【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(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(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“生動的”星座圖，甚至增強(qiáng)現(xiàn)實。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(jī)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(jī)都包含三種運(yùn)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(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立的芯片，每個芯片完成單一功能，但未來趨勢是將運(yùn)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(yùn)動矢量。
MEMS傳感器的使用使得移動手機(jī)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(bǔ)充。GPS接收機(jī)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(yùn)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(yùn)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(jī)位置的三角測量。因此，GPS接收機(jī)每次執(zhí)行測量后都會直接計算移動接收機(jī)的位置。無線電導(dǎo)航接收機(jī)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(jī)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(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(bǔ)。
在典型的組合式系統(tǒng)中，GPS接收機(jī)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(jī)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(kuò)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(jī)，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?；谶@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(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。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(fèi)設(shè)備(移動手機(jī)、照相機(jī)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(qiáng)型GPS以及來自MEMS傳感器的INS運(yùn)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(fèi)者幾乎在任何地方都可以享受便攜GPS增強(qiáng)應(yīng)用的無縫工作，特別是在他們最需要的時候。
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