利用GPS和MEMS传感器组合芯片实现下一代定位与导航系统

在过去十年中，GPS定位已经从主要由专业人员使用的专用高端技术转变为消费者日常使用的一种技术。这种转变是具有GPS功能的两代器件在大众化设备中普及GPS定位功能的结果。本文将讨论下一个令人兴奋的GPS发展阶段，它能解决用户经常在最需要的时候无法获得GPS定位信息的问题。

在过去十年中的早些时候，出现的第一代设备是配件市场中的个人导航设备(PND)，它以大众化的价位实现了转弯提示导航功能。发展第二阶段的标志是智能手机的出现。今天的智能手机可以提供各种定位功能，并且主要依赖GPS功能实现精确的定位和转弯提示导航应用。具有GPS功能的智能手机不仅将转弯提示导航应用扩展到了行人、骑车者和司机，而且能够向任何智能手机应用提供定位能力，从当地餐馆位置到“生动的”星座图，甚至增强现实。除了智能手机外，在其它消费产品中也出现了低成本定位技术，比如可以给照片增加地理标签的照相机。但如果室内、城市中心或树荫环境中的GPS性能局限能够克服的话，这种应用的影响和范围还可以得到极大的扩展。

智能手机的出现还导致发生了消费者不能立即觉察到的变化。在调查组成现代手机和智能手机的元器件后会发现两大明显的主要趋势。第一个趋势是将多个功能合并进单个集成电路(IC)后的芯片的普及。通常我们称之为“组合芯片”，目前市场上有许多组合，包括WiFi、蓝牙和GPS；另外一个趋势是基于MEMS的传感器的广泛使用。在过去几年中，MEMS技术的发展使得在手机平台中集成多个低成本的MEMS传感器成为可能。例如，目前许多智能手机都包含三种运动传感器——MEMS加速度计、电子罗盘和MEMS陀螺仪，当这些传感器一起使用时，可以提供手机的线性和角度位置、速度和加速度的精确跟踪。目前为止MEMS传感器基本上还是独立的芯片，每个芯片完成单一功能，但未来趋势是将运动传感器合并和集成为单个封装，再加入足够的处理能力，就可以智能地整合来自各个独立传感器的数据，并直接向应用提供有意义的运动矢量。

MEMS传感器的使用使得移动手机平台第一次能够测量与平台位置以及实际移动有关的参数。这类测量经常被称为“惯性测量”。在GPS和无线电导航领域中惯性测量(或INS—惯性导航系统)的使用是出了名而且成熟的。惯性导航经常用于在无线电导航很难或不可能完成的环境中改善无线电导航性能或作为补充。GPS接收机也会遇到这种情况，比如在人口密集的市中心、地下或室内。

图1：将GPS和运动传感器功能组合在一起可以改善用户体验。

了解两种定位方法之间的区别很重要。GPS或无线电导航通过测量距多个已知发射器的距离(或延时)来实现对移动接收机位置的三角测量。因此，GPS接收机每次执行测量后都会直接计算移动接收机的位置。无线电导航接收机中的这种直接位置测量方法的缺点是单次测量的误差会很大，有时甚至达到数十米，因此接收机通常要使用动态估计算法(如卡尔曼滤波器)将误差减小到可接受的水平。

另一方面，惯性导航系统测量的是平台的物理参数，如线性加速度(加速度计)、角加速度(陀螺仪)和绝对方位(3D罗盘)。通过对加速数据的积分处理，在初始位置已知的条件下，导航系统可以计算出用户的位置和方位。使用惯性导航系统的优势在于，测量误差通常要小于无线电导航接收机中直接定位技术产生的误差。然而，由于接收机要积分处理测量数据，误差会累积，如果长时间积分处理会导致位置“漂移”。因此很明显，当组合使用GPS和INS系统时两者可以互补。