【導(dǎo)讀】在過去十年中，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(xiàn)的第一代設(shè)備是配件市場中的個人導(dǎo)航設(shè)備(PND)，它以大眾化的價位實現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎提示導(dǎo)航功能。發(fā)展第二階段的標(biāo)志是智能手機的出現(xiàn)。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(xiàn)精確的定位和轉(zhuǎn)彎提示導(dǎo)航應(yīng)用。具有GPS功能的智能手機不僅將轉(zhuǎn)彎提示導(dǎo)航應(yīng)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(yīng)用提供定位能力，從當(dāng)?shù)夭宛^位置到“生動的”星座圖，甚至增強現(xiàn)實。除了智能手機外，在其它消費產(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。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展。
智能手機的出現(xiàn)還導(dǎo)致發(fā)生了消費者不能立即覺察到的變化。在調(diào)查組成現(xiàn)代手機和智能手機的元器件后會發(fā)現(xiàn)兩大明顯的主要趨勢。第一個趨勢是將多個功能合并進(jìn)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(lán)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(shù)的發(fā)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(dāng)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(shù)據(jù)，并直接向應(yīng)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(guān)的參數(shù)。這類測量經(jīng)常被稱為“慣性測量”。在GPS和無線電導(dǎo)航領(lǐng)域中慣性測量(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)常用于在無線電導(dǎo)航很難或不可能完成的環(huán)境中改善無線電導(dǎo)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(nèi)。
將GPS和運動傳感器功能組合在一起可以改善用戶體驗
圖1：將GPS和運動傳感器功能組合在一起可以改善用戶體驗。
了解兩種定位方法之間的區(qū)別很重要。GPS或無線電導(dǎo)航通過測量距多個已知發(fā)射器的距離(或延時)來實現(xiàn)對移動接收機位置的三角測量。因此，GPS接收機每次執(zhí)行測量后都會直接計算移動接收機的位置。無線電導(dǎo)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(dá)到數(shù)十米，因此接收機通常要使用動態(tài)估計算法(如卡爾曼濾波器)將誤差減小到可接受的水平。
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另一方面，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量的是平臺的物理參數(shù)，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(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)可以計算出用戶的位置和方位。使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，測量誤差通常要小于無線電導(dǎo)航接收機中直接定位技術(shù)產(chǎn)生的誤差。然而，由于接收機要積分處理測量數(shù)據(jù)，誤差會累積，如果長時間積分處理會導(dǎo)致位置“漂移”。因此很明顯，當(dāng)組合使用GPS和INS系統(tǒng)時兩者可以互補。
在典型的組合式系統(tǒng)中，GPS接收機計算初始位置，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接收機周期性地校準(zhǔn)位置。自然有最優(yōu)化的方式實現(xiàn)這種組合，通常是使用擴展卡爾曼濾波器來實現(xiàn)。
目前大多數(shù)GPS/INS實現(xiàn)使用的傳感器都與移動平臺結(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上的慣性傳感器就是一個很好的例子。當(dāng)INS單元與移動平臺沒有結(jié)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(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，隨著對口袋移動定位應(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(xiàn)無限制的GPS/INS導(dǎo)航。最近不少研究結(jié)果表明，無限制的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、以及對移動平臺上同時實現(xiàn)GPS定位和MEMS傳感器的要求，發(fā)展的下一步是開發(fā)出同時包含GPS技術(shù)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(xiàn)更高的集成度，而是體驗更好的導(dǎo)航性能，在室內(nèi)或人口密集的市中心等GPS挑戰(zhàn)環(huán)境中第一次實現(xiàn)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(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。現(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組合芯片的移動消費設(shè)備(移動手機、照相機等)中實現(xiàn)定位和導(dǎo)航的第一步。這種技術(shù)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(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，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(shè)備越來越多使用的室內(nèi)(大型購物中心、公共建筑物等)，你卻經(jīng)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(shù)據(jù)在這些缺少GPS信號的環(huán)境中實現(xiàn)高質(zhì)量的動態(tài)導(dǎo)航，消費者幾乎在任何地方都可以享受便攜GPS增強應(yīng)用的無縫工作，特別是在他們最需要的時候。
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