機(jī)接收到3個(gè)顆星就實(shí)現(xiàn)2D定位。如果接收到4顆星或者更多就可以3D定位。A-GPS的定位計(jì)算方式分3種：

1. MSB方式：定位計(jì)算由終端接收機(jī)完成。優(yōu)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)比較小，延時(shí)短，適合短時(shí)間的定位。

2. MBA方式：定位計(jì)算由移動(dòng)基站網(wǎng)絡(luò)完成，然后再傳送給終端接收機(jī)完成。優(yōu)點(diǎn)對(duì)終端要求比較低，延時(shí)比較大，不適合高速行駛中使用。

3. Autonomous 方式: 類似GPS，在這里就不多說(shuō)了。

A-GPS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這個(gè)也是有別于GPS的一個(gè)主要特點(diǎn)。主要分為兩種：控制平臺(tái)（Control Plane），如圖2所示：

圖2 控制平臺(tái)

由移動(dòng)定位中心（SMLC）與無(wú)線基站的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）集成，GPS輔助信息通過(guò)信令的方式來(lái)交互。這種方式是在核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)，傳輸效率高，安全可靠。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本高。

用戶平臺(tái)（User Plane），如圖3所示：

圖3 用戶平臺(tái)

利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的IP功能，通過(guò)IP數(shù)據(jù)網(wǎng)和SMLC交互輔助信息，通過(guò)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)接口(SUPL)傳輸信息。3G/2G兼容，容易實(shí)現(xiàn)，成本低。具體的SUPL，請(qǐng)查閱SUPL Manual.

從根本上來(lái)分析，由于終端接受本身并不對(duì)GSP位置信息進(jìn)行計(jì)算，而是會(huì)將相關(guān)的 GPS的位置信息數(shù)據(jù)傳給移動(dòng)基站網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)的定位服務(wù)器進(jìn)行位置計(jì)算。在使用A-GPS定位之前，一般需要用戶（終端接收機(jī)已經(jīng)設(shè)定好的除外）設(shè)定好相對(duì)應(yīng)的定位服務(wù)器的 IP，移動(dòng)基站網(wǎng)絡(luò)會(huì)按照GPS的參考網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的輔助數(shù)據(jù)，如差分校正數(shù)據(jù)、衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)，星歷等傳遞給終端接收機(jī)（如：手機(jī)），并從數(shù)據(jù)庫(kù)中查出終端接收機(jī)的近似位置和小區(qū)所在的位置信息傳給終端接收機(jī)，這時(shí)終端接收機(jī)可以很快捕捉到相關(guān)的 GPS信號(hào)，這樣的首次捕獲時(shí)間將大大減小，一般僅需幾秒的時(shí)間。不需像 GPS的首次捕獲時(shí)間可能要幾分鐘時(shí)間。這就是 A-GPS的優(yōu)勢(shì)所在。當(dāng)然，AGPS也有一定的限制：必須有蜂窩網(wǎng)絡(luò)（GRRS/EDGE/CDMA等）的支持用以數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)一般用戶而言可能需要為此支付一定的數(shù)據(jù)流量費(fèi)用；必須有AGPS位置服務(wù)器的支持；與GPS一樣，仍無(wú)法完美解決室內(nèi)（室內(nèi)無(wú)法接收 GPS信號(hào)）定位的問(wèn)題。

3 A-GPS實(shí)現(xiàn)中的難點(diǎn)及解決方案

本節(jié)將會(huì)介紹具體實(shí)現(xiàn)A-GPS的硬件和軟件架構(gòu)，以及在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中遇到的一些難點(diǎn)和相對(duì)應(yīng)的解決方案。

在開發(fā)之前，3個(gè)方面需要開發(fā)人員確認(rèn)，這些是實(shí)現(xiàn)A-GPS功能的基礎(chǔ)和前提。

首先，芯片的支持。一定要確?，F(xiàn)有的芯片是支持A-GPS功能的，一般會(huì)在相關(guān)的用戶手冊(cè)里找到相關(guān)觀的信息，也可以找當(dāng)?shù)氐拇砩袒蛘咴瓘S設(shè)備商確認(rèn)。如今，市面上有很多的GPS方案，但是絕大多數(shù)的方案都是不支持 A-GPS的?，F(xiàn)在比較流行的是 SIRFIII芯片，它是支持A-GPS功能的，而且數(shù)據(jù)輸出的標(biāo)準(zhǔn)的NMEA0183，所以，市場(chǎng)占有率很高。

其次，A-GPS需要移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的支持，所以，整個(gè)方案需要有GMS或者3G的網(wǎng)絡(luò)支持。

第三，就是網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商的支持。如果本地的網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商不支持A-GPS服務(wù)，那其他的也都付之東流了。當(dāng)然，中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)動(dòng)很早就支持A-GPS了。得到一個(gè)服務(wù)器的IP就可以進(jìn)行A-GPS開發(fā)了。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要確定好硬件的框架和總線連接方式。A-GPS的硬件接口一般分為UART、I2C和SPI3種，最為常見的是UART，如圖4所示：

圖4 UART

這種接口相對(duì)比較簡(jiǎn)單，調(diào)試也很方便。如果選定了硬件接口，然后需要考慮的是電源。一般會(huì)用 CPU的 GPIO來(lái)作為控制A-GPS的電源開關(guān)和電源。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一方面是軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5所示：

圖5 軟件架構(gòu)

主要有4個(gè)方面。A-GPS的驅(qū)動(dòng)模塊，A-GPS數(shù)據(jù)解析，A-GPS上層應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。

在驅(qū)動(dòng)模塊，主要負(fù)責(zé)UART的驅(qū)動(dòng)設(shè)定，控制GPIO，已經(jīng)相關(guān)A-GPS的參數(shù)設(shè)定，比如定位計(jì)算方式、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站參考服務(wù)器 IP、A-GPS精度范圍、參考定位坐標(biāo)等等。一般把A-GPS的參數(shù)定位會(huì)以XML文件的形式輸入。當(dāng)A-GPS設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，有驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)讀取參數(shù)，并輸入到A-GPS模塊和網(wǎng)絡(luò)基站模塊。

網(wǎng)絡(luò)基站通訊模塊，主要是負(fù)責(zé)和移動(dòng)基站交互已經(jīng)和驅(qū)動(dòng)模塊信息交互的任務(wù)。由這個(gè)模塊負(fù)責(zé)將A-GPS設(shè)備的信息傳輸給移動(dòng)基站服務(wù)器，并從基站服務(wù)器下載相關(guān)的A-GPS差分校正數(shù)據(jù)、衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)，星歷等輔助數(shù)據(jù) ，并傳送給驅(qū)動(dòng)模塊。

數(shù)據(jù)解析模塊，主要是負(fù)責(zé)將定位之后A-GPS芯片輸出的NMEA0183定位信息解析成可視化的數(shù)據(jù)，比如經(jīng)度、緯度、當(dāng)前時(shí)間、方向、海拔高度、具體定位的衛(wèi)星編號(hào)，以及衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度等等。

A-GPS應(yīng)用模塊，主要是負(fù)責(zé)在GPS地圖上顯示當(dāng)前定位的信息，或者更具當(dāng)前的A-GPS信息來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航功能。

在具體開發(fā)中，同樣也會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題。最常見的就是無(wú)法定位問(wèn)題，首先，要判斷這個(gè)是硬件問(wèn)題還是軟件設(shè)定問(wèn)題。一般硬件問(wèn)題，大致會(huì)分兩塊。一是天線問(wèn)題。手持移動(dòng)設(shè)備都比較小，而且對(duì)功耗有著極高的要求。所以A-GPS的天線，一般只能選用無(wú)源的貼片天線。和強(qiáng)大的有源天線相比，它的接受信號(hào)實(shí)在比較差，經(jīng)常阻礙了開發(fā)人員的進(jìn)度。一般可以選擇用一個(gè)相對(duì)比較大的無(wú)源天線，這樣就可以排除天線問(wèn)題。第二，就是數(shù)據(jù)接口問(wèn)題，一般GPS和A-GPS都會(huì)用UART作為數(shù)據(jù)傳輸通道。可以示波器等設(shè)備來(lái)檢測(cè)UART線上的數(shù)據(jù)是否正確。

如果是軟件問(wèn)題。通常，開發(fā)過(guò)程中遇到的軟件問(wèn)題可以歸納為：Server IP設(shè)定錯(cuò)誤；定位計(jì)算方式錯(cuò)位；精確度設(shè)定過(guò)高；參考坐標(biāo)設(shè)定誤差太大。下面具體分析一下每一個(gè)疑點(diǎn)。Server IP一般在開發(fā)中會(huì)有一到兩個(gè)，首先要確保這些IP都是有效工作的。哪怎么去判斷呢？可以咨詢芯片供應(yīng)商，也可以在A-GPS芯片輸出的Log信息里可以看到，一般這些log信息開發(fā)人員可以設(shè)定保存的路徑，通常會(huì)以txt的形式保存在SD卡中。如果IP有效的話，會(huì)在log里有提示，類似“連接Server成功”之類的信息。否則，就要考慮是不是IP有問(wèn)題了。第二個(gè)問(wèn)題是定位計(jì)算方式，必須要根據(jù)當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)來(lái)設(shè)定，如果只能支持MBA方式的，而誤設(shè)定為MSB的話，那就一定不會(huì)工作的。第三，精確度過(guò)高，這個(gè)問(wèn)題比較難發(fā)現(xiàn)。一般開發(fā)人員很少會(huì)去嘗試修改這個(gè)參數(shù)來(lái)測(cè)試定位。如果精確度設(shè)定過(guò)高，那系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為每次精確度低于這個(gè)值的，都算定位失敗。所以，在開發(fā)初期，建議不設(shè)定這個(gè)參數(shù)，或者精度范圍設(shè)點(diǎn)得大些。最后，參考坐標(biāo)問(wèn)題?？紤]到可以更快更精確地定位，A-GPS廠家都會(huì)有這樣一個(gè)參數(shù)提供給開發(fā)人員使用。但是如果你把一個(gè)錯(cuò)誤的坐標(biāo)輸入進(jìn)去，那系統(tǒng)就會(huì)和當(dāng)前得到的坐標(biāo)進(jìn)行比較，如果相差范圍很大，系統(tǒng)也會(huì)認(rèn)為定位失敗。所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不能輕視每一個(gè)參數(shù)的設(shè)定。只有一步一步地去跟蹤，去排除一個(gè)個(gè)疑點(diǎn)，然后最終找到問(wèn)題并解決。

在整個(gè) A-GPS實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，最后一個(gè)開發(fā)環(huán)節(jié)就是A-GPS測(cè)試。很多沒有做過(guò)相關(guān)開發(fā)的人不太清楚,一般網(wǎng)絡(luò)上的文章很少提到.A-GPS產(chǎn)品的測(cè)試不同于GPS產(chǎn)品的測(cè)試，需要當(dāng)?shù)匾苿?dòng)供應(yīng)商的測(cè)試認(rèn)證。如果想在中國(guó)銷售A-GPS,而且是在中國(guó)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)上使用的話,必須把A-GPS終端產(chǎn)品拿到中國(guó)移動(dòng)研究院去按照嚴(yán)格的測(cè)試規(guī)范進(jìn)行測(cè)試。

A-GPS測(cè)試環(huán)境。AGPS平臺(tái)只提供定位能力，不提供用戶、業(yè)務(wù)管理功能。SP接入、用戶鑒權(quán)、業(yè)務(wù)鑒權(quán)均在用戶歸屬地的CELLID平臺(tái)進(jìn)行。AGPS平臺(tái)不保存移動(dòng)基站數(shù)據(jù)，基站數(shù)據(jù)均由各省CELLID平臺(tái)維護(hù)。AGPS平臺(tái)需要通過(guò)Lr2.0接口來(lái)獲取終端所在小區(qū)CELLID對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度。AGPS平臺(tái)需要維護(hù)LAC與CELLID平臺(tái)的對(duì)應(yīng)表具體測(cè)試會(huì)分：終端發(fā)起和網(wǎng)絡(luò)發(fā)起兩種，這個(gè)也就是我剛才提到的SUPL相關(guān)的技術(shù)。也分漫游和非漫游之分。具體可以參考中國(guó)移動(dòng)的相關(guān)測(cè)試規(guī)范。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)相關(guān)開發(fā)人員的水平不斷進(jìn)步，各種A-GPS的實(shí)現(xiàn)方案也將會(huì)變得越來(lái)越完善和成熟。在不久的將來(lái)，A-GPS將會(huì)在各種各樣的領(lǐng)域發(fā)揮其作用。

[1]利希特內(nèi)格爾(Lichtenegger)(作者), 瓦斯勒(Wasle)(作者), 程鵬飛 (譯者), 蔡艷輝，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS,GLONASS,Galileo及其他系統(tǒng))，[M]北京，測(cè)繪出版社; 第1版 (2009年8月1日)

[2]Christopher J.Hegarty，美，Elliott D.Kaplan (編者), 寇艷紅 (譯者)GPS原理與應(yīng)用(第2版)[M]北京，電子工業(yè)出版社; 第1版 (2007年7月1日)

[3]SIRF III A-GPS/GPS Spec

[4]U-Blox GPS Datasheet

[5]位置業(yè)務(wù)AGPS平臺(tái)定位功能測(cè)試規(guī)范V2.0.0，[R]中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司研究院

[6]NME0183 Manual National Marine Electronics Association