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| 车载GPS导航系统设计 |
| 2008年7月9日 09:33
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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（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（资料来源：ST）
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