车载导航系统构架及

1、车载导航系统构架及应用分析车载导航系统构架及应用分析在车载系统中，除了行车操控息息相关的车 体、传动及安全系统开始导入更多电子功能外， 最充分利用电子技术的应用当是资通娱乐系统。 这个结合资讯、 通讯和娱乐的车载应用系统， 正 是电子技术进展最快速的三大领域， 当它们被转 移到汽车的市场时， 也发展出独到的应用型式与 技术。在这个领域出现的新名词为 Telematics ， 它是是通讯和资讯的合成字， 顾名思义， 它意指 整合通讯与资讯的新兴车载应用。在产品定位 上，可以分为可携式设备 (PortableDevice) 和车 装式设备 (In-vehicle) 两种，这两类设备又可依 是否具备

2、对外的通讯功能，再将 Telematics 的 市场区隔分为四大块。GPS 导航定位在 Telematics 中具有关键性 的地位，车载 GPS 系统除了可为驾驶提供导航 资讯外，当它与无线通讯技术 (如 GPRS/3G) 结 合时，它能提供定位资讯给 Telematics 的服务 供应商，如裕隆的 TOBE 、北美 GM 的 OnStar ， 以及日系的 Toyota 、Honda 、Nissan 车厂。当 他们的服务中心收到个别车子的位置资讯后， 就 能够为车主提供道路救援、 失车找回等服务。 当 然，计程车或公车、游览车也可运用 GPS 来发 挥车队追踪及控管的功能。另一个与 GPS 息

3、息相关的应用则与紧急救 难有关。在美国有一项 e911 的计画，它要求手 机中必须建置定位功能， 以做为紧急状况通报之 用； e911 属于个人性的紧急救难策略，相较之 下，欧盟则提出汽车驾驶紧急救难相关的 eCall 计画，预定在 2009 年 9 月以后，欧盟全部的新 车都要具有 eCall 的配备，此配备将结合碰撞侦 测、 GPS 和行动通讯三大功能，在第一时间自 动向泛欧统一的紧急电话号码 112 进行通报，除 了车辆地理位置之外， eCall 还设定可传送数据 资料，以语音和资讯双重管道让 112 接线人员来 判定合适的救援方式。GPS 在车载系统中已逐渐成为必备装置， 而且不断发展

4、出加值功能。本文将介绍车载 GPS 的系统设计架构、要领、天线设计及其他 前瞻性的技术发展趋势。GPS 系统架构剖析在用户端的 GPS 装置是一单向的 GPS 讯 号接收机，它会接收来自天空中导航卫星的定位 讯号，这二十多颗卫星会传送 L1 及 L2 两种讯 号 ， 使 用 的 频 率 分 别 为 1575.42MHz 及 1227.60MHz ，一般民用的 GPS 接收机只需接 收 L1 于 1575.42MHz 的频率。GPS 定位系统是利用卫星基本三角定位原理，由 GPS 接受装置先找到三颗以上在天顶上 的卫星所在位置， 再计算每颗卫星与接收器之间 的距离，就能得出接收器在三维空间中的座

5、标 值。再进一步来看 GPS 接收器的系统运作流 程。GPS 卫星讯号会先由 GPS 天线来接收， 再 经由 RF 射频前端将高频讯号转为中、 低频数位 讯号，再传送到 GPS 基频元件，此元件的核心 技术在于相关器 (correlator) 的设计，也就是透 过相关器来比对找出正确的卫星编号， 进而比照 取得多颗卫星的万年历 (Almanac) 和广播星历 (BroadcastEphemeris) 等资料。愈多通道的相 关器意味着能更快速找到卫星的位置， 目前一般 GPS 接收器都至少提供 12 个通道的相关器， 更 高阶的接收器则具有 16 个，甚至是 32 个通道 的相关器。GPS 接收

6、器的控制功能是由微处理器或微 控制器来实现， 此一处理核心可以来自外部， 也 能嵌入在 GPS 基频元件当中。目前较初阶的 GPS 接收器产品常用 ARM7 做为核心，高阶的 机种则会升级到 ARM9 核心。此外，这类元件 也会具备微处理器支援功能，例如 UART 和即 时时钟 (RTC) 。星历资料会以 NMEA0183 或RTCM 等格式 输出到主处理器，进一步与 GIS 地图引擎整合 以显示所在街道位置， 或透过无线通讯介面传出 位置资讯，让远端的伺服器能提供进一步的位置 相关服务。NMEA0183 是 GPS 惯用的一种标准 通讯协定，它採用简化 ASCII 的序列通讯协定来 定义数据

7、传送的格式。当 GPS 採用差分定位 (DGPS) 的辅助定位 模式，如美国的 WAAS 或欧洲的 EGNOS 系统 时，则需输出 RTCM 或 NTRIP1.0 的协定格式。 此外，由于不同的接收机所提供的原始资料格式 通常会不同，当有需要针对不同型号接收机收集 的资料进行统一处理，就必须建立 GPS 通用资 料交换格式，目前业界普遍採用的格式为 RINEX 。GPS 硬体架构选择要领综上所述，一部车载 GPS 的硬体系统架构 中，主要的单元包括天线、 RF 前端、基频 /相关 器、处理器核心，此外，还包括记忆体、匯流排 介面。这些单元可以採离散式 (discrete) 的作法 来提高设计上

8、的弹性， 也能採整合式的策略， 将 多个单元整合为一颗系统单晶片 (SoC) 、单封装 (SiP) 或模组，以降低设计的难度及成本。当系统工程师在进行设计时，必须在效能、 成本与弹性三大评量要件中进行选择。 以效能来说，GPS接收器的效能指标有四项，分别是： 准确性(Positionaccuracy)、灵敏度 (Sensitivity)> 第一次定位时间(Timetofirstfix, TTFF)及通道数量(channelnumber)o当这四项 效能指标都要求达到最高时，就必须强调接收器 的处理器效能、相关器通道数量、记忆体容量及 高速的对外连结介面，如此一来，产品的成本自 然会大幅提

9、升，这时大众市场未必能够接受，因 此往往必须做一些必要的妥协。目前的技术已能将GPS接收器架构中的射 频及基频整合在一起，而高整合度的产品能提供 更佳的成本效益。以ST的STA2056为例，它 将基频与射频功能整合于小型的QFN-68封装 之中。它在基频部分採用ARM7TDMI为核心， 时脉可高达66MHz；在射频部分为主动天线系 统，含有易与被动天线连接的介面；此外，它还 内建ROM及SRAM记忆体。由于只需要用到 少数的外部元件，因此能降低总体物料但0M) 成本；其小尺寸能让产品设计更为轻薄短小，而 且具有低功耗的优势；不仅如此，此类整合性产 品也让工程师省下调校射频与基频整合的研究 心力

10、，能加速产品上市时间。如果强调设计上的弹性，通常会选择射频与 基频分离的方案，在基频元件方面还会嵌入 Flash的记忆体，并支援较丰富的匯流排介面。 以ST的STA2058为例，它整合了 32位元微处理器ARM7TDMI和一个嵌入式快闪记忆体(embeddedflash).并广泛支援 CAN、SPI、 UART、I2C、USB 等介面，以R RTCA-SC159 / WAAS / EGNOS等GPS系统。此夕卜,STA2058EX更拥有外接记忆体介面，可以用作远端资讯处理服务平台，允许免黏接逻辑(glueless)M与外部装置(如：GSM/GPRS模组、晶片卡、音频功能DSP)相连，非常适用于

11、车辆 应用。在系统设计上还有一些需注意的要领，包括功耗的降低和杂讯、干扰的抑制。以GPS接收 器来说，相关器的运作是产生功耗的主要来源, 因此最好能分别控制每个相关器通道，也就是当 不需要启动所有通道的时候，系统能自动调整为 仅启动所需的相关器通道，以降低功耗。此外，透过备用电池的使用， 能将电源电压降低， 这也 有助于节省功耗。从高频转低频的过程， 是杂讯产生的主要环 节，在此过程中必须妥善抑制杂讯的产生， 例如 将 SAMPCLK 的讯号谐波降到最小，以免混杂 在中频 (IF)链路当中，这可透过在射频前端与相 关器之间配置适当的电阻器来达成抑制的目标。 此外，各单元在电路上的佈局和佈线，

12、也会影响 干扰的状况，因此需要进行妥善的规划。GPS 天线的需求特性GPS 天线也是决定 GPS 效能表现的关键。 GPS 卫星讯号的背景噪讯为 -136dBW ，为避免 干扰，国际电信法规规定卫星传送之讯号不得大 于 -154dBW ，因此 GPS 的讯号实际上相当的弱， 因此接收天线的灵敏度必须相当的高， 这和天线 的大小及形状密切相关。可用于 GPS 的天线种 类 包 括 片 状 天 线 (Patch) 、 螺 旋 式 天 线 (Helix/Spiral) 和平面倒 F 型天线 (PIFA)等，其中 又以 Patch 及 Helix 使用最多，请参考 (图四 )。由于 GPS 的讯号属于

13、圆极化波，所以 GPS 接 收天线也必须採圆极化的工作方式。平板天线的好处是其耐用性及相对容易制 作，成本也较便宜。不过它具有明显的方向性， 平板要面向天空才能得到较好的接收效果。 这种 方向性会带来使用上极大的限制； 此外，它虽然 能顺利接收到正上方的卫星讯号， 但若没有撷取 到低角度的卫星资讯， 误差也会相对较高， 精确 度则会下降。较先进的作法是採四臂螺旋天线 (QuadrifilarHelixAntenna) ，它拥有全面向 360 度的接收能力，使天线在任何方向都有 3dB 的 增益。这让 GPS 接收器能以各种角度摆放，而 且能接收到很低角度的卫星讯号。 此外，更佳的 作法再导入

14、Balun 的电路设计，如此一来就能 有效隔离天线周围的噪讯， 能容许各种功能的天 线并存于极小的空间中而不会互相干扰， 很适合 手持设备的天线设计。 不过，此类天线的成本仍 然偏高。前瞻性技术一： DR在车载的导航使用中， 常会因为遭遇到环境 上的遮蔽因素而造成导航工作无法正常运作。 在 高楼林立的巷道中收讯状况往往极差， 当行进隧 道中时，那更是完全没有讯号可用。 在这个时候， 就可以透过方位推估 (DeadReckoning ，DR) 技 术来做为暂时的导航工具。DR 的技术原理是透过能感测或量测距离及 方向改变的装置，来估算出车子移动位置的改 变。在正向的行进距离通常採用里程计 (Od

15、ometer) 或加速度计 (Accelerometer) 来进 行量测；转动角度则使用磁罗盘 (Compass) 、陀 螺 仪 (Gyrometer) 或 差 分 里 程 计 (DifferentialOdometer) 来量测；高度上的变化 则需使用气压计 (Barometer) 。请参考 (图四 )的 整合设计实例图。里程计是每台车子中皆有的装置， GPS 接 收器可透过 CANBus 来连结里程计以进行量 测，但里程计的缺点是会因使用时间而降低其准确性。较先进的作法是採用 MEMS 技术的加速 度计和陀螺仪， 它们的体积小， 也容易进行系统 整合，不过，一分钱一分货， 精确度高的 ME

16、MS 元件也需要较高的成本。此外，在实用上，要提 升 DR 系统的精确性， 还得时常进行线上感测器 的校准，这时就得靠 GPS 的定位讯号来修正 DR 感测器的参数项目。在短时间内， DR 的正确性相当高，甚至可 以高于 GPS ，但当使用时间久了， DR 的误差累 积效应会愈来愈大，导航的精确度就会大幅下 降，这时必须回归到 GPS 系统来找出绝对的位 置，才能再次使用 DR。DR 和 GPS 可说是相辅 相成的车载导航系统， 但目前商品化的产品仍然 不多， 主要的瓶颈在于 DR 感测器的准确度、成 本，以及与导航系统整合的演算法开发上。前瞻性技术二： Galileo大家所熟知的 GPS ，

17、其实是由美国军方所 佈建的全球卫星导航系统。 目前有另一套相似的 系统正在筹建中， 也就是欧盟主导的 Galileo 计 画。Galileo 的技术部分是由欧洲太空总署 (ESA) 所主导， 但它的营运单位是属于民营组织。 第一 颗卫星 (GIOVE-A) 已于 2005 年底成功发射升 空，预计 2008 年将正式开放商业使用。 Galileo 准备发射 30 颗卫星到天空，让任何地点都能看 到 4 颗以上的卫星； 不过 Galileo 的卫星轨道与 赤道面的倾角较大 (56 度)，因此对北欧等高纬度 地区能提供更完善的服务。由于这是属于民营的组织， 因此获利是很大 的考量， 这也是为何 G

18、alileo 规划了三个不同的 频率，包括 LowerL-band 的 E5a 和 E5b ， MiddleL-band 的 E6 和 UpperL-band 的 E2-L1-E1 ，以提供差异化的收费服务。它提供 四种服务等级，即开放性服务 (OS) 、生命安全服 务(SoL) 、商业服务 (CS)和公用法规服务 (PRS) ， 其中 SoL 和 CS 是要付费的，免费的民用工作 频 率 在 1560 1591MHz ， 可 与 GPS 的 1575.42MHz 使用相同的天线进行接收。Galileo 採用特殊的调变技术，能减少多重 路径的干扰， 因此能提升商用上的精确度， 在水 平方向的精确度可达 4 公尺，垂直方向则为 8 公尺。它与 GPS 及 GNSS 等系统具有互操作性， 一个整合 GPS 和 Galileo 两大系统的双工模式 接收机， 其精确度还能够再提升， 水平方向可达 34 公尺，垂直方向可达 6-8 公尺。项 目 GPS 系 统 Galileo 系 统 卫 星 数 24+330(27+3) 轨道面个数 63 轨道高度 20200 公里 23616 公里运行週期 11小时 58 分 14 小时 04 分 轨 道 倾 角 55 度 56 度 载 波 频 率 L1:1575.42MHzL2:1227.60MHzL5:1176.45MHzE2-L1-E1:1