車載GPS系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

　　信息、通訊和娛樂(lè)是電子技術(shù)發(fā)展最快的三大領(lǐng)域；汽車電子是目前十分具有發(fā)展前景的新興市場(chǎng)，因此二者的結(jié)合必然能帶來(lái)更大的利潤(rùn)空間。汽車電子領(lǐng)域發(fā)展迅速的資通娛樂(lè)系統(tǒng)即結(jié)合了信息、通訊和娛樂(lè)三大領(lǐng)域最前沿的應(yīng)用，已成為車體、傳動(dòng)及安全三大傳統(tǒng)系統(tǒng)以外的第四大系統(tǒng)。

　　資通娛樂(lè)系統(tǒng)是新興車載應(yīng)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(chǎng)景的不同，Telematics在產(chǎn)品定位上可以分為可攜式設(shè)備（Portable Device）和車裝式設(shè)備（In-Vehicle）兩種，這兩類設(shè)備又可依據(jù)是否具備對(duì)外的通訊功能，再進(jìn)一步將Telematics的市場(chǎng)分為四大塊。其中車載GPS導(dǎo)航定位在Telematics系統(tǒng)中具有關(guān)鍵性的地位，在車載系統(tǒng)中已逐漸成為必備的裝置，而且不斷發(fā)展出增值性的功能。

　　車載GPS系統(tǒng)除了可為駕駛提供導(dǎo)航信息等基本功能外，還在開(kāi)發(fā)新的服務(wù)內(nèi)容。GPS與無(wú)線通訊技術(shù)（如GPRS/3G）結(jié)合便能為Telematics的服務(wù)供應(yīng)商提供定位信息，當(dāng)車輛遇到困難需要援助時(shí)，服務(wù)中心收到車輛的位置信息即可為車主提供道路救援；出租車或公交車、游覽車也可運(yùn)用GPS來(lái)發(fā)揮車隊(duì)追蹤及管控的功能；此外，車輛丟失后也可通過(guò)此功能減少損失。將GPS應(yīng)用于緊急救援的成功案例有美國(guó)的e911和歐盟的eCall計(jì)劃。

　　美國(guó)的e911計(jì)劃屬于個(gè)人性的緊急救難策略，它要求手機(jī)中必須具備定位功能，以做為緊急狀況通報(bào)之用。歐盟也提出了與汽車駕駛緊急救難相關(guān)的eCall計(jì)劃，該計(jì)劃為汽車配備具有eCall功能的車載設(shè)備，該配備將結(jié)合碰撞偵測(cè)、GPS和移動(dòng)通訊三大功能，在第一時(shí)間自動(dòng)向歐洲統(tǒng)一的緊急電話號(hào)碼112進(jìn)行通報(bào)，除了車輛地理位置之外，eCall還設(shè)定可傳送數(shù)據(jù)，以語(yǔ)音和信息雙重方式讓112接線人員來(lái)判斷合適的救援方式。預(yù)定2009年9月以后，歐盟全部的新車都要具有eCall的功能。

　　GPS系統(tǒng)架構(gòu)及分析

　　GPS定位系統(tǒng)的工作方式是利用衛(wèi)星基本三角定位原理。GPS接收裝置先找到三顆以上衛(wèi)星的所在位置，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坐標(biāo)值。GPS系統(tǒng)的二十多顆衛(wèi)星會(huì)傳送L1及L2兩種頻率分別為1575.42MHz及1227.60MHz的信號(hào)。一般民用的GPS接收機(jī)只需接收L1，即1575.42MHz頻率的信號(hào)。

　　客戶接收端的GPS裝置會(huì)接收來(lái)自導(dǎo)航衛(wèi)星的定位訊號(hào)，是一種單向的GPS信號(hào)接收器。首先，GPS天線會(huì)首先接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，再經(jīng)由RF射頻前端將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)為中、低頻數(shù)字信號(hào)傳送到GPS基帶模塊。基帶的核心技術(shù)在于相關(guān)器（Correlator）的設(shè)計(jì)。相關(guān)器主要來(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。相關(guān)器的通道越多意味著越能更快速找到衛(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甚至32個(gè)通道的相關(guān)器。

                                 圖一　GPS接收器硬件結(jié)構(gòu)

　　GPS接收端的控制功能由微處理器或微控制器實(shí)現(xiàn)。處理器可以是獨(dú)立的單元，也可以和基帶集成。目前低端GPS接收器產(chǎn)品通常采用ARM7做為核心；高端產(chǎn)品一般為ARM9。此外，這類組件也會(huì)具備微處理器支持功能，例如UART和實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）等。

　　廣播星歷數(shù)據(jù)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的位置；也可以通過(guò)無(wú)線通訊接口發(fā)出位置信息，讓遠(yuǎn)程的服務(wù)器能進(jìn)一步提供相關(guān)位置服務(wù)。NMEA 0183是GPS慣用的一種標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，它采用簡(jiǎn)化ASCII的序列通訊協(xié)議來(lái)定義數(shù)據(jù)傳送的格式。

　　美國(guó)的WAAS或歐洲的EGNOS系統(tǒng)時(shí)均采用差分定位（DGPS）的輔助定位模式，當(dāng)GPS采用該模式時(shí)，則需輸出RTCM或NTRIP 1.0的協(xié)議格式。

　　此外，由于不同的接收機(jī)所提供的原始數(shù)據(jù)格式通常會(huì)不同，必須建立GPS通用數(shù)據(jù)交換格式來(lái)針對(duì)不同型號(hào)接收機(jī)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理。目前業(yè)界普遍采用的格式為RINEX。

　　GPS硬件架構(gòu)的選擇

　　車載GPS的硬件系統(tǒng)主要由天線、RF、基帶、處理器，以及內(nèi)存、總線接口等模塊構(gòu)成。在系統(tǒng)構(gòu)架上，這些模塊可以采用集成或獨(dú)立式。前者將多個(gè)單元整合為一顆系統(tǒng)單芯片（SoC）、單封裝（SiP）或模塊，以降低設(shè)計(jì)的難度及成本；后者采用各自獨(dú)立的架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的高靈活性。當(dāng)系統(tǒng)工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須在性能、成本與靈活性三方面間進(jìn)行權(quán)衡。

　　準(zhǔn)確性（Position accuracy）、靈敏度（Sensitivity）、第一次定位時(shí)間（Time to First Fix, TTFF）及通道數(shù)量（Channel Number）是GPS接收器的性能方面的重要指標(biāo)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)這四個(gè)方面的要求必然會(huì)在處理器性能、相關(guān)器信道數(shù)量、內(nèi)存容量及接口速度等提出極高的要求，大幅提高產(chǎn)品成本。因此，明智的做法是在四者之間做出取舍，以迎合市場(chǎng)對(duì)性能和價(jià)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(gòu)中的射頻及基帶整合在一起，這樣開(kāi)發(fā)人員就能節(jié)省下調(diào)校所需精力和時(shí)間，使產(chǎn)品上市速度加快。STA2056在基帶部分采用ARM7 TDMI為核心，頻率高達(dá)66MHz；射頻部分為主動(dòng)天線系統(tǒng)，也包含與被動(dòng)天線連接的接口。除了具有低功耗的優(yōu)勢(shì)外，STA2056內(nèi)建ROM及SRAM內(nèi)存，因此只需要用到少數(shù)的外部組件。STA2056采用小型的QFN-68封裝，能有效降低總體物料（BOM）成本和產(chǎn)品尺寸，使相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為低價(jià)和輕薄短小。

         圖二　高性價(jià)比的GPS接收器架構(gòu)（以STA2056為例）

　　如果把射頻及基帶分離，設(shè)計(jì)的難度會(huì)增大，但靈活性也會(huì)提高?；鶐K還可嵌入Flash內(nèi)存并支持較豐富的總線接口。ST的STA2058即采用這種架構(gòu)，非常適用于車輛應(yīng)用。其整合了32位MCU（ARM7TDMI）和嵌入式閃存模塊，支持RTCA-SC159／WAAS／EGNOS等GPS系統(tǒng)。STA2058EX還廣泛支持CAN、SPI、UART、I2C、USB等接口，擁有外接內(nèi)存接口，可以用作遠(yuǎn)程信息處理服務(wù)平臺(tái)，允許免黏結(jié)邏輯（Glueless）而與外部裝置（如：GSM/GPRS模塊、芯片卡、音頻功能DSP）相連。

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

　　功耗和噪聲是常遇到的兩個(gè)難題。對(duì)于GPS接收器來(lái)說(shuō)，功耗的降低和噪聲、干擾的抑制即成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵。

　　噪聲產(chǎn)生主要由從高頻轉(zhuǎn)低頻的過(guò)程中產(chǎn)生，因此噪聲抑制機(jī)制必須實(shí)施在此環(huán)節(jié)。例如可通過(guò)在射頻前端與相關(guān)器之間配置適當(dāng)?shù)碾娮杵鱽?lái)將SAMP CLK的信號(hào)諧波降到最小，以避免其混雜在中頻（IF）鏈路當(dāng)中，來(lái)達(dá)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(jìn)行妥善的規(guī)劃，因?yàn)檫@些因素也會(huì)影響干擾的狀況。

　　功耗的主要來(lái)源是相關(guān)器的運(yùn)作，因此降低功耗需要能分別控制每個(gè)相關(guān)器通道；即當(dāng)不需要啟動(dòng)所有信道的時(shí)候，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整，僅啟動(dòng)所需的相關(guān)器通道。此外，使用備用電池能將電源電壓降低，也有助于節(jié)省功耗。

　　GPS天線的技術(shù)要求

　　GPS系統(tǒng)的性能與天線密切相關(guān)。衛(wèi)星信號(hào)的背景噪聲一般為-136dBW，為避免干擾，國(guó)際電信法規(guī)規(guī)定衛(wèi)星傳送之信號(hào)不得大于-154dBW。如此微弱的GPS信號(hào)要求天線必須具有相當(dāng)高的靈敏度。

　　GPS天線的靈敏度會(huì)受到其形狀的極大影響。由于GPS的訊號(hào)屬于圓極化波，所以GPS接收天線也必須采圓極化的工作方式?？捎糜贕PS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(yīng)用最多。

                                       圖四　GPS天線類型

　　平板天線的成本較低，耐用性較強(qiáng)而且制作相對(duì)容易，但方向性是其明顯的缺點(diǎn)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(yīng)用上會(huì)受到極大限制。除此之外，平板天線的精度也不十分穩(wěn)定，其雖然能順利接收到正上方的衛(wèi)星訊號(hào)，但若不能獲取到低角度的衛(wèi)星信息，誤差也會(huì)相對(duì)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(wèi)星信號(hào)，這是與平板天線相比的優(yōu)勢(shì)所在。此外，Balun電路設(shè)計(jì)是一種更好的做法，其優(yōu)點(diǎn)是可有效隔離天線周圍的噪音，并容許各種功能的天線并存于極小的空間中而不會(huì)互相干擾，這對(duì)于對(duì)尺寸要求很高的手持設(shè)備天線設(shè)計(jì)十分適合；然而Helix天線與平板天線相比成本較高，是其缺點(diǎn)之一。

　　前瞻性技術(shù)1：DR方位推算

　　DR即方位推算（Dead Reckoning）技術(shù)，主要用于GPS接收衛(wèi)星信號(hào)有困難的場(chǎng)合。GPS系統(tǒng)需要接收衛(wèi)星信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航功能，而在信號(hào)不好或信號(hào)屏蔽較大的環(huán)境中，例如底下室、山洞、隧道、高樓林立的街巷等， GPS系統(tǒng)可能完全無(wú)法接受到信號(hào)。此時(shí)就需要DR的幫助。

　　DR技術(shù)可做為GPS的補(bǔ)充性暫時(shí)導(dǎo)航工具，其原理是通過(guò)測(cè)量與計(jì)算距離與方向等影響位移的物理量來(lái)推算出車輛的相對(duì)位置改變。一般線性距離通過(guò)里程表（Odometer）或加速度傳感器（Accelerometer）來(lái)進(jìn)行量測(cè)；高度的變化需要?dú)鈮河?jì)（ Barometer）等裝置；而磁羅盤（Compass）、陀螺儀（Gyrometer）或差分里程計(jì)（Differential Odometer）則用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

　　由于DR采用計(jì)算的方式獲得定位信息，因此雖然在在短時(shí)間內(nèi)其正確性相當(dāng)高，甚至可以高于GPS；但較長(zhǎng)時(shí)間后，由于累積誤差的影響，其導(dǎo)航定位精度大幅度下降。這時(shí)重新利用GPS系統(tǒng)來(lái)找出絕對(duì)的位置，才能再次使用DR。DR和GPS是相輔相成的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，而高準(zhǔn)確度的定位不能單純依靠DR。目前受DR傳感器的準(zhǔn)確度、成本，以及與導(dǎo)航系統(tǒng)整合的算法開(kāi)發(fā)等方面的影響，商品化的DR產(chǎn)品仍然不多。

                             圖五　集成里程表與陀螺儀的GPS模塊

　　里程表（Odometer）是車輛的基本配置，現(xiàn)代汽車電子技術(shù)可通過(guò)CAN總線來(lái)把里程表與GPS接收器相連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)輔助定位，但里程表的準(zhǔn)確性會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的使用而降低。
GPS與先進(jìn)的MEMS技術(shù)的結(jié)合可克服精度差的缺點(diǎn)。加速度傳感器和陀螺儀基于MEMS技術(shù)，具有很小的尺寸，十分容易集成至GPS系統(tǒng)。但要提升DR系統(tǒng)的精度，要時(shí)常進(jìn)行在線傳感器的校準(zhǔn)，這時(shí)就需要GPS的定位訊號(hào)來(lái)修正DR傳感器的參數(shù)項(xiàng)目；另外，MEMS雖然可實(shí)現(xiàn)高精度，但由于其造價(jià)較高，由此造成的成本上升也不可避免。

　　前瞻性技術(shù)2：伽利略計(jì)劃

　　GPS目前已被大家熟知并被廣泛應(yīng)用，但可能有人并不知道其實(shí)際是美國(guó)軍方所搭建的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。世界其他國(guó)家處于商業(yè)和國(guó)家安全等因素的考慮，也在紛紛籌建類似的導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　伽利略（Galileo）計(jì)劃由歐盟主導(dǎo)，其運(yùn)營(yíng)單位屬于民營(yíng)組織，主要技術(shù)來(lái)自歐洲太空總署（ESA）。由于該計(jì)劃由民營(yíng)機(jī)構(gòu)經(jīng)營(yíng)，市場(chǎng)和盈利是其最大的考慮，因此伽利略計(jì)劃共規(guī)劃了三個(gè)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(fèi)服務(wù)。

　　伽利略共提供四種服務(wù)等級(jí)，即開(kāi)放性服務(wù)（OS）、生命安全服務(wù)（SoL）、商業(yè)服務(wù)（CS）和公用法規(guī)服務(wù)（PRS），其中SoL和CS是要付費(fèi)的，免費(fèi)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(jìn)行接收。伽利略采用特殊的調(diào)變技術(shù)以減少多重路徑的干擾，和提高商用上的精度，其在水平和垂直方向分別可達(dá)到4米和8米的精確度。

　　伽利略與GPS及GNSS等系統(tǒng)具有互操作性，一個(gè)整合GPS和伽利略兩大系統(tǒng)的雙工模式接收機(jī)的精確度比上文提到數(shù)值還能再提升一級(jí)，即水平方向可達(dá)3~4米，垂直方向?yàn)?~8米。

　　伽利略計(jì)劃共需要發(fā)射30顆衛(wèi)星，讓任何地點(diǎn)都能看到4顆以上的衛(wèi)星；不過(guò)伽利略的衛(wèi)星軌道與赤道面的傾角較大，達(dá)到56度，因此對(duì)北歐等高緯度地區(qū)能提供更完善的服務(wù)。伽利略計(jì)劃的第一顆衛(wèi)星（GIOVE-A）已于2005年底成功發(fā)射升空，預(yù)計(jì)2008年將正式開(kāi)放商業(yè)使用。

表一　GPS與伽利略的規(guī)格差異

　　結(jié)論

　　車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)目前十分具有市場(chǎng)前景，但在未來(lái)的服務(wù)與技術(shù)的融合中，也面臨許多挑戰(zhàn)。GPS與通訊系統(tǒng)更緊密的結(jié)合是未來(lái)的趨勢(shì)之一。整合之后的系統(tǒng)可提供交通情況、旅游景點(diǎn)信息等LBS服務(wù)。引入DR功能后，系統(tǒng)將可實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷定位導(dǎo)航。此外，由于伽利略計(jì)劃的實(shí)施，預(yù)計(jì)在下一代導(dǎo)航系統(tǒng)中，其將與GPS結(jié)合形成雙模。

　　服務(wù)的整合給導(dǎo)航系統(tǒng)帶來(lái)了商機(jī)，但也是其未來(lái)的挑戰(zhàn)所在，尤其是GPS與GPRS/3G或網(wǎng)絡(luò)等相連時(shí)對(duì)多模的支持。