GPS擔(dān)綱Telematics主角

　　在車載系統(tǒng)中，除了行車操控息息相關(guān)的車體、傳動(dòng)及安全系統(tǒng)開始導(dǎo)入更多電子功能外，最充分利用電子技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)是資通娛樂系統(tǒng)。這個(gè)結(jié)合資訊、通訊和娛樂的車載應(yīng)用系統(tǒng)，正是電子技術(shù)進(jìn)展最快速的三大領(lǐng)域，當(dāng)它們被轉(zhuǎn)移到汽車的市場(chǎng)時(shí)，也發(fā)展出獨(dú)到的應(yīng)用型式與技術(shù)。

　　在這個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)的新名詞為Telematics，它是是通訊(Telecommunication)和資訊(Information)的合成字，顧名思義，它意指整合通訊與資訊的新興車載應(yīng)用。在產(chǎn)品定位上，可以分為可攜式設(shè)備(Portable Device)和車裝式設(shè)備(In-vehicle)兩種，這兩類設(shè)備又可依是否具備對(duì)外的通訊功能，再將Telematics的市場(chǎng)區(qū)隔分為四大塊，請(qǐng)參考(圖一)。

　　GPS導(dǎo)航定位在Telematics中具有關(guān)鍵性的地位，車載GPS系統(tǒng)除了可為駕駛提供導(dǎo)航資訊外，當(dāng)它與無線通訊技術(shù)(如GPRS/3G)結(jié)合時(shí)，它能提供定位資訊給Telematics的服務(wù)供應(yīng)商，如裕隆的TOBE、北美GM的OnStar，以及日系的Toyota、Honda、Nissan車廠。當(dāng)他們的服務(wù)中心收到個(gè)別車子的位置資訊后，就能夠?yàn)檐囍魈峁┑缆肪仍⑹к囌一氐确?wù)。當(dāng)然，計(jì)程車或公車、游覽車也可運(yùn)用GPS來發(fā)揮車隊(duì)追蹤及控管的功能。

　　另一個(gè)與GPS息息相關(guān)的應(yīng)用則與緊急救難有關(guān)。在美國(guó)有一項(xiàng)e911的計(jì)畫，它要求手機(jī)中必須建置定位功能，以做為緊急狀況通報(bào)之用;e911屬于個(gè)人性的緊急救難策略，相較之下，歐盟則提出汽車駕駛緊急救難相關(guān)的eCall計(jì)畫，預(yù)定在2009年9月以后，歐盟全部的新車都要具有eCall的配備，此配備將結(jié)合碰撞偵測(cè)、GPS和行動(dòng)通訊三大功能，在第一時(shí)間自動(dòng)向泛歐統(tǒng)一的緊急電話號(hào)碼112進(jìn)行通報(bào)，除了車輛地理位置之外，eCall還設(shè)定可傳送數(shù)據(jù)資料，以語音和資訊雙重管道讓112接線人員來判定合適的救援方式。

　　GPS在車載系統(tǒng)中已逐漸成為必備裝置，而且不斷發(fā)展出加值功能。本文將介紹車載GPS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)、要領(lǐng)、天線設(shè)計(jì)及其他前瞻性的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

　　GPS系統(tǒng)架構(gòu)剖析

　　在用戶端的GPS裝置是一單向的GPS訊號(hào)接收機(jī)，它會(huì)接收來自天空中導(dǎo)航衛(wèi)星的定位訊號(hào)，這二十多顆衛(wèi)星會(huì)傳送L1及L2兩種訊號(hào)，使用的頻率分別為1575.42MHz及1227.60MHz，一般民用的GPS接收機(jī)只需接收L1于1575.42MHz的頻率。

　　GPS定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星基本三角定位原理，由GPS接受裝置先找到三顆以上在天頂上的衛(wèi)星所在位置，再計(jì)算每顆衛(wèi)星與接收器之間的距離，就能得出接收器在三維空間中的座標(biāo)值。

　　再進(jìn)一步來看GPS接收器的系統(tǒng)運(yùn)作流程，請(qǐng)參考(圖一)。GPS衛(wèi)星訊號(hào)會(huì)先由GPS天線來接收，再經(jīng)由RF射頻前端將高頻訊號(hào)轉(zhuǎn)為中、低頻數(shù)位訊號(hào)，再傳送到GPS基頻元件，此元件的核心技術(shù)在于相關(guān)器(correlator)的設(shè)計(jì)，也就是透過相關(guān)器來比對(duì)找出正確的衛(wèi)星編號(hào)，進(jìn)而比照取得多顆衛(wèi)星的萬年歷(Almanac)和廣播星歷(Broadcast Ephemeris)等資料。愈多通道的相關(guān)器意味著能更快速找到衛(wèi)星的位置，目前一般GPS接收器都至少提供12個(gè)通道的相關(guān)器，更高階的接收器則具有16個(gè)，甚至是32個(gè)通道的相關(guān)器。

　　圖一 GPS接收器硬體架構(gòu)示意圖

　　GPS接收器的控制功能是由微處理器或微控制器來實(shí)現(xiàn)，此一處理核心可以來自外部，也能嵌入在GPS基頻元件當(dāng)中。目前較初階的GPS接收器產(chǎn)品常用ARM7做為核心，高階的機(jī)種則會(huì)升級(jí)到ARM9核心。此外，這類元件也會(huì)具備微處理器支援功能，例如UART和即時(shí)時(shí)鐘(RTC)。

　　星歷資料會(huì)以NMEA 0183或RTCM等格式輸出到主處理器，進(jìn)一步與GIS地圖引擎整合以顯示所在街道位置，或透過無線通訊介面?zhèn)鞒鑫恢觅Y訊，讓遠(yuǎn)端的伺服器能提供進(jìn)一步的位置相關(guān)服務(wù)。NMEA 0183是GPS慣用的一種標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)定，它採(cǎi)用簡(jiǎn)化ASCII的序列通訊協(xié)定來定義數(shù)據(jù)傳送的格式。

　　當(dāng)GPS採(cǎi)用差分定位(DGPS)的輔助定位模式，如美國(guó)的WAAS或歐洲的EGNOS系統(tǒng)時(shí)，則需輸出RTCM或NTRIP 1.0的協(xié)定格式。此外，由于不同的接收機(jī)所提供的原始資料格式通常會(huì)不同，當(dāng)有需要針對(duì)不同型號(hào)接收機(jī)收集的資料進(jìn)行統(tǒng)一處理，就必須建立 GPS 通用資料交換格式，目前業(yè)界普遍採(cǎi)用的格式為RINEX。

　　GPS硬體架構(gòu)選擇要領(lǐng)

　　綜上所述，一部車載GPS的硬體系統(tǒng)架構(gòu)中，主要的單元包括天線、RF前端、基頻/相關(guān)器、處理器核心，此外，還包括記憶體、匯流排介面。這些單元可以採(cǎi)離散式(discrete)的作法來提高設(shè)計(jì)上的彈性，也能採(cǎi)整合式的策略，將多個(gè)單元整合為一顆系統(tǒng)單晶片(SoC)、單封裝(SiP)或模組，以降低設(shè)計(jì)的難度及成本。

　　當(dāng)系統(tǒng)工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須在效能、成本與彈性三大評(píng)量要件中進(jìn)行選擇。以效能來說，GPS接收器的效能指標(biāo)有四項(xiàng)，分別是：準(zhǔn)確性(Position accuracy)、靈敏度(Sensitivity)、第一次定位時(shí)間(Time to first fix，TTFF)及通道數(shù)量(channel number)。當(dāng)這四項(xiàng)效能指標(biāo)都要求達(dá)到最高時(shí)，就必須強(qiáng)調(diào)接收器的處理器效能、相關(guān)器通道數(shù)量、記憶體容量及高速的對(duì)外連結(jié)介面，如此一來，產(chǎn)品的成本自然會(huì)大幅提升，這時(shí)大眾市場(chǎng)未必能夠接受，因此往往必須做一些必要的妥協(xié)。

　　目前的技術(shù)已能將GPS接收器架構(gòu)中的射頻及基頻整合在一起，而高整合度的產(chǎn)品能提供更佳的成本效益。以ST的STA2056為例，它將基頻與射頻功能整合于小型的QFN-68封裝之中。它在基頻部分採(cǎi)用ARM7TDMI為核心，時(shí)脈可高達(dá)66MHz;在射頻部分為主動(dòng)天線系統(tǒng)，含有易與被動(dòng)天線連接的介面;此外，它還內(nèi)建ROM及SRAM記憶體。由于只需要用到少數(shù)的外部元件，因此能降低總體物料(BOM)成本;其小尺寸能讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為輕薄短小，而且具有低功耗的優(yōu)勢(shì);不僅如此，此類整合性產(chǎn)品也讓工程師省下調(diào)校射頻與基頻整合的研究心力，能加速產(chǎn)品上市時(shí)間。其架構(gòu)請(qǐng)參考(圖二)。

　　圖二 具成本效益的GPS接收器架構(gòu)，以STA2056為例

　　如果強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)上的彈性，通常會(huì)選擇射頻與基頻分離的方案，在基頻元件方面還會(huì)嵌入Flash的記憶體，并支援較豐富的匯流排介面。以ST的STA2058為例，它整合了32位元微處理器ARM7TDMI和一個(gè)嵌入式快閃記憶體(embedded flash)，并廣泛支援CAN、SPI、UART、I2C、USB等介面，以及RTCA-SC159/WAAS/EGNOS等GPS系統(tǒng)。此外，STA2058EX更擁有外接記憶體介面，可以用作遠(yuǎn)端資訊處理服務(wù)平臺(tái)，允許免黏接邏輯(glueless)而與外部裝置(如：GSM/GPRS模組、晶片卡、音頻功能DSP)相連，非常適用于車輛應(yīng)用。其架構(gòu)請(qǐng)參考(圖三)。

　　圖三 具彈性的GPS接收器架構(gòu)，以STA2058為例

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上還有一些需注意的要領(lǐng)，包括功耗的降低和雜訊、干擾的抑制。以GPS接收器來說，相關(guān)器的運(yùn)作是產(chǎn)生功耗的主要來源，因此最好能分別控制每個(gè)相關(guān)器通道，也就是當(dāng)不需要啟動(dòng)所有通道的時(shí)候，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整為僅啟動(dòng)所需的相關(guān)器通道，以降低功耗。此外，透過備用電池的使用，能將電源電壓降低，這也有助于節(jié)省功耗。

　　從高頻轉(zhuǎn)低頻的過程，是雜訊產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)，在此過程中必須妥善抑制雜訊的產(chǎn)生，例如將SAMP CLK的訊號(hào)諧波降到最小，以免混雜在中頻(IF)鏈路當(dāng)中，這可透過在射頻前端與相關(guān)器之間配置適當(dāng)?shù)碾娮杵鱽磉_(dá)成抑制的目標(biāo)。此外，各單元在電路上的佈局和佈線，也會(huì)影響干擾的狀況，因此需要進(jìn)行妥善的規(guī)劃。

　　GPS天線的需求特性

　　GPS天線也是決定GPS效能表現(xiàn)的關(guān)鍵。GPS衛(wèi)星訊號(hào)的背景噪訊為-136dBW，為避免干擾，國(guó)際電信法規(guī)規(guī)定衛(wèi)星傳送之訊號(hào)不得大于-154dBW，因此GPS的訊號(hào)實(shí)際上相當(dāng)?shù)娜?，因此接收天線的靈敏度必須相當(dāng)?shù)母?，這和天線的大小及形狀密切相關(guān)?？捎糜贕PS的天線種類包括片狀天線(Patch)、螺旋式天線(Helix/Spiral)和平面倒F型天線(PIFA)等，其中又以Patch及Helix使用最多，請(qǐng)參考(圖四)。由于GPS的訊號(hào)屬于圓極化波，所以GPS接收天線也必須採(cǎi)圓極化的工作方式。

　　圖四 各種適合GPS的天線類型

　　平板天線的好處是其耐用性及相對(duì)容易制作，成本也較便宜。不過它具有明顯的方向性，平板要面向天空才能得到較好的接收效果。這種方向性會(huì)帶來使用上極大的限制；此外，它雖然能順利接收到正上方的衛(wèi)星訊號(hào)，但若沒有擷取到低角度的衛(wèi)星資訊，誤差也會(huì)相對(duì)較高，精確度則會(huì)下降。

　　較先進(jìn)的作法是採(cǎi)四臂螺旋天線(Quadrifilar Helix Antenna)，它擁有全面向360度的接收能力，使天線在任何方向都有3dB的增益。這讓GPS接收器能以各種角度擺放，而且能接收到很低角度的衛(wèi)星訊號(hào)。此外，更佳的作法再導(dǎo)入Balun的電路設(shè)計(jì)，如此一來就能有效隔離天線周圍的噪訊，能容許各種功能的天線并存于極小的空間中而不會(huì)互相干擾，很適合手持設(shè)備的天線設(shè)計(jì)。不過，此類天線的成本仍然偏高。

　　前瞻性技術(shù)一：DR

　　在車載的導(dǎo)航使用中，常會(huì)因?yàn)樵庥龅江h(huán)境上的遮蔽因素而造成導(dǎo)航工作無法正常運(yùn)作。在高樓林立的巷道中收訊狀況往往極差，當(dāng)行進(jìn)隧道中時(shí)，那更是完全沒有訊號(hào)可用。在這個(gè)時(shí)候，就可以透過方位推估(Dead Reckoning，DR)技術(shù)來做為暫時(shí)的導(dǎo)航工具。

　　DR的技術(shù)原理是透過能感測(cè)或量測(cè)距離及方向改變的裝置，來估算出車子移動(dòng)位置的改變。在正向的行進(jìn)距離通常採(cǎi)用里程計(jì)(Odometer)或加速度計(jì)(Accelerometer)來進(jìn)行量測(cè);轉(zhuǎn)動(dòng)角度則使用磁羅盤(Compass)、陀螺儀(Gyrometer)或差分里程計(jì)(Differential Odometer)來量測(cè);高度上的變化則需使用氣壓計(jì)(Barometer)。請(qǐng)參考(圖四)的整合設(shè)計(jì)實(shí)例圖。

　　里程計(jì)是每臺(tái)車子中皆有的裝置，GPS接收器可透過CAN Bus來連結(jié)里程計(jì)以進(jìn)行量測(cè)，但里程計(jì)的缺點(diǎn)是會(huì)因使用時(shí)間而降低其準(zhǔn)確性。較先進(jìn)的作法是採(cǎi)用MEMS技術(shù)的加速度計(jì)和陀螺儀，它們的體積小，也容易進(jìn)行系統(tǒng)整合，不過，一分錢一分貨，精確度高的MEMS元件也需要較高的成本。此外，在實(shí)用上，要提升DR系統(tǒng)的精確性，還得時(shí)常進(jìn)行線上感測(cè)器的校準(zhǔn)，這時(shí)就得靠GPS的定位訊號(hào)來修正DR感測(cè)器的參數(shù)項(xiàng)目。

　　圖五 GPS與里程計(jì)及陀螺儀的整合設(shè)計(jì)實(shí)例

　　在短時(shí)間內(nèi)，DR的正確性相當(dāng)高，甚至可以高于GPS，但當(dāng)使用時(shí)間久了，DR的誤差累積效應(yīng)會(huì)愈來愈大，導(dǎo)航的精確度就會(huì)大幅下降，這時(shí)必須回歸到GPS系統(tǒng)來找出絕對(duì)的位置，才能再次使用DR。DR和GPS可說是相輔相成的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，但目前商品化的產(chǎn)品仍然不多，主要的瓶頸在于DR感測(cè)器的準(zhǔn)確度、成本，以及與導(dǎo)航系統(tǒng)整合的演算法開發(fā)上。

　　前瞻性技術(shù)二：Galileo

　　大家所熟知的GPS，其實(shí)是由美國(guó)軍方所佈建的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前有另一套相似的系統(tǒng)正在籌建中，也就是歐盟主導(dǎo)的Galileo計(jì)畫。Galileo的技術(shù)部分是由歐洲太空總署(ESA)所主導(dǎo)，但它的營(yíng)運(yùn)單位是屬于民營(yíng)組織。第一顆衛(wèi)星(GIOVE-A)已于2005年底成功發(fā)射升空，預(yù)計(jì)2008年將正式開放商業(yè)使用。Galileo準(zhǔn)備發(fā)射30顆衛(wèi)星到天空，讓任何地點(diǎn)都能看到4顆以上的衛(wèi)星;不過Galileo的衛(wèi)星軌道與赤道面的傾角較大(56度)，因此對(duì)北歐等高緯度地區(qū)能提供更完善的服務(wù)。

　　由于這是屬于民營(yíng)的組織，因此獲利是很大的考量，這也是為何Galileo規(guī)劃了三個(gè)不同的頻率，包括Lower L-band的E5a和E5b，Middle L-band的E6和Upper L-band的E2-L1-E1，以提供差異化的收費(fèi)服務(wù)。它提供四種服務(wù)等級(jí)，即開放性服務(wù)(OS)、生命安全服務(wù)(SoL)、商業(yè)服務(wù)(CS)和公用法規(guī)服務(wù)(PRS)，其中SoL和CS是要付費(fèi)的，免費(fèi)的民用工作頻率在1560 – 1591 MHz，可與GPS的1575.42 MHz使用相同的天線進(jìn)行接收。

　　Galileo採(cǎi)用特殊的調(diào)變技術(shù)，能減少多重路徑的干擾，因此能提升商用上的精確度，在水平方向的精確度可達(dá)4公尺，垂直方向則為8公尺。它與GPS及GNSS等系統(tǒng)具有互操作性，一個(gè)整合GPS和Galileo兩大系統(tǒng)的雙工模式接收機(jī)，其精確度還能夠再提升，水平方向可達(dá)3-4公尺，垂直方向可達(dá)6-8公尺。

　　結(jié)論

　　車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)雖然已有長(zhǎng)足的進(jìn)步，但面對(duì)新興的整合性技術(shù)及應(yīng)用，未來的發(fā)展挑戰(zhàn)仍然不小。尤其是當(dāng)GPS不再只是獨(dú)立(Standalone)的裝置，而需要與行動(dòng)網(wǎng)路(GPRS/3G)或網(wǎng)路相連時(shí)，它就必須是能提供多重模式(Multi-mode)的互動(dòng)系統(tǒng)。

　　以A-GPS系統(tǒng)來說，它能透過行動(dòng)網(wǎng)路所提供的星歷資訊來加速定位的時(shí)間，而且能降低終端器的運(yùn)算資源與功耗，但在設(shè)計(jì)上因涉及與行動(dòng)網(wǎng)路系統(tǒng)的連結(jié)，因此必須遵循不同網(wǎng)路的訊息交換標(biāo)準(zhǔn)，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA則是IS-801A。為了簡(jiǎn)化這種復(fù)雜性，OMA組織定義了SUPL標(biāo)準(zhǔn)，先包裹RRLP、RRC或IS-801A訊號(hào)后再以一致的規(guī)格發(fā)送出去。

　　車載GPS將與通訊系統(tǒng)更密切的整合，以提供即時(shí)性的互動(dòng)功能或服務(wù)，例如交通狀況、景點(diǎn)資訊等LBS服務(wù);它與DR的整合，即能提供無間斷的定位導(dǎo)航功能;在下一代的導(dǎo)航系統(tǒng)中，則會(huì)是GPS加Galileo的雙系統(tǒng)模式。這些都是車載GPS未來的挑戰(zhàn)，也是商機(jī)所在。