車(chē)載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GPS擔(dān)綱Telematics主角
在車(chē)載系統(tǒng)中，除了行車(chē)操控息息相關(guān)的車(chē)體、傳動(dòng)及安全系統(tǒng)開(kāi)始導(dǎo)入更多電子功能外，最充分利用電子技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)是資通娛樂(lè)系統(tǒng)。這個(gè)結(jié)合資訊、通訊和娛樂(lè)的車(chē)載應(yīng)用系統(tǒng)，正是電子技術(shù)進(jìn)展最快速的三大領(lǐng)域，當(dāng)它們被轉(zhuǎn)移到汽車(chē)的市場(chǎng)時(shí)，也發(fā)展出獨(dú)到的應(yīng)用型式與技術(shù)。

在這個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)的新名詞為T(mén)elematics，它是是通訊（Telecommunication）和資訊（Information）的合成字，顧名思義，它意指整合通訊與資訊的新興車(chē)載應(yīng)用。在產(chǎn)品定位上，可以分為可攜式設(shè)備（Portable Device）和車(chē)裝式設(shè)備（In-vehicle）兩種，這兩類(lèi)設(shè)備又可依是否具備對(duì)外的通訊功能，再將Telematics的市場(chǎng)區(qū)隔分為四大塊，請(qǐng)參考（圖一）。

GPS導(dǎo)航定位在Telematics中具有關(guān)鍵性的地位，車(chē)載GPS系統(tǒng)除了可為駕駛提供導(dǎo)航資訊外，當(dāng)它與無(wú)線通訊技術(shù)（如GPRS/3G）結(jié)合時(shí)，它能提供定位資訊給Telematics的服務(wù)供應(yīng)商，如裕隆的TOBE、北美GM的OnStar，以及日系的Toyota、Honda、Nissan車(chē)廠。當(dāng)他們的服務(wù)中心收到個(gè)別車(chē)子的位置資訊后，就能夠?yàn)檐?chē)主提供道路救援、失車(chē)找回等服務(wù)。當(dāng)然，計(jì)程車(chē)或公車(chē)、游覽車(chē)也可運(yùn)用GPS來(lái)發(fā)揮車(chē)隊(duì)追蹤及控管的功能。

另一個(gè)與GPS息息相關(guān)的應(yīng)用則與緊急救難有關(guān)。在美國(guó)有一項(xiàng)e911的計(jì)畫(huà)，它要求手機(jī)中必須建置定位功能，以做為緊急狀況通報(bào)之用；e911屬于個(gè)人性的緊急救難策略，相較之下，歐盟則提出汽車(chē)駕駛緊急救難相關(guān)的eCall計(jì)畫(huà)，預(yù)定在2009年9月以后，歐盟全部的新車(chē)都要具有eCall的配備，此配備將結(jié)合碰撞偵測(cè)、GPS和行動(dòng)通訊三大功能，在第一時(shí)間自動(dòng)向泛歐統(tǒng)一的緊急電話號(hào)碼112進(jìn)行通報(bào)，除了車(chē)輛地理位置之外，eCall還設(shè)定可傳送數(shù)據(jù)資料，以語(yǔ)音和資訊雙重管道讓112接線人員來(lái)判定合適的救援方式。

GPS在車(chē)載系統(tǒng)中已逐漸成為必備裝置，而且不斷發(fā)展出加值功能。本文將介紹車(chē)載GPS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)、要領(lǐng)、天線設(shè)計(jì)及其他前瞻性的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

GPS系統(tǒng)架構(gòu)剖析
在用戶(hù)端的GPS裝置是一單向的GPS訊號(hào)接收機(jī)，它會(huì)接收來(lái)自天空中導(dǎo)航衛(wèi)星的定位訊號(hào)，這二十多顆衛(wèi)星會(huì)傳送L1及L2兩種訊號(hào)，使用的頻率分別為1575.42MHz及1227.60MHz，一般民用的GPS接收機(jī)只需接收L1于1575.42MHz的頻率。

GPS定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星基本三角定位原理，由GPS接受裝置先找到三顆以上在天頂上的衛(wèi)星所在位置，再計(jì)算每顆衛(wèi)星與接收器之間的距離，就能得出接收器在三維空間中的座標(biāo)值。

再進(jìn)一步來(lái)看GPS接收器的系統(tǒng)運(yùn)作流程，請(qǐng)參考（圖一）。GPS衛(wèi)星訊號(hào)會(huì)先由GPS天線來(lái)接收，再經(jīng)由RF射頻前端將高頻訊號(hào)轉(zhuǎn)為中、低頻數(shù)位訊號(hào)，再傳送到GPS基頻元件，此元件的核心技術(shù)在于相關(guān)器（correlator）的設(shè)計(jì)，也就是透過(guò)相關(guān)器來(lái)比對(duì)找出正確的衛(wèi)星編號(hào)，進(jìn)而比照取得多顆衛(wèi)星的萬(wàn)年歷（Almanac）和廣播星歷（Broadcast Ephemeris）等資料。愈多通道的相關(guān)器意味著能更快速找到衛(wèi)星的位置，目前一般GPS接收器都至少提供12個(gè)通道的相關(guān)器，更高階的接收器則具有16個(gè)，甚至是32個(gè)通道的相關(guān)器。
　

圖一. GPS接收器硬體架構(gòu)示意圖
　

GPS接收器的控制功能是由微處理器或微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，此一處理核心可以來(lái)自外部，也能嵌入在GPS基頻元件當(dāng)中。目前較初階的GPS接收器產(chǎn)品常用ARM7做為核心，高階的機(jī)種則會(huì)升級(jí)到ARM9核心。此外，這類(lèi)元件也會(huì)具備微處理器支援功能，例如UART和即時(shí)時(shí)鐘（RTC）。

星歷資料會(huì)以NMEA 0183或RTCM等格式輸出到主處理器，進(jìn)一步與GIS地圖引擎整合以顯示所在街道位置，或透過(guò)無(wú)線通訊介面?zhèn)鞒鑫恢觅Y訊，讓遠(yuǎn)端的伺服器能提供進(jìn)一步的位置相關(guān)服務(wù)。NMEA 0183是GPS慣用的一種標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)定，它採(cǎi)用簡(jiǎn)化ASCII的序列通訊協(xié)定來(lái)定義數(shù)據(jù)傳送的格式。