車載GPS系統(tǒng)分析與設(shè)計
發(fā)布日期:: 2011/9/7 作者來源:: 電子工程世界/衛(wèi)通達
信息、通訊和娛樂是電子技術(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，因此二者的結(jié)合必然能帶來更大的利潤空間。
汽車電子領(lǐng)域發(fā)展迅速的資通娛樂系統(tǒng)即結(jié)合了信息、通訊和娛樂三大領(lǐng)域最前沿的應(yīng)用，已成為車體、傳動及安全三大傳統(tǒng)系統(tǒng)以外的第四大系統(tǒng)。
資通娛樂系統(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(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，還在開發(fā)新的服務(wù)內(nèi)容。GPS與無線通訊技術(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，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、游覽車也可運用GPS來發(fā)揮車隊追蹤及管控的功能；此外，車輛丟失后也可通過此功能減少損失。將GPS應(yīng)用于緊急救援的成功案例有美國的e911和歐盟的eCall計劃。
美國的e911計劃屬于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(guān)的eCall計劃，該計劃為汽車配備具有eCall功能的車載設(shè)備，該配備將結(jié)合碰撞偵測、GPS和移動通訊三大功能，在第一時間自動向歐洲統(tǒng)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(shè)定可傳送數(shù)據(jù)，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(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(dǎo)航衛(wèi)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(wèi)星信號，再經(jīng)由RF射頻前端將高頻信號轉(zhuǎn)為中、低頻數(shù)字信號傳送到GPS基帶模塊?；鶐У暮诵募夹g(shù)在于相關(guān)器（Correlator）的設(shè)計。相關(guān)器主要來比對找出正確的衛(wèi)星編號，進而比照取得多顆衛(wèi)星的萬年歷（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個通道的相關(guān)器，更高階的接收器則具有16甚至32個通道的相關(guān)器。
GPS接收端的控制功能由微處理器或微控制器實現(xiàn)。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(chǎn)品通常采用ARM7做為核心；高端產(chǎn)品一般為ARM9。此外，這類組件也會具備微處理器支持功能，例如UART和實時時鐘（RTC）等。
廣播星歷數(shù)據(jù)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(fā)出位置信息，讓遠程的服務(wù)器能進一步提供相關(guān)位置服務(wù)。NMEA 0183是GPS慣用的一種標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，它采用簡化ASCII的序列通訊協(xié)議來定義數(shù)據(jù)傳送的格式。
美國的WAAS或歐洲的EGNOS系統(tǒng)時均采用差分定位（DGPS）的輔助定位模式，當(dāng)GPS采用該模式時，則需輸出RTCM或NTRIP 1.0的協(xié)議格式。
此外，由于不同的接收機所提供的原始數(shù)據(jù)格式通常會不同，必須建立GPS通用數(shù)據(jù)交換格式來針對不同型號接收機收集的數(shù)據(jù)進行統(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立式。前者將多個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)計的難度及成本；后者采用各自獨立的架構(gòu)來實現(xiàn)設(shè)計上的高靈活性。當(dāng)系統(tǒng)工程師在進行設(shè)計時，必須在性能、成本與靈活性三方面間進行權(quán)衡。
準(zhǔn)確性（Position accuracy）、靈敏度（Sensitivity）、第一次定位時間（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)。同時實現(xiàn)這四個方面的要求必然會在處理器性能、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(gòu)中的射頻及基帶整合在一起，這樣開發(fā)人員就能節(jié)省下調(diào)校所需精力和時間，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66MHz；射頻部分為主動天線系統(tǒng)，也包含與被動天線連接的接口。除了具有低功耗的優(yōu)勢外，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)計更為低價和輕薄短小。
如果把射頻及基帶分離，設(shè)計的難度會增大，但靈活性也會提高?；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，可以用作遠程信息處理服務(wù)平臺，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。
功耗和噪聲是常遇到的兩個難題。對于GPS接收器來說，功耗的降低和噪聲、干擾的抑制即成為系統(tǒng)設(shè)計中關(guān)鍵。
噪聲產(chǎn)生主要由從高頻轉(zhuǎn)低頻的過程中產(chǎn)生，因此噪聲抑制機制必須實施在此環(huán)節(jié)。例如可通過在射頻前端與相關(guān)器之間配置適當(dāng)?shù)碾娮杵鱽韺AMP CLK的信號諧波降到最小，以避免其混雜在中頻（IF）鏈路當(dāng)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(guī)劃，因為這些因素也會影響干擾的狀況。
功耗的主要來源是相關(guān)器的運作，因此降低功耗需要能分別控制每個相關(guān)器通道；即當(dāng)不需要啟動所有信道的時候，系統(tǒng)能自動調(diào)整，僅啟動所需的相關(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)星信號的背景噪聲一般為-136dBW，為避免干擾，國際電信法規(guī)規(guī)定衛(wèi)星傳送之信號不得大于-154dBW。如此微弱的GPS信號要求天線必須具有相當(dāng)高的靈敏度。
GPS天線的靈敏度會受到其形狀的極大影響。由于GPS的訊號屬于圓極化波，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。
平板天線的成本較低，耐用性較強而且制作相對容易，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(yīng)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(wěn)定，其雖然能順利接收到正上方的衛(wèi)星訊號，但若不能獲取到低角度的衛(wèi)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(wèi)星信號，這是與平板天線相比的優(yōu)勢所在。此外，Balun電路設(shè)計是一種更好的做法，其優(yōu)點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互相干擾，這對于對尺寸要求很高的手持設(shè)備天線設(shè)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。
DR即方位推算（Dead Reckoning）技術(shù)，主要用于GPS接收衛(wèi)星信號有困難的場合。GPS系統(tǒng)需要接收衛(wèi)星信號來實現(xiàn)定位和導(dǎo)航功能，而在信號不好或信號屏蔽較大的環(huán)境中，例如底下室、山洞、隧道、高樓林立的街巷等， GPS系統(tǒng)可能完全無法接受到信號。此時就需要DR的幫助。
DR技術(shù)可做為GPS的補充性暫時導(dǎo)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。一般線性距離通過里程表（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）或差分里程計（Differential Odometer）則用來測量轉(zhuǎn)動角度。
由于DR采用計算的方式獲得定位信息，因此雖然在在短時間內(nèi)其正確性相當(dāng)高，甚至可以高于GPS；但較長時間后，由于累積誤差的影響，其導(dǎo)航定位精度大幅度下降。這時重新利用GPS系統(tǒng)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(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)整合的算法開發(fā)等方面的影響，商品化的DR產(chǎn)品仍然不多。
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CAN總線來把里程表與GPS接收器相連接，來實現(xiàn)輔助定位，但里程表的準(zhǔn)確性會因為長時間的使用而降低。
GPS與先進的MEMS技術(shù)的結(jié)合可克服精度差的缺點。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，要時常進行在線傳感器的校準(zhǔn)，這時就需要GPS的定位訊號來修正DR傳感器的參數(shù)項目；另外，MEMS雖然可實現(xiàn)高精度，但由于其造價較高，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際是美國軍方所搭建的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。世界其他國家處于商業(yè)和國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）計劃由歐盟主導(dǎo)，其運營單位屬于民營組織，主要技術(shù)來自歐洲太空總署（ESA）。由于該計劃由民營機構(gòu)經(jīng)營，市場和盈利是其最大的考慮，因此伽利略計劃共規(guī)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(wù)。
伽利略共提供四種服務(wù)等級，即開放性服務(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，一個整合GPS和伽利略兩大系統(tǒng)的雙工模式接收機的精確度比上文提到數(shù)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(fā)射30顆衛(wèi)星，讓任何地點都能看到4顆以上的衛(wèi)星；不過伽利略的衛(wèi)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(qū)能提供更完善的服務(wù)。伽利略計劃的第一顆衛(wèi)星（GIOVE-A）已于2005年底成功發(fā)射升空，預(yù)計2008年將正式開放商業(yè)使用。
結(jié)論
車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)目前十分具有市場前景，但在未來的服務(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)合是未來的趨勢之一。整合之后的系統(tǒng)可提供交通情況、旅游景點信息等LBS服務(wù)。引入DR功能后，系統(tǒng)將可實現(xiàn)無間斷定位導(dǎo)航。此外，由于伽利略計劃的實施，預(yù)計在下一代導(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)帶來了商機，但也是其未來的挑戰(zhàn)所在，尤其是GPS與GPRS/3G或網(wǎng)絡(luò)等相連時對多模的支持。
整理：洪麓豐
