汽车电子嵌入式系统设计（3）车载GPS导航系统设计

GPS担纲Telematics主角
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（Telecommunication）和资讯（Information）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（Portable Device）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，请参考（图一）。

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，请参考（图一）。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（Broadcast Ephemeris）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。
　

图一. GPS接收器硬体架构示意图（请点小图看大图；资料来源：ST）
　

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NMEA 0183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。NMEA 0183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NTRIP 1.0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（Position accuracy）、灵敏度（Sensitivity）、第一次定位时间（Time to first fix，TTFF）及通道数量（channel number）。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（BOM）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。其架构请参考（图二）。
　

图二. 具成本效益的GPS接收器架构，以STA2056为例（资料来源：ST）
　

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（embedded flash），并广泛支援CAN、SPI、UART、I2C、USB等介面，以及RTCA-SC159／WAAS／EGNOS等GPS系统。此外，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）而与外部装置（如：GSM/GPRS模组、晶片卡、音频功能DSP）相连，非常适用于车辆应用。其架构请参考（图三）。
　

图三. 具弹性的GPS接收器架构，以STA2058为例（请点小图看大图；资料来源：ST）
　

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SAMP CLK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。
　

图四. 各种适合GPS的天线类型
　

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（Quadrifilar Helix Antenna），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（Dead Reckoning，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（Differential Odometer）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CAN Bus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。
　

图五. GPS与里程计及陀螺仪的整合设计实例（资料来源：ST）
　

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Lower L-band的E5a和E5b，Middle L-band的E6和Upper L-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 – 1591 MHz，可与GPS的1575.42 MHz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3 – 4公尺，垂直方向可达6-8公尺。
　 项目  GPS系统 Galileo系统卫星数 24+3 30 （27+3）轨道面个数 6 3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: 1575.42 MHz
L2: 1227.60 MHz
L5: 1176.45 MHz E2-L1-E1: 1560 – 1595 MHz
E5: 1164 – 1214 MHz
E6: 1260 – 1300 MHz传输方式 CDMA CDMA调制码 C/A码、P码和M码 代码1-10时间系统 UTC UTC坐标系统 WGS-84 GTRF（ITRF）

表一. GPS与Galileo的规格差异比较

结论
车载GPS导航系统虽然已有长足的进步，但面对新兴的整合性技术及应用，未来的发展挑战仍然不小。尤其是当GPS不再只是独立（Standalone）的装置，而需要与行动网路（GPRS/3G）或网路相连时，它就必须是能提供多重模式（Multi-mode）的互动系统。

以A-GPS系统来说，它能透过行动网路所提供的星历资讯来加速定位的时间，而且能降低终端器的运算资源与功耗，但在设计上因涉及与行动网路系统的连结，因此必须遵循不同网路的讯息交换标准，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA则是IS-801A。为了简化这种复杂性，OMA组织定义了SUPL标准，先包裹RRLP、RRC或IS-801A讯号后再以一致的规格发送出去。

车载GPS将与通讯系统更密切的整合，以提供即时性的互动功能或服务，例如交通状况、景点资讯等LBS服务；它与DR的整合，即能提供无间断的定位导航功能；在下一代的导航系统中，则会是GPS加Galileo的双系统模式。这些都是车载GPS未来的挑战，也是商机所在。