作者：Dvir Rosenfeld，CellGuide有限公司的研發副總裁

在過去十年中，GPS定位已經從主要由專業人員使用的專用高端技術轉變為消費者日常使用的一種技術。這種轉變是具有GPS功能的兩代器件在大眾化設備中普及GPS定位功能的結果。本文將討論下一個令人興奮的GPS發展階段，它能解決用戶經常在最需要的時候無法獲得GPS定位信息的問題。

在過去十年中的早些時候，出現的第一代設備是配件市場中的個人導航設備（PND），它以大眾化的價位實現了轉彎提示導航功能。發展第二階段的標志是智能手機的出現。今天的智能手機可以提供各種定位功能，并且主要依賴GPS功能實現精確的定位和轉彎提示導航應用。具有GPS功能的智能手機不僅將轉彎提示導航應用擴展到了行人、騎車者和司機，而且能夠向任何智能手機應用提供定位能力，從當地餐館位置到“生動的”星座圖，甚至增強現實。除了智能手機外，在其它消費產品中也出現了低成本定位技術，比如可以給照片增加地理標簽的照相機。但如果室內、城市中心或樹蔭環境中的GPS性能局限能夠克服的話，這種應用的影響和范圍還可以得到極大的擴展。

智能手機的出現還導致發生了消費者不能立即覺察到的變化。在調查組成現代手機和智能手機的元器件后會發現兩大明顯的主要趨勢。第一個趨勢是將多個功能合并進單個集成電路（IC）后的芯片的普及。通常我們稱之為“組合芯片”，目前市場上有許多組合，包括WiFi、藍牙和GPS；另外一個趨勢是基于MEMS的傳感器的廣泛使用。在過去幾年中，MEMS技術的發展使得在手機平臺中集成多個低成本的MEMS傳感器成為可能。例如，目前許多智能手機都包含三種運動傳感器——MEMS加速度計、電子羅盤和MEMS陀螺儀，當這些傳感器一起使用時，可以提供手機的線性和角度位置、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立的芯片，每個芯片完成單一功能，但未來趨勢是將運動傳感器合并和集成為單個封裝，再加入足夠的處理能力，就可以智能地整合來自各個獨立傳感器的數據，并直接向應用提供有意義的運動矢量。

MEMS傳感器的使用使得移動手機平臺第一次能夠測量與平臺位置以及實際移動有關的參數。這類測量經常被稱為“慣性測量”。在GPS和無線電導航領域中慣性測量（或INS—慣性導航系統）的使用是出了名而且成熟的。慣性導航經常用于在無線電導航很難或不可能完成的環境中改善無線電導航性能或作為補充。GPS接收機也會遇到這種情況，比如在人口密集的市中心、地下或室內。

了解兩種定位方法之間的區別很重要。GPS或無線電導航通過測量距多個已知發射器的距離（或延時）來實現對移動接收機位置的三角測量。因此，GPS接收機每次執行測量后都會直接計算移動接收機的位置。無線電導航接收機中的這種直接位置測量方法的缺點是單次測量的誤差會很大，有時甚至達到數十米，因此接收機通常要使用動態估計算法（如卡爾曼濾波器）將誤差減小到可接受的水平。

另一方面，慣性導航系統測量的是平臺的物理參數，如線性加速度（加速度計）、角加速度（陀螺儀）和絕對方位（3D羅盤）。通過對加速數據的積分處理，在初始位置已知的條件下，導航系統可以計算出用戶的位置和方位。使用慣性導航系統的優勢在于，測量誤差通常要小于無線電導航接收機中直接定位技術產生的誤差。然而，由于接收機要積分處理測量數據，誤差會累積，如果長時間積分處理會導致位置“漂移”。因此很明顯，當組合使用GPS和INS系統時兩者可以互補。

在典型的組合式系統中，GPS接收機計算初始位置，INS系統產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接收機周期性地校準位置。自然有最優化的方式實現這種組合，通常是使用擴展卡爾曼濾波器來實現。

目前大多數GPS/INS實現使用的傳感器都與移動平臺結合在一起，并且一般安裝在固定位置。以固定方式安裝在汽車平臺上的慣性傳感器就是一個很好的例子。當INS單元與移動平臺沒有結合在一起時，比如一個人邊走邊用手握著蜂窩手機，這種平臺中的GPS/INS導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，隨著對口袋移動定位應用預期的升溫，比如徒步導航和室內導航（在購物大廳、公共建筑物、博物館、展覽館等），這方面的研究工作非常多，目的是實現無限制的GPS/INS導航。最近不少研究結果表明，無限制的GPS/INS導航商用化已經很有希望。

結合將多種技術合并為組合芯片的趨勢、以及對移動平臺上同時實現GPS定位和MEMS傳感器的要求，發展的下一步是開發出同時包含GPS技術和MEMS傳感器的組合芯片。基于這些芯片的平臺目的不是為了實現更高的集成度，而是體驗更好的導航性能，在室內或人口密集的市中心等GPS挑戰環境中第一次實現真正高精度的定位。

最近，GPS接收機制造商與Baolab Microsystems公司紛紛開展合作，后者是一家歐洲新創企業，開發的低成本MEMS技術可以用標準CMOS工藝制造。現在，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組合芯片的移動消費設備（移動手機、照相機等）中實現定位和導航的第一步。這種技術帶來的可能性是無窮的，特別是這種解決方案能夠顯著降低成本，整體解決方案的實現成本比現有技術要低很多。

圖2：Baolab Microsystems公司的NanoEMS 3D數字羅盤，從標準CMOS芯片內部的互連層蝕刻而成。

圖3：NanoEMS CMOS羅盤部件“內部”顯微圖。

總之，目前情況是，當你最需要知道你的確切位置時，比如在人口密集的市中心、剛從地下停車場上來、在綠樹成蔭的地方、以及在移動設備越來越多使用的室內（大型購物中心、公共建筑物等），你卻經常“無法獲知”位置信息，因為GPS在這些地方不能正常工作。這主要是由于有太多的東西會阻擋信號，并使那些不能獲得明顯方向感的人感到困惑。但是，通過使用增強型GPS以及來自MEMS傳感器的INS運動跟蹤數據在這些缺少GPS信號的環境中實現高質量的動態導航，消費者幾乎在任何地方都可以享受便攜GPS增強應用的無縫工作，特別是在他們最需要的時候。

關于作者

Dvir Rosenfeld是CellGuide有限公司的研發副總裁，主要負責GNSS接收機和接收機組件的開發，包括射頻、ASIC/VLSI、信號處理和軟件。在加入CellGuide公司之前，Dvir在以色列國防工業中擔任過多種研發要職，主要研究信號處理和雷達技術。Dvir擁有特拉維夫大學電子工程專業理學士學位。

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