作者：Dvir Rosenfeld，CellGuide有限公司的研發(fā)副總裁

在過(guò)去十年中，GPS定位已經(jīng)從主要由專業(yè)人員使用的專用高端技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄M(fèi)者日常使用的一種技術(shù)。這種轉(zhuǎn)變是具有GPS功能的兩代器件在大眾化設(shè)備中普及GPS定位功能的結(jié)果。本文將討論下一個(gè)令人興奮的GPS發(fā)展階段，它能解決用戶經(jīng)常在最需要的時(shí)候無(wú)法獲得GPS定位信息的問(wèn)題。

在過(guò)去十年中的早些時(shí)候，出現(xiàn)的第一代設(shè)備是配件市場(chǎng)中的個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備（PND），它以大眾化的價(jià)位實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎提示導(dǎo)航功能。發(fā)展第二階段的標(biāo)志是智能手機(jī)的出現(xiàn)。今天的智能手機(jī)可以提供各種定位功能，并且主要依賴GPS功能實(shí)現(xiàn)精確的定位和轉(zhuǎn)彎提示導(dǎo)航應(yīng)用。具有GPS功能的智能手機(jī)不僅將轉(zhuǎn)彎提示導(dǎo)航應(yīng)用擴(kuò)展到了行人、騎車者和司機(jī)，而且能夠向任何智能手機(jī)應(yīng)用提供定位能力，從當(dāng)?shù)夭宛^位置到“生動(dòng)的”星座圖，甚至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。除了智能手機(jī)外，在其它消費(fèi)產(chǎn)品中也出現(xiàn)了低成本定位技術(shù)，比如可以給照片增加地理標(biāo)簽的照相機(jī)。但如果室內(nèi)、城市中心或樹蔭環(huán)境中的GPS性能局限能夠克服的話，這種應(yīng)用的影響和范圍還可以得到極大的擴(kuò)展。

智能手機(jī)的出現(xiàn)還導(dǎo)致發(fā)生了消費(fèi)者不能立即覺察到的變化。在調(diào)查組成現(xiàn)代手機(jī)和智能手機(jī)的元器件后會(huì)發(fā)現(xiàn)兩大明顯的主要趨勢(shì)。第一個(gè)趨勢(shì)是將多個(gè)功能合并進(jìn)單個(gè)集成電路（IC）后的芯片的普及。通常我們稱之為“組合芯片”，目前市場(chǎng)上有許多組合，包括WiFi、藍(lán)牙和GPS；另外一個(gè)趨勢(shì)是基于MEMS的傳感器的廣泛使用。在過(guò)去幾年中，MEMS技術(shù)的發(fā)展使得在手機(jī)平臺(tái)中集成多個(gè)低成本的MEMS傳感器成為可能。例如，目前許多智能手機(jī)都包含三種運(yùn)動(dòng)傳感器——MEMS加速度計(jì)、電子羅盤和MEMS陀螺儀，當(dāng)這些傳感器一起使用時(shí)，可以提供手機(jī)的線性和角度位置、速度和加速度的精確跟蹤。目前為止MEMS傳感器基本上還是獨(dú)立的芯片，每個(gè)芯片完成單一功能，但未來(lái)趨勢(shì)是將運(yùn)動(dòng)傳感器合并和集成為單個(gè)封裝，再加入足夠的處理能力，就可以智能地整合來(lái)自各個(gè)獨(dú)立傳感器的數(shù)據(jù)，并直接向應(yīng)用提供有意義的運(yùn)動(dòng)矢量。

MEMS傳感器的使用使得移動(dòng)手機(jī)平臺(tái)第一次能夠測(cè)量與平臺(tái)位置以及實(shí)際移動(dòng)有關(guān)的參數(shù)。這類測(cè)量經(jīng)常被稱為“慣性測(cè)量”。在GPS和無(wú)線電導(dǎo)航領(lǐng)域中慣性測(cè)量（或INS—慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）的使用是出了名而且成熟的。慣性導(dǎo)航經(jīng)常用于在無(wú)線電導(dǎo)航很難或不可能完成的環(huán)境中改善無(wú)線電導(dǎo)航性能或作為補(bǔ)充。GPS接收機(jī)也會(huì)遇到這種情況，比如在人口密集的市中心、地下或室內(nèi)。

了解兩種定位方法之間的區(qū)別很重要。GPS或無(wú)線電導(dǎo)航通過(guò)測(cè)量距多個(gè)已知發(fā)射器的距離（或延時(shí)）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)接收機(jī)位置的三角測(cè)量。因此，GPS接收機(jī)每次執(zhí)行測(cè)量后都會(huì)直接計(jì)算移動(dòng)接收機(jī)的位置。無(wú)線電導(dǎo)航接收機(jī)中的這種直接位置測(cè)量方法的缺點(diǎn)是單次測(cè)量的誤差會(huì)很大，有時(shí)甚至達(dá)到數(shù)十米，因此接收機(jī)通常要使用動(dòng)態(tài)估計(jì)算法（如卡爾曼濾波器）將誤差減小到可接受的水平。

另一方面，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的是平臺(tái)的物理參數(shù)，如線性加速度（加速度計(jì)）、角加速度（陀螺儀）和絕對(duì)方位（3D羅盤）。通過(guò)對(duì)加速數(shù)據(jù)的積分處理，在初始位置已知的條件下，導(dǎo)航系統(tǒng)可以計(jì)算出用戶的位置和方位。使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，測(cè)量誤差通常要小于無(wú)線電導(dǎo)航接收機(jī)中直接定位技術(shù)產(chǎn)生的誤差。然而，由于接收機(jī)要積分處理測(cè)量數(shù)據(jù)，誤差會(huì)累積，如果長(zhǎng)時(shí)間積分處理會(huì)導(dǎo)致位置“漂移”。因此很明顯，當(dāng)組合使用GPS和INS系統(tǒng)時(shí)兩者可以互補(bǔ)。

在典型的組合式系統(tǒng)中，GPS接收機(jī)計(jì)算初始位置，INS系統(tǒng)產(chǎn)生距初始位置的位置差。為了避免由于INS引起的漂移誤差，要用GPS接收機(jī)周期性地校準(zhǔn)位置。自然有最優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)這種組合，通常是使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

目前大多數(shù)GPS/INS實(shí)現(xiàn)使用的傳感器都與移動(dòng)平臺(tái)結(jié)合在一起，并且一般安裝在固定位置。以固定方式安裝在汽車平臺(tái)上的慣性傳感器就是一個(gè)很好的例子。當(dāng)INS單元與移動(dòng)平臺(tái)沒有結(jié)合在一起時(shí)，比如一個(gè)人邊走邊用手握著蜂窩手機(jī)，這種平臺(tái)中的GPS/INS導(dǎo)航使用的方法和算法通常都不能做到很高性能。然而近年來(lái)，隨著對(duì)口袋移動(dòng)定位應(yīng)用預(yù)期的升溫，比如徒步導(dǎo)航和室內(nèi)導(dǎo)航（在購(gòu)物大廳、公共建筑物、博物館、展覽館等），這方面的研究工作非常多，目的是實(shí)現(xiàn)無(wú)限制的GPS/INS導(dǎo)航。最近不少研究結(jié)果表明，無(wú)限制的GPS/INS導(dǎo)航商用化已經(jīng)很有希望。

結(jié)合將多種技術(shù)合并為組合芯片的趨勢(shì)、以及對(duì)移動(dòng)平臺(tái)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)GPS定位和MEMS傳感器的要求，發(fā)展的下一步是開發(fā)出同時(shí)包含GPS技術(shù)和MEMS傳感器的組合芯片?；谶@些芯片的平臺(tái)目的不是為了實(shí)現(xiàn)更高的集成度，而是體驗(yàn)更好的導(dǎo)航性能，在室內(nèi)或人口密集的市中心等GPS挑戰(zhàn)環(huán)境中第一次實(shí)現(xiàn)真正高精度的定位。

最近，GPS接收機(jī)制造商與Baolab Microsystems公司紛紛開展合作，后者是一家歐洲新創(chuàng)企業(yè)，開發(fā)的低成本MEMS技術(shù)可以用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造?，F(xiàn)在，組合芯片可以提供GPS和MEMS傳感器解決方案——在單顆芯片產(chǎn)品中集成GPS和三維電子羅盤功能。這是在基于GPS/MEMS組合芯片的移動(dòng)消費(fèi)設(shè)備（移動(dòng)手機(jī)、照相機(jī)等）中實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航的第一步。這種技術(shù)帶來(lái)的可能性是無(wú)窮的，特別是這種解決方案能夠顯著降低成本，整體解決方案的實(shí)現(xiàn)成本比現(xiàn)有技術(shù)要低很多。

圖2：Baolab Microsystems公司的NanoEMS 3D數(shù)字羅盤，從標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片內(nèi)部的互連層蝕刻而成。

圖3：NanoEMS CMOS羅盤部件“內(nèi)部”顯微圖。

總之，目前情況是，當(dāng)你最需要知道你的確切位置時(shí)，比如在人口密集的市中心、剛從地下停車場(chǎng)上來(lái)、在綠樹成蔭的地方、以及在移動(dòng)設(shè)備越來(lái)越多使用的室內(nèi)（大型購(gòu)物中心、公共建筑物等），你卻經(jīng)?！盁o(wú)法獲知”位置信息，因?yàn)镚PS在這些地方不能正常工作。這主要是由于有太多的東西會(huì)阻擋信號(hào)，并使那些不能獲得明顯方向感的人感到困惑。但是，通過(guò)使用增強(qiáng)型GPS以及來(lái)自MEMS傳感器的INS運(yùn)動(dòng)跟蹤數(shù)據(jù)在這些缺少GPS信號(hào)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)導(dǎo)航，消費(fèi)者幾乎在任何地方都可以享受便攜GPS增強(qiáng)應(yīng)用的無(wú)縫工作，特別是在他們最需要的時(shí)候。

關(guān)于作者

Dvir Rosenfeld是CellGuide有限公司的研發(fā)副總裁，主要負(fù)責(zé)GNSS接收機(jī)和接收機(jī)組件的開發(fā)，包括射頻、ASIC/VLSI、信號(hào)處理和軟件。在加入CellGuide公司之前，Dvir在以色列國(guó)防工業(yè)中擔(dān)任過(guò)多種研發(fā)要職，主要研究信號(hào)處理和雷達(dá)技術(shù)。Dvir擁有特拉維夫大學(xué)電子工程專業(yè)理學(xué)士學(xué)位。

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