车载导航系统构架及文档格式.docx

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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，—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，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RRTCA-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，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（Odometer）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MEMS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，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Galileo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