车载导航系统构架和应用分析.doc

　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