用軟件實現(xiàn)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計要素

直到最近，應(yīng)用主處理器的處理能力無法提供實現(xiàn)基于軟件GNSS所需的功力。但現(xiàn)在該處理器有可能執(zhí)行GNSS基帶處理，從而顯著縮減了增加的費用并降低了在眾多消費電子產(chǎn)品內(nèi)引入GNSS的門檻。從價格角度，基于軟件的GNSS使系統(tǒng)成本增加約3美元(也即是基于硬件模塊成本的一半)但卻擴展了整個GNSS能力。

重要的是要注意到，它只是基于軟件GNSS子系統(tǒng)的起步成本所以也是其最高價格?；谶@樣一個廣泛共識——軟件開發(fā)一旦完成后，就不再有制造成本——軟件模式與硬件模式的定價機制有很大不同。傳統(tǒng)上，市場把軟件看作是行銷硬件的手段，也因此軟件常常與硬件捆綁在一起。隨著降低GNSS射頻成本的市場壓力以及采用GNSS的大批量應(yīng)用的出現(xiàn)，預(yù)計，該價格會迅速降低到1美元。在該成本，GNSS成為幾乎可在任何消費電子應(yīng)用內(nèi)見到的一種功能。且同時它還將加速不同射頻技術(shù)的融匯，也即在單一一個軟件定義射頻(SDR)平臺內(nèi)包括進GNSS、藍牙和無線本地網(wǎng)(WLAN)等技術(shù)。

因基于軟件GNSS帶來的成本降低是通過利用應(yīng)用主處理器閑置的處理周期獲得的，而應(yīng)用主處理器業(yè)已是架構(gòu)的一部分，這就把優(yōu)化RF處理的某些責(zé)任轉(zhuǎn)嫁給軟件開發(fā)商，而這些責(zé)任過去是由RF設(shè)計師擔(dān)當(dāng)?shù)?。需注意的是，軟件開發(fā)人員進行的優(yōu)化并不牽扯開發(fā)及優(yōu)化RF基帶處理算法；市場上已有幾個RF領(lǐng)袖開發(fā)現(xiàn)成的GNSS基帶處理軟件。事實是，優(yōu)化是通過開發(fā)者將基于軟件的GNSS技術(shù)整合進現(xiàn)有設(shè)計的水平有多高來獲得的?；旧希瑑?yōu)化專注的是如何在最惡劣工作情況下保持性能和精度、最小化功耗以及保持架構(gòu)靈活性。

應(yīng)考慮的一個問題是最惡劣情況下的處理負(fù)載。因基于軟件處理的經(jīng)濟性部分取決于未使用的應(yīng)用主處理器資源，所以基于軟件的GNSS處理需根據(jù)可用資源動態(tài)調(diào)整。在效果上，GNSS處理必須不能給諸如多媒體處理等其它系統(tǒng)功能帶來負(fù)面影響。當(dāng)然，若能在最惡劣情況下的處理中保持精度，則基于約定，當(dāng)有更多處理資源可用時，該精度也可保持。例如，在支持視頻和音頻回放的手機中，若視頻回放是手機中要求最大處理能力的功能，則包括音頻在內(nèi)的任何不使用視頻的模式對GNSS基帶處理來說，資源都是綽綽有余的。

在需要最多處理器資源的視頻回放中，GNSS基帶處理也許需要回調(diào)。但，考慮到視頻的視覺本質(zhì)，用戶將觀看視頻而非跟隨其目前位置。因此，僅當(dāng)用戶暫停視頻并切換到位置跟蹤應(yīng)用時，才需要高度準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)。

開發(fā)者可借此在視頻回放時，調(diào)整跟蹤精度。因用戶此時并不使用位置數(shù)據(jù)，開發(fā)者可選擇放寬精度容限。例如，利用需更少信息以估算位置的各種航位推算(dead-reckoning)技術(shù)，系統(tǒng)可在合理的精度內(nèi)獲得近似位置信息。當(dāng)再次需要位置數(shù)據(jù)時，GNSS子系統(tǒng)可利用從視頻處理釋放出的處理資源迅速恢復(fù)到高精度。

注意，必須隨時保證一定精度的信號以避免丟失信號；否則，將需要重新獲取信號。源于重新獲取信號所需的時間以及最初的位置鎖定需要比跟蹤和保持位置多得多的計算資源，所以應(yīng)避免完全丟失位置鎖定。

與其為實現(xiàn)持續(xù)導(dǎo)航以固定速率連續(xù)保持高精度，系統(tǒng)可采用若干步驟降低整個基帶處理負(fù)載：
* 減少被跟蹤衛(wèi)星數(shù)。因處理負(fù)荷與被跟蹤衛(wèi)星數(shù)有直接比例關(guān)系，此舉將減少保持位置所需的周期數(shù)。
* 減少系統(tǒng)處理的信號工作量。例如，在每三個采樣中只處理一個采樣將減少為有效保持位置必須處理的數(shù)據(jù)量。此舉將影響系統(tǒng)精度，但若系統(tǒng)業(yè)已在跟蹤很強信號，則犧牲的這點精度不足為慮。
* 減少定位速率。該標(biāo)準(zhǔn)定位速率是1定位/秒。并非所有應(yīng)用需要該速率，例如，有些應(yīng)用1定位/10秒這樣一個速率就夠了。
* 平均和濾波器數(shù)據(jù)。平均在降低精度的同時，也降低了錯誤幅值。取決于應(yīng)用，平均可保守也可激進。
* 利用空閑周期獲得精度。有時，基帶處理負(fù)荷不重。與其讓這些周期閑置，GNSS子系統(tǒng)可動態(tài)要求這些周期來處理所需的更多信號以重新獲取精度，否則精度會降低。
* 選擇用同相/正交(in-phase /quadrature——I/Q)格式而非原始信號傳遞數(shù)據(jù)的射頻。通過用硬件執(zhí)行I/Q基帶轉(zhuǎn)換步驟，則分擔(dān)了應(yīng)用主處理器的一些處理工作。該方法的一個主要缺陷是它在射頻和處理器間的接口生成兩倍需下載的數(shù)據(jù)量，從而要求一個比處理器所支持的更高速接口。
* 采用航位推算和插補。僅通過運行時鐘，系統(tǒng)可根據(jù)最后掌握的位置、方向和速度來估計用戶的大概位置。航位推算可長期保持相當(dāng)精度。例如，高速公路上的汽車不太會突然轉(zhuǎn)向。當(dāng)衛(wèi)星信號丟失(如汽車駛?cè)胨淼?時，航位推算是用于保持位置的相同技術(shù)之一。差別在于，“差”的信號狀況是刻意設(shè)置的而不是環(huán)境因素造成的
* 選用更高性能處理器。若沒有足夠的未利用周期，根據(jù)應(yīng)用，則可能真需要把目前所用的應(yīng)用處理器升級至下一檔可用的速度，此舉可能比使用一款硬件基帶處理器便宜。如手機應(yīng)用處理器一般批量大、且采用最新和最具成本效益的工藝技術(shù)實現(xiàn)的，從而降低了成本?？紤]到基帶處理器相對低的批量，一般會有更長的優(yōu)化周期。這樣，與基于硬件的基帶處理器相比，采用運行于更小規(guī)模應(yīng)用主處理器上的軟件的基帶成本和功耗都會更低。
* 屏蔽延遲。在需要時間恢復(fù)足夠精度的這些場合，由用戶來屏蔽延遲是重要的。諸如需太長時間首次獲取信號的明晰可感的延遲會給用戶視覺造成極其負(fù)面的影響。例如，當(dāng)確定基于GNSS設(shè)備的質(zhì)量時，許多用戶將專注于類似原初位置獲取等單一特性來評估整個GNSS質(zhì)量。若首次獲取位置耗時過長，許多用戶將不會勞神比較整個精度到底多高。因此，在無論系統(tǒng)到底干什么的情況下，盡快獲取首次位置都是很重要的。例如，需要用戶暫停視頻、返回菜單然后選擇GNSS位置映像屏幕的過程為GNSS子系統(tǒng)恢復(fù)精度、降低獲感等待時間額外提供了一段時間。

用于降低處理負(fù)載的上述許多技術(shù)也可同樣用于平衡功耗和靈敏度。即使系統(tǒng)有足夠未用或可用的處理資源，開發(fā)者或許也想在任何事件中應(yīng)用最惡劣工作情況技術(shù)以限制功耗。

因系統(tǒng)內(nèi)的不同部分可分別控制，所以用軟件實現(xiàn)基帶處理支持比基于硬件方法更靈活的電源管理。另外，隨著新的創(chuàng)新算法和降耗技術(shù)的開發(fā)，可在現(xiàn)有設(shè)計中實現(xiàn)這些技術(shù)且不需昂貴的硅重新設(shè)計。其它降耗技術(shù)包括?:
* 系統(tǒng)級感知。GNSS子系統(tǒng)應(yīng)訪問系統(tǒng)級狀態(tài)以便根據(jù)這些狀態(tài)采取行動。若PND確定用戶并沒主動看屏幕，當(dāng)它關(guān)閉顯示器背光時也還會“通知”GNSS子系統(tǒng)同時減少位置處理負(fù)載。當(dāng)用戶接著使用設(shè)備時，位置會被刷新。
* 保持GNSS時鐘。當(dāng)關(guān)斷GNSS接收器系統(tǒng)或?qū)⑵湓O(shè)置為待機(休眠)模式時，只關(guān)斷射頻部分但保持GNSS時鐘。因時鐘也耗電，所以該技術(shù)實際需要更大功耗，但當(dāng)系統(tǒng)喚醒時，因其不必重新獲取時間，它支持更快的信號獲取。該技術(shù)可直接與業(yè)已在設(shè)備中實現(xiàn)的任何降耗功能直接對接。
* 儲存關(guān)于最后一次已知位置的足夠信息。任何時間，該設(shè)備都有關(guān)于其大概位置的數(shù)據(jù)、時間或參考，因系統(tǒng)了解大致答案，所以信號獲取被提速。
* 存儲衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。導(dǎo)航時，GNSS接收器需了解其全部跟蹤衛(wèi)星的軌道參數(shù)(年鑒和星歷)。在存儲該軌道數(shù)據(jù)時，會有接收器短時關(guān)閉、而以前使用的相同衛(wèi)星仍可用的場合。在這種情況，該接收器可熱啟動、把從潛態(tài)到首次定位所需時間從30多秒減少至3秒內(nèi)。
* 編程射頻以輸出更少數(shù)據(jù)。當(dāng)試圖在最惡劣工作條件下保持精度時，將完整GNSS信號送至主處理器會有好處，這樣當(dāng)突然有可用資源時就可利用這些信號，而若沒有可用資源時將丟棄這些采樣。但該方法以全速驅(qū)動射頻/處理器接口。通過降低來自射頻的信號速率、當(dāng)有更多資源可用時，處理器雖失去了處理更多采樣的能力但卻保存了功率。
* 采用智能航位推算。當(dāng)位置更容易估算時(如行駛在高速公路且半英里內(nèi)沒有出口的場合)，可采用犧牲精度以減小處理負(fù)載的航位推算及其它技術(shù)。通過采用航位推算技術(shù)有效進行交叉定位計算或降低信號速率，信號處理負(fù)載可被降低且保持足夠精度?；谲浖椒ǖ撵`活性使實現(xiàn)諸如此類的降耗特性簡單可行。