基于伽利略卫星网络GPS系统的设计

全球定位系统(GPS)功能正在快速成为消费电子应用的主要市场驱动力，也逐渐成为在各式各样新一代消费类电子设备中脱颖而出的重要差异点。无论是汽车、个人导航设备乃至蜂窝手机等应用都加入了精确的定位能力。此外，有许多先进的GPS服务也正在开发中，例如基于定位的广告。事实上，能够在地图上定位用户的功能足以推动GPS成为主流设备，但前提是不必大幅增加整体材料清单(BOM)成本和处理器负荷。

然而，要做到以消费者愿意支付的价格提供他们所期待的GPS性能和精度，开发商必须熟悉一些在消费类电子设备中实现GPS功能的关键技术，特别是全新的伽利略(Galileo)卫星网络。在伽利略卫星提供的辅助信号帮助下，个人导航设备将较只有GPS功能的设备可以更快速和更精确地采集和锁定位置，特别是在最需要位置定位服务、但GPS精度又不够的城市环境中。此外，随着创新技术如软件基带处理(类似于软件定义的无线电)的面世，制造商可以在不影响成本及功耗的情况下，把定位技术引入至个人多媒体播放器和手机之类的设备中。所有这些因素都使得伽利略与GPS的结合成为引人注目的技术。

伽利略： 有效弥补GPS网络的不足

伽利略卫星是在欧盟赞助下开发和推行的一种平行式全球定位卫星网络。伽利略卫星的开发并不是为了与GPS竞争，而是与其协同工作。伽利略卫星将在多个频段内传输信号，其中之一是跟GPS一样的L1波段频率，并且该波段频率在互补轨道的GPS卫星之间是有间隔的，这样，某个具体位置能捕获到的信号量就会大增，这对于高楼林立的城市中接收设备的精度影响很大。要获得足够的位置锁定信号，至少需要四颗卫星，基于伽利略/GPS的个人导般设备可同时使用来自两个系统的卫星，也就是说可以有更多卫星信号。实际上，这种高级别的精度足以让个人导航设备能够确定路上行人正往哪一边行走。

GPS面世至今已经有30多年历史。1978年，第一批探索卫星被送上了太空；198?年，第一批实用卫星被投放至轨道上。GPS于1993年达到了初始运作能力(IOC)，并于1995年实现了全面运作能力(FOC)。GPS由美国国防部管理，最初并不是特别为商业市场而设计的。

在效果上，伽利略是对GPS的有效补充。由于伽利略可用的信号数量更多，而且不受某一国政府机构的控制(例如可以不经警告就停止服务或改变卫星的精度)，所以能提供比GPS更高的精度(在商业应用方面，伽利略的精度为+/-4m，而GPS的精度为+/-10m)。

目前，伽利略测试卫星GIOVE-A已经部署，并验证了该技术所有重要的传输机制。随着部署的深入开展，27颗伽利略卫星将会被运送到轨道上。由于目前的产品开发周期很长，许多OEM厂商已经着手考虑推行基于伽利略/GPS的架构，并让相关产品逐渐进入市场，以便一旦伽利略系统正式运作，消费者就能够立即享用到优势。在理想情况下，这些设备目前只运用GPS工作，但当伽利略卫星定位系统建成后，就可以快速升级到采集伽利略的信号。即使OEM商没有计划升级已经投放的设备，现在就设计能同时支持这两种系统的架构，便可以避免当伽利略系统建成时，产品上市时间延迟和错失商机。

现今的GPS架构由天线、射频(RF)接收器、基带处理器和连接到应用处理器的输出总线接口组成(见图1)。这样的传统设备既不受功率约束的限制，也不需要太多的灵活性，因为它们是针对特定设备(如车载GPS)而开发的，所以接收器硬件的性能可以得到高度优化。它们的无线部分不管是硬件还是软件都几乎没有可配置能力或者不需要这种能力。它们常常以模块的形式出售给制造商，因此，OEM商没有必要掌握更多有关RF设计和测试的细节要点。

 

图1：基于硬件基带处理的GPS架构方框图。

尽管在针对特殊应用的实施方案中节省了大量成本，但是维护支持伽利略和GPS两个截然不同的射频子系统所需的成本却远远超过了消费市场能够承受的能力。更为重要的是，两个射频部分所占据的空间和消耗的功率翻了一番，而且还需要为应用处理器提供两条总线接口。在这种情况下，把这些射频部分集成为一个子组件就可以减少整体成本、复杂性和功耗。

事实上，因为GPS和伽利略采用相同的频段(中心频率为1.575 GHz)，所以有可能两套系统共享一个射频部分。然而，在信号采集方式上的微小差异则需要以可配置的方式来实现。特别是伽利略信号采用4MHz带宽，而GPS采用2MHz带宽，并且执行一套不同的编码方案。从基带的观点来看，这些调制方案都可以利用关联器进行解调，因此可以采用一个基带处理器，并通过独立配置一个灵活的关联器模块来同时解调伽利略和GPS这两种信号。

利用未充分使用的计算能力

传统的基带处理都是通过硬件实现的。然而，伽利略信号方案目前尚未最终完成，如果现在以硬件方式实现，就需要重新配置基带(只能用软件实现)的灵活性，以根据最终标准作出必要的修改。此外，基于硬件的实现方案通常很不灵活，难以通过修改来适应为了改进性能和精度而采用的新的信号处理算法。

以高性价比的方式实现伽利略/GPS功能的关键，就是利用现有架构中未被充分使用的计算能力，在软件中实现一部分的基带处理功能。例如，手机有一个应用处理器负责处理与通信无关的所有功能，随着人们对多媒体服务(如音乐和视频播放)兴趣的与日俱增，这种处理器已经变得越来越强大。然而，当这些服务不使用时，应用处理器常常处于闲置状态，一般来说会被断电，以降低它消耗的功率。

 

图2：利用双硬件架构与基于软件的架构实现的伽利略/GPS系统方框图。