AGPS定位基本機制


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位置服務已經成為越來越熱的一門技術,也將成為以后所有移動設備(智能手機、掌上電腦等)的標配。隨着人們對BLS(Based Location Serices,基於位置的服務)需求的飛速增長,無線定位技術也越來越得到重視。AGPS(Assisted GPS,A-GPS,網絡輔助GPS)定位技術結合了GPS定位和蜂窩基站定位的優勢,借助蜂窩網絡的數據傳輸功能,可以達到很高的定位精度和很快的定位速度,在移動設備尤其是手機中被越來越廣泛的使用。本文以GSM網絡輔助GPS定位為例對AGPS的定位原理進行簡單介紹。

AGPS定位基本機制

根據定位媒介來分,定位技術基本包含基於GPS的定位和基於蜂窩基站的定位兩類(閱讀本文前,建議先閱讀《GPS定位基本原理淺析》和《GSM蜂窩基站定位基本原理淺析》兩篇文章)。GPS定位以其高精度得到更多的關注,但是其弱點也很明顯:一是硬件初始化(首次搜索衛星)時間較長,需要幾分鍾至十幾分鍾;二是GPS衛星信號穿透力若,容易受到建築物、樹木等的阻擋而影響定位精度。AGPS定位技術通過網絡的輔助,成功的解決或緩解了這兩個問題。對於輔助網絡,有多種可能性,以GSM蜂窩網絡為例,一般是通過GPRS網絡進行輔助。

AGPS_thumb30

如上圖所示,直接通過GPS信號從GPS獲取定位所需的信息,這是傳統GPS定位的基本機制。AGPS中,通過蜂窩基站的輔助來解決或緩解上文提到的兩個問題:

對於第一個問題,首次搜星慢的問題,根據《GPS定位基本原理淺析》一文的介紹,我們知道是因為GPS衛星接收器需要進行全頻段搜索以尋找GPS衛星而導致的。在AGPS中,通過從蜂窩網絡下載當前地區的可用衛星信息(包含當地區可用的衛星頻段、方位、仰角等信息),從而避免了全頻段大范圍搜索,使首次搜星速度大大提高,時間由原來的幾分鍾減小到幾秒鍾。

對於第二個問題,GPS衛星信號易受干擾的問題,這是由GPS衛星信號本身的性質決定的,我們無法改變。但是APGS中,通過蜂窩基站參考GPS的輔助,或是借助GSM定位中Cell-ID定位(COO定位)方法的輔助,緩解了在GPS信號不良的情況下定位的問題,有效提高了在此情況下的定位精度。

AGPS定位基本流程

 

1.搜索衛星

AGPS定位仍然是基於GPS的,因此定位的首要步驟還是先搜索到當前地區的可用GPS衛星。在傳統GPS定位中需要全頻段搜索以找到可用衛星因而耗時較長,而AGPS通過網絡直接下載當前地區的可用衛星信息,從而提高了搜星速度。同時,也減小了設備的電量消耗。

AGPS1_thumb11

如上圖所示,AGPS中從定位啟動到GPS接收器找到可用衛星的基本流程如下:

(1)設備從蜂窩基站獲取到當前所在的小區位置(即一次COO定位)

(2)設備通過蜂窩網絡將當前蜂窩小區位置傳送給網絡中的AGPS位置服務器

(3)APGS位置服務器根據當前小區位置查詢該區域當前可用的衛星信息(包括衛星的頻段、方位、仰角等相關信息),並返回給設備

(4)GPS接收器根據得到的可用衛星信息,可以快速找到當前可用的GPS衛星

至此,GPS接收器已經可正常接收GPS信號,GPS初始化過程結束。AGPS對定位速度的提高就主要體現在此過程中。

2.計算位置

GPS接收器一旦找到四顆以上的可用衛星,就可以開始接收衛星信號實現定位。接下來的過程根據位置計算所在端的不同,通常有兩種方案:在移動設備端進行計算的MS-Based方式和在網絡端進行計算的MS-Assisted方式。

MS-Based方式中,接下來過程與傳統GPS定位完全相同,GPS接收器接收原始GPS信號,解調並進行一定處理,根據處理后的信息進行位置計算,得到最終的位置坐標。

MS-Assisted方式中,解調並處理后,接下來的過程如下圖所示:

(5)設備將處理后的GPS信息(偽距信息)通過蜂窩網絡傳輸給AGPS位置服務器

(6)AGPS服務器根據偽距信息,並結合其他途徑(蜂窩基站定位、參考GPS定位等)得到的輔助定位信息,計算出最終的位置坐標,返回給設備。

AGPSMSAssisted_thumb13

在此過程中可以看到,在使用MS-Assisted方式時,由於輔助定位信息的加入,可以取得更高的定位精度;同時,可以很大程度上克服弱GPS信號情況下的無法定位或精度降低的問題;將復雜計算轉移到網絡端,也可以很大程度上減小設備的電量消耗。

AGPS定位優劣分析

與傳統GPS定位相比,APGS定位有如下的優勢:

  • 首次搜星速度快
  • 有效減少設備的電量消耗

對於采用MS-Assisted方式的AGPS系統而言,除了以上優勢外,還有:

  • 定位精度更高
  • 緩解弱GPS信號情況下無法定位或精度降低的問題
  • 對移動設備的計算能力要求更低

當然,AGPS也有一定的限制:

  • 必須有蜂窩網絡(GRRS/EDGE/CDMA等)的支持用以數據傳輸,對一般用戶而言可能需要為此支付一定的數據流量費用
  • 必須有AGPS位置服務器的支持
  • 與GPS一樣,仍無法完美解決室內(室內無法接收GPS信號)定位的問題

AGPS定位技術的實際應用情況

因為AGPS需要網絡支持,因此目前使用該技術的大部分設備為手機。

1.目前大部分支持AGPS的手機采用一種純軟件的AGPS方案。


該方案基於MS-Based位置計算方式。具體的方案為:

定期下載星歷數據到手機中,手機中的AGPS軟件會根據星歷信息計算出當前位置的可用衛星信息,從而提供給設備用於快速搜星。用戶可以選擇通過WiFi、固網等免費網絡定期更新星歷數據,從而避免使用蜂窩網絡產生的數據流量費用。當然,由於星歷信息可能存在延遲,因此搜星時速度可能有所下降,但是仍然會比傳統GPS定位快很多倍。

該方案的優點是純軟件,不需要專門的AGPS硬件,幾乎所有GPS手機都可以使用;同時用戶可以根據情況指定星歷更新周期及更新方式,控制或減免蜂窩網絡數據流量。

HTC的大部分AGPS手機都采用這種方案。如下圖為HTC手機中用於更新衛星信息的“快速GPS”軟件。 
HTCGPS1_thumb1 HTCGPS2_thumb1

 

2.部分運營商的AGPS方案中,實施了在無GPS信號時自動切換到GSM蜂窩基站Cell-ID定位的措施,從而一定程度上解決了室內定位的問題。

如中國移動的OMA AGPS方案。

OMAAGPS_thumb2

 

3.世界范圍內一些AGPS芯片或相關服務已經廣泛使用。

SiRF公司的AGPS芯片提供了硬件層次上的AGPS方案。

SiRFAGPSChip_thumb

U-BloxAssistNow A-GPS服務提供了AssistNow Online(在線AssistNow)和AssistNow OffLine(離線AssistNow)兩種易用的AGPS方案。實際上這兩種方案分別就是MS-Assisted和MS-Based兩種定位計算方式的實現。

u-blox在線AssistNow系統組成。

ubloxAssistNow_thumb9

u-blox離線AssistNow系統組成。

ubloxAssistNow_thumb1

4.國內電信運營商的AGPS方案

中國移動正在制訂的A-GPS方案基於OMA的SUPL規范,是一種用戶平面的解決方案。

中國聯通提供的gpsOne是MS-Assisted方式的A-GPS定位方案,也基於用戶平面方式,目前只用於CDMA網絡。

要了解二者的詳細信息,請自行Google。下面僅列出幾個可能有用的鏈接。


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