GNSS支持GLONASS/GPS 提供最佳的定位精确度和可靠度 - 全文

　　大部分智慧型手机用户对定位和位置服务的期许为在任何环境之下，智慧型手机都能提供不中断的紧急通报和适地性服务（LBS）；在最低的功率消耗和硬体成本之下，提供最佳的定位精确度和可靠度。用户的基本需求可切割成四个领域：

　　．首次定位时间

　　绝大多数用户期待，当他们想要使用定位和位置服务时，就能立即获得位置资讯，因此首次定位时间（Time to First Fix， TTFF）必须非常的短。传统GPS接收机所定义的TTFF时间已无法满足智慧型手机用户需求，为了将TTFF时间降至最低，智慧型手机必须结合各种定位技术或辅助资讯，以满足用户需求。

　　．位置精确度

　　定位和位置服务的精确度可以从1公尺到100公尺，基本上，超过100公尺的误差将会大幅降低或者是限制位置服务的应用程度。

　　．位置资讯的可得性

　　当用户需要位置资讯时，智慧型手机皆能立即提供位置资讯给用户，不管用户是在户外或是室内的环境。

　　．位置资讯的可靠度

　　智慧型手机所输出的位置资讯可信吗？就算是处在干扰或遮蔽的环境下，智慧型手机所提供的位置资讯可靠度（Integrity）和可重复性，亦必须满足用户需求。

　　为满足客户对定位服务的四点要求，次世代慧型手机须具备相对应的技术，以下将一一解说。

　　．GNSS接收机定位须支援多卫星系统

　　除传统GPS功能外，新世代GNSS接收机须能支援各国卫星系统，例如俄罗斯GLONASS、欧盟伽利略（Galileo）系统、日本准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System， QZSS）和中国大陆的北斗（Compass ）系统。

　　．手机基地台定位

　　传统全球行动通讯系统/整体封包无线电服务/宽频分码多工（GSM/GPRS/WCDMA）系统基地台定位技术，例如利用细胞/小区（Cell/Sector）位置资讯的定位方式、CDMA2000系统所采用的先进上链三角定位（AFLT）、利用网路量测回报的定位（NMR）技术、利用4G长程演进计画（LTE）的观察抵达时间差（OTDOA）的定位技术。

　　．MEMS定位

　　利用微机电系统（MEMS）的惯性感测器（Inertial Sensor）元件，增强定位精确度和可靠度。

　　．其他无线讯号定位

　　利用无线区域网路（Wi-Fi）或社群网路（Crowdsourcing）提供定位的服务。

　　图1所示为智慧型手机用户对下一世代位置和定位服务的要求，所有的技术都必须向下相容且无缝接轨（Seamless Handover）。

　　

　　图1 下一代定位和位置服务愿景

　　GLONASS成智慧手机标配

　　当今智慧型手机内建的GNSS接收机都支援俄罗斯GLONASS系统，以下概述其优点。事实上GLONASS系统并非一套全新布建的卫星导航系统，其已经存在于地球轨道将近20年，但过往针对GLONASS的应用并不普及。最主要的原因在于俄罗斯政府受限于财务压力，因此无法维持GLONASS系统的全面运转，且GLONASS所提供的涵盖率、精确度和可靠度一直以来都令人存疑。

　　直到普亭（Vladimir Putin）担任总统的时代，俄罗斯才恢复对GLONASS系统的更新和升级。随着俄罗斯政经环境的改变，GLONASS系统变得愈来愈重要。截至目前为止，总共有二十七颗GLONASS卫星在地球轨道上运行。GLONASS系统提供全球覆盖的能力，同时精确度和可靠度也伴随着新一代的卫星升空，而有显著改善。

　　在政治方面的影响，则是普亭一再扬言要对任何进口到俄罗斯的导航产品（包含宣称具有导航功能的智慧型手机）征收处罚性的关税，以强制推行GLONASS系统在终端设备的普及率。2011年4月Qualcomm.html‘ target=’_blank‘》高通（Qualcomm）利用中兴（ZTE）的智慧型手机在普亭（时任俄罗斯总理）面前实际展示利用GLONASS卫星系统来定位，此举更是将GLONASS接收机推升到任何智慧型手机的标准配备。

　　适用高纬度地区GLONASS补强GPS讯号接收

　　GLONASS卫星位于中地球轨道（Medium Earth Orbit， MEO），距离地球平均海平面高度为19，100公里，比GPS卫星的轨道稍低一些。GLONASS卫星轨道的倾角（卫星轨道面和地球黄道面的夹角）为64.8度，GLONASS实际上是为了高纬度地区所设计的导航卫星系统，因此其高倾角设计有利于高纬度地区卫星讯号的接收。

　　在高纬度地区，GPS卫星集中于南方的天空，因此GPS接收机的讯号接收很容易受到天线图状（Pattern）和地形地物的影响，GLONASS和GPS双星系统接收机可以互补使得卫星讯号的接收更为强健。GLONASS共有三个轨道，因此每个轨道上面会有八个平均分布的卫星。GLONASS卫星绕行地球的周期为11小时15分钟。表1为GPS和GLONASS卫星的比较。

　　

　　GLONASS基于FDMA技术

　　比较值得注意的是GLONASS采用分频多重存取（FDMA）系统，有别于GPS采用分码多重存取（CDMA）系统，所有GLONASS使用相同最大长度位移暂存器序列（MLSR）来编码，但利用不同的载波频率来发射，因此卫星的识别是利用载波频率，而不是编码序列。GLONASS系统的中心频率为1，602MHz，每个频道间距为500kHz，GLONASS卫星编码和载波的关系可用下列公式表示，图2显示GLONASS和GPS讯号和频率的属性，而表2详列GLONASS和GPS讯号比较。

　　

　　图2 GLONASS和GPS载波频率和调变的差异

　　

　　2005年后，俄罗斯当局重新拟定GLONASS卫星的频道码，GLONASS卫星的频道码介于-7~+6间，其中+5和+6保留给特殊用途，并不提供民间使用。在地球轨道上面任两个对称的卫星会使用相同的频道码。

　　根据GLONASS载波频率公式发现，两颗不同的GLONASS卫星会具有相同的载波频率，实际上这两颗卫星无法同时被看见，因其彼此会落在运行轨道的正对面。在GPS/GLONASS双频双模接收机的解码上，要小心处理GLONASS不同卫星，但发射载波相同的问题。例如当GNSS接收机是冷开机（Cold Start）或工厂重置模式（Factory Reset）下，当开机时一般都会利用行动网路下载长期的轨道预测资料（Predicted Orbit Data），加速首次定位时间。此时GNSS接收机除非已经利用其他方式得知大致位置，否则无法判定所锁定GLONASS卫星是同一轨道上面对立的两颗卫星中的哪一颗。一般演算法是等到GPS定位之后、或是直接解码GLONASS星历资料（Ephemeris），才能判断正确GLONASS卫星号码。在无法得知正确的GLONASS的卫星号码之前，无法利用下载的轨道资料来计算位置。

　　善用GLONASS/GPS时域交错加速智慧手机定位

　　GLONASS导航讯息（Navigation Message）由一个超级讯框（Superframe）组成，持续时间为2.5分钟。超级讯框由五个子讯框（Subframe）所组成，因此每个子讯框持续时间为30秒，和GPS类似。每个子讯框由十五个字串（String）所组成，每个字串的持续时间为2秒。十五个字串可分为两部分--立即资料（Immediate Data）和非立即资料（Non-immediate Data）；立即资料占用五个字串的长度，主要用来携带该卫星的星历资料和时钟修正讯息。后面十个字串携带其他卫星的星历（Almanac），每个卫星星历会占用两个字串，因此一个讯框可以广播五颗卫星的星历。图3为GLONASS卫星所广播的导航讯息结构。

　　

　　图3 GLONASS卫星广播的导航讯息结构

　　GLONASS采用协调世界时间（UTC），但GPS采用GPS时间，两者间时差为15秒（2012年6月30日后为16秒）。这种时间交错的排序方式，适合GNSS接收机的解码。图4显示GPS和GLONASS利用时域交错的方式发射导航讯息。时域交错主因为来自不同的系统时间所产生的润秒（Leap Second）。

　　

　　图4 GLONASS和GPS卫星所广播的卫星星历在时域上的交错，主要来自润秒。

　　在时域上利用交错的方式发射卫星星历资料，有助于加速定位，特别在间断性遮蔽的环境中，能够连续解码18秒的GPS星历资料。藉由GLONASS特殊的交错，有可能在空间的空档内解出GLONASS的星历资料，利用GPS和GLONASS混合（Hybrid）量测来计算出用户的位置。大城市里，经常会遇到间断遮蔽的情况，GPS和GLONASS先天的时域交错使得GNSS接收机在自主模式（Autonomous Mode）之下的首次定位时间会远小于GPS??接收机。

　　值得注意的是，由于GLONASS和GPS的频段不同，所以GNSS接收机的外部电路须能支援较大频宽，以涵盖GPS和GLONASS频段。