車載GPS系統分析與設計

　　信息、通訊和娛樂是電子技術發展最快的三大領域；汽車電子是目前十分具有發展前景的新興市場，因此二者的結合必然能帶來更大的利潤空間。汽車電子領域發展迅速的資通娛樂系統即結合了信息、通訊和娛樂三大領域最前沿的應用，已成為車體、傳動及安全三大傳統系統以外的第四大系統。

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　　資通娛樂系統是新興車載應用；其被稱為Telematics，含義即集合了通訊（Telecommunication）和信息（Information）兩方面的功能。按使用場景的不同，Telematics在產品定位上可以分為可攜式設備（Portable Device）和車裝式設備（In-Vehicle）兩種，這兩類設備又可依據是否具備對外的通訊功能，再進一步將Telematics的市場分為四大塊。其中車載GPS導航定位在Telematics系統中具有關鍵性的地位，在車載系統中已逐漸成為必備的裝置，而且不斷發展出增值性的功能。

　　車載GPS系統除了可為駕駛提供導航信息等基本功能外，還在開發新的服務內容。GPS與無線通訊技術（如GPRS/3G）結合便能為Telematics的服務供應商提供定位信息，當車輛遇到困難需要援助時，服務中心收到車輛的位置信息即可為車主提供道路救援；計程車或公交車、遊覽車也可運用GPS來發揮車隊追蹤及管控的功能；此外，車輛丟失後也可通過此功能減少損失。將GPS應用於緊急救援的成功案例有美國的e911和歐盟的eCall計劃。

　　美國的e911計劃屬於個人性的緊急救難策略，它要求手機中必須具備定位功能，以做為緊急狀況通報之用。歐盟也提出了與汽車駕駛緊急救難相關的eCall計劃，該計劃為汽車配備具有eCall功能的車載設備，該配備將結合碰撞偵測、GPS和移動通訊三大功能，在第一時間自動向歐洲統一的緊急電話號碼112進行通報，除了車輛地理位置之外，eCall還設定可傳送數據，以語音和信息雙重方式讓112接線人員來判斷合適的救援方式。預定2009年9月以後，歐盟全部的新車都要具有eCall的功能。

　　GPS系統架構及分析

　　GPS定位系統的工作方式是利用衛星基本三角定位原理。GPS接收裝置先找到三顆以上衛星的所在位置，再計算每顆衛星與接收器之間的距離，就能得出接收器在三維空間中的坐標值。GPS系統的二十多顆衛星會傳送L1及L2兩種頻率分別為1575.42MHz及1227.60MHz的信號。一般民用的GPS接收機只需接收L1，即1575.42MHz頻率的信號。

　　客戶接收端的GPS裝置會接收來自導航衛星的定位訊號，是一種單向的GPS信號接收器。首先，GPS天線會首先接收GPS衛星信號，再經由RF射頻前端將高頻信號轉為中、低頻數位訊號傳送到GPS基帶模塊。基帶的核心技術在於相關器（Correlator）的設計。相關器主要來比對找出正確的衛星編號，進而比照取得多顆衛星的萬年曆（Almanac）和廣播星曆（BroADCast Ephemeris）等資料。相關器的通道越多意味著越能更快速找到衛星的位置，目前一般GPS接收器都至少提供12個通道的相關器，更高階的接收器則具有16甚至32個通道的相關器。

       

                                 圖一　GPS接收器硬體結構

　　GPS接收端的控制功能由微處理器或微控制器實現。處理器可以是獨立的單元，也可以和基帶集成。目前低端GPS接收器產品通常採用ARM7做為核心；高端產品一般為ARM9。此外，這類組件也會具備微處理器支持功能，例如UART和實時時鐘（RTC）等。

　　廣播星曆數據會以NMEA 0183或RTCM等格式輸出到主處理器，進一步與GIS地圖引擎整合以顯示所在街道的位置；也可以通過無線通訊接口發出位置信息，讓遠程的伺服器能進一步提供相關位置服務。NMEA 0183是GPS慣用的一種標準通訊協議，它採用簡化ASCII的序列通訊協議來定義數據傳送的格式。

　　美國的WAAS或歐洲的EGNOS系統時均採用差分定位（DGPS）的輔助定位模式，當GPS採用該模式時，則需輸出RTCM或NTRIP 1.0的協議格式。

　　此外，由於不同的接收機所提供的原始數據格式通常會不同，必須建立GPS通用數據交換格式來針對不同型號接收機收集的數據進行統一處理。目前業界普遍採用的格式為RINEX。

　　GPS硬體架構的選擇

　　車載GPS的硬體系統主要由天線、RF、基帶、處理器，以及內存、總線接口等模塊構成。在系統構架上，這些模塊可以採用集成或獨立式。前者將多個單元整合為一顆系統單晶片（SoC）、單封裝（SiP）或模塊，以降低設計的難度及成本；後者採用各自獨立的架構來實現設計上的高靈活性。當系統工程師在進行設計時，必須在性能、成本與靈活性三方面間進行權衡。

　　準確性（Position accuracy）、靈敏度（Sensitivity）、第一次定位時間（Time to First Fix, TTFF）及通道數量（Channel Number）是GPS接收器的性能方面的重要指標。同時實現這四個方面的要求必然會在處理器性能、相關器信道數量、內存容量及接口速度等提出極高的要求，大幅提高產品成本。因此，明智的做法是在四者之間做出取捨，以迎合市場對性能和價格的多方面要求。

　　ST的STA2056以高集成度的方案提供極佳的成本效益。STA2056將GPS接收器架構中的射頻及基帶整合在一起，這樣開發人員就能節省下調校所需精力和時間，使產品上市速度加快。STA2056在基帶部分採用ARM7 TDMI為核心，頻率高達66MHz；射頻部分為主動天線系統，也包含與被動天線連接的接口。除了具有低功耗的優勢外，STA2056內建ROM及SRAM內存，因此只需要用到少數的外部組件。STA2056採用小型的QFN-68封裝，能有效降低總體物料（BOM）成本和產品尺寸，使相關產品設計更為低價和輕薄短小。

                     

         圖二　高性價比的GPS接收器架構（以STA2056為例）

　　如果把射頻及基帶分離，設計的難度會增大，但靈活性也會提高。基帶模塊還可嵌入Flash內存並支持較豐富的總線接口。ST的STA2058即採用這種架構，非常適用於車輛應用。其整合了32位MCU（ARM7TDMI）和嵌入式快閃記憶體模塊，支持RTCA-SC159／WAAS／EGNOS等GPS系統。STA2058EX還廣泛支持CAN、SPI、UART、I2C、USB等接口，擁有外接內存接口，可以用作遠程信息處理服務平臺，允許免黏結邏輯（Glueless）而與外部裝置（如：GSM/GPRS模塊、晶片卡、音頻功能DSP）相連。

       

             圖三　高靈活性的分立式GPS接收器架構（以STA2058為例）

　　功耗和噪聲是常遇到的兩個難題。對於GPS接收器來說，功耗的降低和噪聲、幹擾的抑制即成為系統設計中關鍵。

　　噪聲產生主要由從高頻轉低頻的過程中產生，因此噪聲抑制機制必須實施在此環節。例如可通過在射頻前端與相關器之間配置適當的電阻器來將SAMP CLK的信號諧波降到最小，以避免其混雜在中頻（IF）鏈路當中，來達成抑制噪音的目的。此外，各單元在電路上的布局和布線也需要進行妥善的規劃，因為這些因素也會影響幹擾的狀況。

　　功耗的主要來源是相關器的運作，因此降低功耗需要能分別控制每個相關器通道；即當不需要啟動所有信道的時候，系統能自動調整，僅啟動所需的相關器通道。此外，使用備用電池能將電源電壓降低，也有助於節省功耗。

　　GPS天線的技術要求

　　GPS系統的性能與天線密切相關。衛星信號的背景噪聲一般為-136dBW，為避免幹擾，國際電信法規規定衛星傳送之信號不得大於-154dBW。如此微弱的GPS信號要求天線必須具有相當高的靈敏度。

　　GPS天線的靈敏度會受到其形狀的極大影響。由於GPS的訊號屬於圓極化波，所以GPS接收天線也必須採圓極化的工作方式。可用於GPS的天線種類包括片狀（Patch）、螺旋式（Helix/Spiral）和平面倒F型天線(PIFA)等，其中Patch及Helix型應用最多。

       

                                       圖四　GPS天線類型

　　平板天線的成本較低，耐用性較強而且製作相對容易，但方向性是其明顯的缺點之一。方向性使平板天線要面向天空才能得到較好的接收效果，因此在要應用上會受到極大限制。除此之外，平板天線的精度也不十分穩定，其雖然能順利接收到正上方的衛星訊號，但若不能獲取到低角度的衛星信息，誤差也會相對較高。

　　四臂螺旋天線（Quadrifilar Helix Antenna）擁有360度的全線方向接收能力，使天線在任何方向都有3dB的增益，能讓GPS接收器能以各種角度擺放，而且能接收到很低角度的衛星信號，這是與平板天線相比的優勢所在。此外，Balun電路設計是一種更好的做法，其優點是可有效隔離天線周圍的噪音，並容許各種功能的天線並存於極小的空間中而不會互相干擾，這對於對尺寸要求很高的手持設備天線設計十分適合；然而Helix天線與平板天線相比成本較高，是其缺點之一。

　　前瞻性技術1：DR方位推算

　　DR即方位推算（Dead Reckoning）技術，主要用於GPS接收衛星信號有困難的場合。GPS系統需要接收衛星信號來實現定位和導航功能，而在信號不好或信號屏蔽較大的環境中，例如底下室、山洞、隧道、高樓林立的街巷等， GPS系統可能完全無法接受到信號。此時就需要DR的幫助。

　　DR技術可做為GPS的補充性暫時導航工具，其原理是通過測量與計算距離與方向等影響位移的物理量來推算出車輛的相對位置改變。一般線性距離通過裡程表（Odometer）或加速度傳感器（Accelerometer）來進行量測；高度的變化需要氣壓計（ Barometer）等裝置；而磁羅盤（Compass）、陀螺儀（Gyrometer）或差分裡程計（Differential Odometer）則用來測量轉動角度。

　　由於DR採用計算的方式獲得定位信息，因此雖然在在短時間內其正確性相當高，甚至可以高於GPS；但較長時間後，由於累積誤差的影響，其導航定位精度大幅度下降。這時重新利用GPS系統來找出絕對的位置，才能再次使用DR。DR和GPS是相輔相成的車載導航系統，而高準確度的定位不能單純依靠DR。目前受DR傳感器的準確度、成本，以及與導航系統整合的算法開發等方面的影響，商品化的DR產品仍然不多。

         

                             圖五　集成裡程表與陀螺儀的GPS模塊

　　裡程表（Odometer）是車輛的基本配置，現代汽車電子技術可通過CAN總線來把裡程表與GPS接收器相連接，來實現輔助定位，但裡程表的準確性會因為長時間的使用而降低。
GPS與先進的MEMS技術的結合可克服精度差的缺點。加速度傳感器和陀螺儀基於MEMS技術，具有很小的尺寸，十分容易集成至GPS系統。但要提升DR系統的精度，要時常進行在線傳感器的校準，這時就需要GPS的定位訊號來修正DR傳感器的參數項目；另外，MEMS雖然可實現高精度，但由於其造價較高，由此造成的成本上升也不可避免。

　　前瞻性技術2：伽利略計劃

　　GPS目前已被大家熟知並被廣泛應用，但可能有人並不知道其實際是美國軍方所搭建的全球衛星導航系統。世界其他國家處於商業和國家安全等因素的考慮，也在紛紛籌建類似的導航系統。

　　伽利略（Galileo）計劃由歐盟主導，其運營單位屬於民營組織，主要技術來自歐洲太空總署（ESA）。由於該計劃由民營機構經營，市場和盈利是其最大的考慮，因此伽利略計劃共規劃了三個不同的頻：Lower L-band的E5a和E5b，Middle L-band的E6和Upper L-band的E2-L1-E1，以提供差異化的收費服務。

　　伽利略共提供四種服務等級，即開放性服務（OS）、生命安全服務（SoL）、商業服務（CS）和公用法規服務（PRS），其中SoL和CS是要付費的，免費的民用工作頻率在1560 – 1591MHz之間，可與GPS的1575.42 MHz使用相同的天線進行接收。伽利略採用特殊的調變技術以減少多重路徑的幹擾，和提高商用上的精度，其在水平和垂直方向分別可達到4米和8米的精確度。

　　伽利略與GPS及GNSS等系統具有互操作性，一個整合GPS和伽利略兩大系統的雙工模式接收機的精確度比上文提到數值還能再提升一級，即水平方向可達3~4米，垂直方向為6~8米。

　　伽利略計劃共需要發射30顆衛星，讓任何地點都能看到4顆以上的衛星；不過伽利略的衛星軌道與赤道面的傾角較大，達到56度，因此對北歐等高緯度地區能提供更完善的服務。伽利略計劃的第一顆衛星（GIOVE-A）已於2005年底成功發射升空，預計2008年將正式開放商業使用。

表一　GPS與伽利略的規格差異

       

　　結論

　　車載GPS導航系統目前十分具有市場前景，但在未來的服務與技術的融合中，也面臨許多挑戰。GPS與通訊系統更緊密的結合是未來的趨勢之一。整合之後的系統可提供交通情況、旅遊景點信息等LBS服務。引入DR功能後，系統將可實現無間斷定位導航。此外，由於伽利略計劃的實施，預計在下一代導航系統中，其將與GPS結合形成雙模。

　　服務的整合給導航系統帶來了商機，但也是其未來的挑戰所在，尤其是GPS與GPRS/3G或網絡等相連時對多模的支持。