基于伽里略计划的全球定位系统的设计

　　全球定位系统(GPS)的功能性会迅速主导消费电子应用市场，显现为下一代系统的基本特点。汽车及手机的个人导航设备(PND)均具有精确定位的能力。同时许多先进的GPS服务仍在开发，例如：基于场所的广告。在地图上查找用户位置是基本的功能，如无需显著地增加总成本及处理器负载，这一功能的推动已足够使GPS成为主流设备。

　　消费者同意为高性能和准确性付出很高的价格。但同时，开发者必须熟悉大量的关键技术，使GPS功能可能用于消费电子设备。通过其他的卫星信号的可用性，PND将能够更快速更精确地锁定位置，远远超出只应用GPS设备。尤其在市内的环境下，大部分是基于定位服务。此时，GPS的精确性有些不足。

　　伽里略计划是欧洲联盟主持开发和实施的卫星全球定位网络。伽里略计划是为与GPS一同工作设计，而不是竞争。伽里略计划的卫星将发射许多带宽的信号，其中之一L1基带与GPS使用同一频率。L1基带在GPS卫星和补充轨道之间，从而增加信号数量。人们能够在任一指定位置接收信号。这将大大提高城市内定位的准确度。为了获取好的定位，至少需要四颗卫星。伽里略计划／基于GPS的个人导航设备将允许同时使用两个系统的卫星，这样更多的卫星可以被利用。实际上，目前PND可达到确定步行者是走在街道的哪一边的准确度。

　　GPS系统已有30年的历史，由美国国防部运作。它最初并不是为商业设计的。伽里略计划有效地补充了GPS。因为拥有更多的可用卫星。伽里略计划将提供高于GPS的精确度(商业应用中，伽里略计划的精确度为4米，GPS的精确度为10米)。伽里略计划不是由单一的政府机构控制的，不能随意停止服务或改变卫星精确度。

　　在那个时候，一颗伽里略计划的实验卫星(Giovea)已经部署，它已检验过所有重要的发射机制及技术。随着计划的进程，27颗伽里略计划的卫星将进入轨道。现在，因为过于漫长的开发周期。许多OEM厂商已开始考虑实施伽里略／基于GPS的计划，一旦伽里略计划可用，消费者能够立刻受益。理想地是：有些设备单独使用GPS，直到伽里略计划卫星发射，它们可升级并使用伽里略计划卫星。现在，即使OEM厂商不打算升级已用设备，但也开始设计支持双系统的架构。这样，当伽里略计划成为可用系统时，就可以避免耽误上市时间及失去市场机会。

　　因为GPS系统与伽里略计划使用相同频率基带(中心频率为1.575 GHz)，所以利用一个无线电设备连接两个系统是有可能的(也就是双重的无线电设备)。以上两个系统在信号获取方面有轻微不同，仍需要进行不同的配置。伽里略计划的信号利用4MHz带宽。与之相比不同的是：GPS利用2MHz带宽，并采用不同的编码方案。从基带角度看，两种调制方法能使用相关解调器。所以用一个单一基带处理器带一个柔性相关器模块，独立地配置，可同时解调伽里略计划和GPS信号。

　　想找到一个有成本效益的方法，实现伽里略计划／GPS系统功能，其关键在于：在已存在架构中未使用的能力与软件实施基带处理器部分问存在的平衡。例如：手机的一个应用处理器，它负责处理全部非通信功能。当人们对音乐及视频等多媒体服务兴趣日益浓厚时，这一处理器变得越来越强大。当不使用这些服务时，这一处理器通常空闲，甚至关掉，以节约电能。

　　当在应用处理器中，以软件实施基带处理时，消费领域的伽里略计划／GPS会成为可能。这样基于软件的伽里略计划／GPS类似于软件定义的无线电设备，因为单一硬件的无线电设备支持多个卫星系统。另外，随着无线通信技术不断集中，可预见在不久的未来，消费类设备要利用多功能无线电通信设备支持蓝牙，Wi-Fi及伽里略计划／GPS。

　　开发者可以选择：用硬件完成GPS基带处理及用软件完成伽里略计划基带处理而不利用主处理器资源，或用软件实现GPS及伽里略计划的需求。选用全使用软件实现的方法完全不需要硬件基带芯片，两种方法都降低了成本。

　　很明显，用软件实现基带处理，伽里略计划／GPS价格可降低超过50％。另一因素为基于软件开发的商业模式。软件开发完成，就不再有制造费用，它将长期和硬件捆绑销售。另外，伽里略计划能够添加基于软件的基带设备，同时无需增加总硬件费用。它与基于硬件的实现方法对比，在伽里略计划实行之日，无需客户立刻添加任何费用。

　　软件基带处理的可行性由对最坏装载的评测决定。关于伽里略计划／GPS的峰值处理发生于初始信号获取或定位丢失后即刻。位置确定后，基带处理大幅下降。系统维护已知定位比较容易。

　　很明显，最坏情况处理不能压跨应用处理器。当ARM9典型手机处理器66％用于软件基带初始运作时，系统软件商将期望能削减10％～15％的负载。

　　实现的方法为采用非实时手段进行处理。实时信号流的处理要求基于中断信号的处理，这将带来高费用及实时管理多任务的复杂。另外。因为处理器不断被处理信号而打断，所以它不能经常被关掉，增加了能耗。

　　非实时处理方法采用脉；中方式，收集许多数据，一同处理。这种方法有延时，但绝不影响精确度及用户的感受。如果数据聚集到一定程度，处理将被启动。如果系统是实时处理，处理器将经常被唤起。

　　寻址灵敏度

　　灵敏度是一个关键性能，影响伽里略计划／GPS的精确度，尤其是手机接收的精确性。系统(例如：A-GPS系统)可接收130 dBm～155 dBm信号，其噪声低于19dB～34dB。这些信号由相关器处理。一些其他信号接近有效信号的频率或有效带宽，它将作为干扰，降低无线电通信的灵敏度。大多数普通和破坏性的干扰源来自个人导航设备自身。

　　有几个办法用于克服内在的传输干扰。既然传输信号已知，就可从伽里略计划／GPS信号里减去它。另一种选择：使用滤波器保护接收的卫星信号。

　　双重无线电设备架构同时有两个最佳滤波器，分别用于2 MHz的GPS信号和4 MHz的伽里略计划信号。GPS的调制方式是BPSK，伽里略计划的调制方式是BOC(1，1)。允许两种信号占用同一带宽，相关器自己可分辨它们。反之亦然。

　　基带处理器也使用滤波器。当基带滤波器用硬件实现时，滤波器的值是固定的，应用受限制。当基带滤波器用软件实现时，可改变其值适应不同的信号。另外，先进的滤波器法则可用于已有设备架构。应用于手机架构时，它们有极大的差别，如软件方式可使单一双重无线电设备最优地处理多种信号生产线。

　　噪声或被控电压晶体振荡器能严重削减灵敏度。一般来说，时钟源越稳定，造价越高，收集时间也越快。

　　无论如何，这是一个普遍的误解：GSM参考时钟可作为伽里略计划／GPS稳定的参考时钟。GSM用网络频率保证它的时钟。但伽里略计划／GPS系统将不允许使用卫星信号维护其时钟。最安全的做法是它使用独立的时钟，虽然要增加总成本。

　　开发人员应仔细考虑系统性能及成本。