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支援GPS/GLONASS GNSS提升智慧手機定位精度

【新電子電子報 101.12 / 賴盈霖】
全球導航衛星系統(GNSS)接收機可大幅提升智慧型手機定位精確度。由於GNSS接收機可同時支援GPS及GLONASS兩種衛星定位系統,並以交錯方式發射衛星星曆資料,因而能提高訊號接收靈敏度與定位速度,成為智慧型手機標準配備。


全球導航衛星系統(GNSS)接收機已列為智慧型手機的標準配備。蘋果(Apple)的iPhone 4S和三星(Samsung)的Galaxy SIII所內建的GNSS接收機更同時支援美國全球衛星定位系統(GPS)和俄羅斯全球導航衛星系統(GLONASS)。

大部分智慧型手機用戶對定位和位置服務的期許為在任何環境之下,智慧型手機都能提供不中斷的緊急通報和適地性服務(LBS);在最低的功率消耗和硬體成本之下,提供最佳的定位精確度和可靠度。用戶的基本需求可切割成四個領域:

.首次定位時間

絕大多數用戶期待,當他們想要使用定位和位置服務時,就能立即獲得位置資訊,因此首次定位時間(Time to First Fix, TTFF)必須非常的短。傳統GPS接收機所定義的TTFF時間已無法滿足智慧型手機用戶需求,為了將TTFF時間降至最低,智慧型手機必須結合各種定位技術或輔助資訊,以滿足用戶需求。  

.位置精確度

定位和位置服務的精確度可以從1公尺到100公尺,基本上,超過100公尺的誤差將會大幅降低或者是限制位置服務的應用程度。  

.位置資訊的可得性

當用戶需要位置資訊時,智慧型手機皆能立即提供位置資訊給用戶,不管用戶是在戶外或是室內的環境。  

.位置資訊的可靠度

智慧型手機所輸出的位置資訊可信嗎?就算是處在干擾或遮蔽的環境下,智慧型手機所提供的位置資訊可靠度(Integrity)和可重複性,亦必須滿足用戶需求。  

為滿足客戶對定位服務的四點要求,次世代慧型手機須具備相對應的技術,以下將一一解說。  

.GNSS接收機定位須支援多衛星系統

除傳統GPS功能外,新世代GNSS接收機須能支援各國衛星系統,例如俄羅斯GLONASS、歐盟伽利略(Galileo)系統、日本準天頂衛星系統(Quasi-Zenith Satellite System, QZSS)和中國大陸的北斗(Compass)系統。  

.手機基地台定位

傳統全球行動通訊系統/整體封包無線電服務/寬頻分碼多工(GSM/GPRS/WCDMA)系統基地台定位技術,例如利用細胞/小區(Cell/Sector)位置資訊的定位方式、CDMA2000系統所採用的先進上鏈三角定位(AFLT)、利用網路量測回報的定位(NMR)技術、利用4G長程演進計畫(LTE)的觀察抵達時間差(OTDOA)的定位技術。  

.MEMS定位

利用微機電系統(MEMS)的慣性感測器(Inertial Sensor)元件,增強定位精確度和可靠度。  

.其他無線訊號定位

利用無線區域網路(Wi-Fi)或社群網路(Crowdsourcing)提供定位的服務。  

圖1所示為智慧型手機用戶對下一世代位置和定位服務的要求,所有的技術都必須向下相容且無縫接軌(Seamless Handover)。
 

圖1 下一世代定位和位置服務願景

GLONASS成智慧手機標配

當今智慧型手機內建的GNSS接收機都支援俄羅斯GLONASS系統,以下概述其優點。事實上GLONASS系統並非一套全新布建的衛星導航系統,其已經存在於地球軌道將近20年,但過往針對GLONASS的應用並不普及。最主要的原因在於俄羅斯政府受限於財務壓力,因此無法維持GLONASS系統的全面運轉,且GLONASS所提供的涵蓋率、精確度和可靠度一直以來都令人存疑。  

直到普亭(Vladimir Putin)擔任總統的時代,俄羅斯才恢復對GLONASS系統的更新和升級。隨著俄羅斯政經環境的改變,GLONASS系統變得愈來愈重要。截至目前為止,總共有二十七顆GLONASS衛星在地球軌道上運行。GLONASS系統提供全球覆蓋的能力,同時精確度和可靠度也伴隨著新一代的衛星升空,而有顯著改善。  

在政治方面的影響,則是普亭一再揚言要對任何進口到俄羅斯的導航產品(包含宣稱具有導航功能的智慧型手機)徵收處罰性的關稅,以強制推行GLONASS系統在終端設備的普及率。2011年4月高通(Qualcomm)利用中興(ZTE)的智慧型手機在普亭(時任俄羅斯總理)面前實際展示利用GLONASS衛星系統來定位,此舉更是將GLONASS接收機推升到任何智慧型手機的標準配備。  


適用高緯度地區 GLONASS補強GPS訊號接收

GLONASS衛星位於中地球軌道(Medium Earth Orbit, MEO),距離地球平均海平面高度為19,100公里,比GPS衛星的軌道稍低一些。GLONASS衛星軌道的傾角(衛星軌道面和地球黃道面的夾角)為64.8度,GLONASS實際上是為了高緯度地區所設計的導航衛星系統,因此其高傾角設計有利於高緯度地區衛星訊號的接收。  

在高緯度地區,GPS衛星集中於南方的天空,因此GPS接收機的訊號接收很容易受到天線圖狀(Pattern)和地形地物的影響,GLONASS和GPS雙星系統接收機可以互補使得衛星訊號的接收更為強健。GLONASS共有三個軌道,因此每個軌道上面會有八個平均分布的衛星。GLONASS衛星繞行地球的週期為11小時15分鐘。表1為GPS和GLONASS衛星的比較。
 


 

GLONASS基於FDMA技術

比較值得注意的是GLONASS採用分頻多重存取(FDMA)系統,有別於GPS採用分碼多重存取(CDMA)系統,所有GLONASS使用相同最大長度位移暫存器序列(MLSR)來編碼,但利用不同的載波頻率來發射,因此衛星的識別是利用載波頻率,而不是編碼序列。GLONASS系統的中心頻率為1,602MHz,每個頻道間距為500kHz,GLONASS衛星編碼和載波的關係可用下列公式表示,圖2顯示GLONASS和GPS訊號和頻率的屬性,而表2詳列GLONASS和GPS訊號比較。  

圖2 GLONASS和GPS載波頻率和調變的差異
 

2005年後,俄羅斯當局重新擬定GLONASS衛星的頻道碼,GLONASS衛星的頻道碼介於-7~+6間,其中+5和+6保留給特殊用途,並不提供民間使用。在地球軌道上面任兩個對稱的衛星會使用相同的頻道碼。  

根據GLONASS載波頻率公式發現,兩顆不同的GLONASS衛星會具有相同的載波頻率,實際上這兩顆衛星無法同時被看見,因其彼此會落在運行軌道的正對面。在GPS/GLONASS雙頻雙模接收機的解碼上,要小心處理GLONASS不同衛星,但發射載波相同的問題。例如當GNSS接收機是冷開機(Cold Start)或工廠重置模式(Factory Reset)下,當開機時一般都會利用行動網路下載長期的軌道預測資料(Predicted Orbit Data),加速首次定位時間。此時GNSS接收機除非已經利用其他方式得知大致位置,否則無法判定所鎖定GLONASS衛星是同一軌道上面對立的兩顆衛星中的哪一顆。一般演算法是等到GPS定位之後、或是直接解碼GLONASS星曆資料(Ephemeris),才能判斷正確GLONASS衛星號碼。在無法得知正確的GLONASS的衛星號碼之前,無法利用下載的軌道資料來計算位置。  


善用GLONASS/GPS時域交錯 加速智慧手機定位

GLONASS導航訊息(Navigation Message)由一個超級訊框(Superframe)組成,持續時間為2.5分鐘。超級訊框由五個子訊框(Subframe)所組成,因此每個子訊框持續時間為30秒,和GPS類似。每個子訊框由十五個字串(String)所組成,每個字串的持續時間為2秒。十五個字串可分為兩部分--立即資料(Immediate Data)和非立即資料(Non-immediate Data);立即資料占用五個字串的長度,主要用來攜帶該衛星的星曆資料和時鐘修正訊息。後面十個字串攜帶其他衛星的星曆(Almanac),每個衛星星曆會占用兩個字串,因此一個訊框可以廣播五顆衛星的星曆。圖3為GLONASS衛星所廣播的導航訊息結構。  
 

圖3 GLONASS衛星廣播的導航訊息結構
 

GLONASS採用協調世界時間(UTC),但GPS採用GPS時間,兩者間時差為15秒(2012年6月30日後為16秒)。這種時間交錯的排序方式,適合GNSS接收機的解碼。圖4顯示GPS和GLONASS利用時域交錯的方式發射導航訊息。時域交錯主因為來自不同的系統時間所產生的潤秒(Leap Second)。  
 


圖4 GLONASS和GPS衛星所廣播的衛星星曆在時域上的交錯,主要來自潤秒。
 

在時域上利用交錯的方式發射衛星星曆資料,有助於加速定位,特別在間斷性遮蔽的環境中,能夠連續解碼18秒的GPS星曆資料。藉由GLONASS特殊的交錯,有可能在空間的空檔內解出GLONASS的星曆資料,利用GPS和GLONASS混合(Hybrid)量測來計算出用戶的位置。大城市裡,經常會遇到間斷遮蔽的情況,GPS和GLONASS先天的時域交錯使得GNSS接收機在自主模式(Autonomous Mode)之下的首次定位時間會遠小於GPS接收機。  

值得注意的是,由於GLONASS和GPS的頻段不同,所以GNSS接收機的外部電路須能支援較大頻寬,以涵蓋GPS和GLONASS頻段。


GNSS天線設計要求更嚴格

傳統貼片天線(Patch Antenna)具有較佳的效率和反射訊號抑制,因此廣泛使用於手持式導航裝置(PND)、車載導航系統(In-dash Navigator)的外接天線,來獲得最佳的訊號品質。一般貼片天線的頻寬並不夠大,無法支援GLONASS頻段,如要支援GLONASS頻段,勢必要將貼片天線的體積加大,另外,接地面積(Ground Plane)也須大幅變大。根據經驗顯示,18毫米(mm)×18毫米×4毫米大小的天線,才能夠得到比較好的效率。此種大尺寸的天線並不適用在空間受限的智慧型手機上。不管任何形式的天線,影響到GNSS天線性能的因素如下:

.輻射圖狀的覆蓋範圍

輻射圖狀的覆蓋範圍(Radiation Pattern Coverage)是指天線的圖場所能涵蓋的角度範圍,其會影響所能接收到的衛星數目,和看到行動網路基地台的數目。智慧型手機的GNSS天線很容易受到由使用者的頭、手和身體所產生的遮蔽效應(Shadowing Effect),降低天線整體性能。一般在調整GNSS天線的圖狀,也會將須應用的視野角度(Field of View, FoV)列入考量,例如手機在通話位置或網路瀏覽位置的FOV會完全不同。基本上輻射圖狀覆蓋範圍會受到手部和頭部的遮蔽,天線附近的淨空區域和元件的擺放會產生陡峭的負增益點。  

.天線增益

天線增益(Antenna Gain)是在不同的訊號抵達角度(Angle of Arrival, AoA)下,天線本體對訊號所產生的增益(可以是正值或負值)。在GNSS天線的設計考量上,比較在乎平均增益而不是峰值增益,最主要的原因是GNSS衛星訊號經過反射(Reflection)、繞射(Diffraction)或漫射(Scattering)之後,抵達接收機的角度可以是任何一個角度。  

.效率損失

GNSS天線的效率損失(Efficiency Loss)將會直接影響到輻射的靈敏度。  

.極化特性

直線傳輸(Line-of-Sight, LOS)上天線的極化特性(Polarization Characterization)換化變得很重要,但對非直線傳輸(NLOS)的應用極化屬性的重要性就會降低。智慧型手機上面的GNSS天線比較不會考慮到訊號的極化屬性。  

.天線間隔離

智慧型手機往往會利用多重的天線,讓不同的無線系統使用,在設計天線的布局時就必須考量天線間隔離,特別是GNSS天線,因為GNSS訊號是所有無線系統內訊號強度最低的系統。  

在設計GNSS天線和其他無線天線的隔離時,必須考量發射源的最大發射功率加上隔離損失,以確保GNSS前低功雜訊放大器(Pre-LNA)能夠操作在線性區(IIP2, IIP3)。一般要求是從手機的發射天線到GNSS的接收天線間,隔離須超過10分貝(dB)。  

.瞬時頻寬

在GPS接收機天線瞬時頻寬(Instantaneous Bandwidth)不會是一項問題,主要的原因是GPS的頻寬只有2MHz。在GNSS接收機天線設計,瞬時頻寬就顯得重要許多,GNSS頻寬為42MHz(42/1575.42=2.6%)。不能簡單假設可以用在GPS接收機的天線,也可以用在GLONASS訊號接收,例如廣泛使用在GPS接收機的陶瓷貼布天線就很難被使用在GNSS接收機。瞬時頻寬主要是跟天線所占用的體積有關,對智慧型手機而言,平面倒F型天線(Planar Inverted F Antenna, PIFA)相對大體積的陶瓷天線要來得實用。  

PIFA、介電質晶片天線、雷雕天線(Laser Direct Structuring),都可滿足GNSS訊號接收,因此廣泛使用在智慧型手機。在產品開發階段,評估天線和機構設計時,有必要進行大量實地測試,驗證GNSS天線能否滿足當初所預期的規格。  

測試時,為簡化比較基準,不考慮GNSS韌體和後級的地圖匹配效果,來決定天線性能,通常會利用接收到的衛星訊號強度(dB-Hz)來比較天線的性能,如果接收到的訊號在40dB-Hz以上的機率愈高,表示天線的整體性能愈好(圖5)。
 


圖5 不同天線下接收到衛星訊號的強度分布圖
 

提供GNSS/GPS穩定參考頻率 TCXO仍優於XTAL

GNSS接收機在射頻前級電路幾乎和GPS接收機類似,唯一差異是表面聲波濾波器(SAW)須使用較大頻寬設計,較大的頻寬通常也意味著較大的介入損失(Insertion Loss, IL)。實際應用看來,介入損失可以控制在0.5dB內,對整體GNSS接收機的性能幾乎沒有影響。圖6所示為愛普科斯(EPCOS)B8401 SAW的頻率響應,由頻率響應可以明顯看出此元件支援GPS和GLONASS頻段,而且具有非常低的介入損失(1dB)。
 


圖6 B8401 SAW濾波器的轉移函數
 

LNA由於是寬頻元件,所以頻寬絕對涵蓋GNSS頻段,既有GPS所採用的LNA也都可以採用在GNSS接收機的前級。在參考頻率源方面,GNSS和GPS接收機同樣仍然採用0.5ppm溫度補償石英振盪器(Temperature Compensated XO, TCXO)提供穩定的參考頻率,但是高通在前一代的平台已經放棄TCXO,改採一般石英振盪器(XTAL)。無論如何,XTAL對溫度梯度(Temperature Gradient)的穩定性(飄移率)和XTAL元件遲滯(Hysteresis)特性所造成的頻率估測誤差,即使經由行動網路和GNSS的頻率校正之後,整體的頻率穩定性和可預測性還是無法和傳統的0.5ppm TCXO相比。  

不過,高通XTAL解決方案(圖7)並不是單純的XTAL,而是結合既有的熱敏電阻(偵測功率放大器的溫度)來偵測溫度的變化,XTAL本體和熱敏電阻並不是放在同一個陶瓷或金屬材質的封裝內,因此熱敏電阻所感應到的溫度並不等於XTAL本體所遭受的溫度。
 


圖7 高通XTAL參考頻率架構
 

高通和蘋果聯合提出新一代的參考頻率源設計--THX(TH+XTAL的縮寫),事實上就是在一個雙共振腔的石英振盪器封裝內,嵌入一個熱敏電阻(圖8)。有別於高通和蘋果,大多數的智慧型手機平台解決方案在GNSS所使用的參考頻率源都還維持在傳統的0.5ppm的TCXO,例如英特爾(Intel)、聯發科等。最主要的因素是高通和蘋果掌握上下游關鍵零組件的整合,以及關鍵軟體和演算法的技術,可以將GNSS接收機和行動網路行程緊密結合,預期THX的出現勢必將帶動整個石英生態的巨變。


圖8 THX疊構圖

 

資料來源:新電子電子報 http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=1212030006&page=1

 

 

 

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