车载GPS系统分析与设计

标签:GPS系统
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        信息、通讯和娱乐是电子技术发展最快的三大领域;汽车电子是目前十分具有发展前景的新兴市场,因此二者的结合必然能带来更大的利润空间。

       汽车电子领域发展迅速的资通娱乐系统即结合了信息、通讯和娱乐三大领域最前沿的应用,已成为车体、传动及安全三大传统系统以外的第四大系统。

  资通娱乐系统是新兴车载应用;其被称为Telematics,含义即集合了通讯(Telecommunication)和信息(Information)两方面的功能。按使用场景的不同,Telematics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,这两类设备又可依据是否具备对外的通讯功能,再进一步将Telematics的市场分为四大块。其中车载GPS导航定位在Telematics系统中具有关键性的地位,在车载系统中已逐渐成为必备的装置,而且不断发展出增值性的功能。

  车载GPS系统除了可为驾驶提供导航信息等基本功能外,还在开发新的服务内容。GPS与无线通讯技术(如GPRS/3G)结合便能为Telematics的服务供应商提供定位信息,当车辆遇到困难需要援助时,服务中心收到车辆的位置信息即可为车主提供道路救援;出租车或公交车、游览车也可运用GPS来发挥车队追踪及管控的功能;此外,车辆丢失后也可通过此功能减少损失。将GPS应用于紧急救援的成功案例有美国的e911和欧盟的eCall计划。

  美国的e911计划属于个人性的紧急救难策略,它要求手机中必须具备定位功能,以做为紧急状况通报之用。欧盟也提出了与汽车驾驶紧急救难相关的eCall计划,该计划为汽车配备具有eCall功能的车载设备,该配备将结合碰撞侦测、GPS和移动通讯三大功能,在第一时间自动向欧洲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,以语音和信息双重方式让112接线人员来判断合适的救援方式。预定2009年9月以后,欧盟全部的新车都要具有eCall的功能。

  GPS系统架构及分析

  GPS定位系统的工作方式是利用卫星基本三角定位原理。GPS接收装置先找到三颗以上卫星的所在位置,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坐标值。GPS系统的二十多颗卫星会传送L1及L2两种频率分别为1575.42MHz及1227.60MHz的信号。一般民用的GPS接收机只需接收L1,即1575.42MHz频率的信号。

  客户接收端的GPS装置会接收来自导航卫星的定位讯号,是一种单向的GPS信号接收器。首先,GPS天线会首先接收GPS卫星信号,再经由RF射频前端将高频信号转为中、低频数字信号传送到GPS基带模块。基带的核心技术在于相关器(Correlator)的设计。相关器主要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。相关器的通道越多意味着越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甚至32个通道的相关器。

       

                                        图一 GPS接收器硬件结构

  GPS接收端的控制功能由微处理器或微控制器实现。处理器可以是独立的单元,也可以和基带集成。目前低端GPS接收器产品通常采用ARM7做为核心;高端产品一般为ARM9。此外,这类组件也会具备微处理器支持功能,例如UART和实时时钟(RTC)等。

  广播星历数据会以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的位置;也可以通过无线通讯接口发出位置信息,让远程的服务器能进一步提供相关位置服务。NMEA 0183是GPS惯用的一种标准通讯协议,它采用简化ASCII的序列通讯协议来定义数据传送的格式。

  美国的WAAS或欧洲的EGNOS系统时均采用差分定位(DGPS)的辅助定位模式,当GPS采用该模式时,则需输出RTCM或NTRIP 1.0的协议格式。

  此外,由于不同的接收机所提供的原始数据格式通常会不同,必须建立GPS通用数据交换格式来针对不同型号接收机收集的数据进行统一处理。目前业界普遍采用的格式为RINEX。

  GPS硬件架构的选择

  车载GPS的硬件系统主要由天线、RF、基带、处理器,以及内存、总线接口等模块构成。在系统构架上,这些模块可以采用集成或独立式。前者将多个单元整合为一颗系统单芯片(SoC)、单封装(SiP)或模块,以降低设计的难度及成本;后者采用各自独立的架构来实现设计上的高灵活性。当系统工程师在进行设计时,必须在性能、成本与灵活性三方面间进行权衡。

  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)是GPS接收器的性能方面的重要指标。同时实现这四个方面的要求必然会在处理器性能、相关器信道数量、内存容量及接口速度等提出极高的要求,大幅提高产品成本。因此,明智的做法是在四者之间做出取舍,以迎合市场对性能和价格的多方面要求。

  ST的STA2056以高集成度的方案提供极佳的成本效益。STA2056将GPS接收器架构中的射频及基带整合在一起,这样开发人员就能节省下调校所需精力和时间,使产品上市速度加快。STA2056在基带部分采用ARM7 TDMI为核心,频率高达66MHz;射频部分为主动天线系统,也包含与被动天线连接的接口。除了具有低功耗的优势外,STA2056内建ROM及SRAM内存,因此只需要用到少数的外部组件。STA2056采用小型的QFN-68封装,能有效降低总体物料(BOM)成本和产品尺寸,使相关产品设计更为低价和轻薄短小。

                   

                         图二 高性价比的GPS接收器架构(以STA2056为例)

  如果把射频及基带分离,设计的难度会增大,但灵活性也会提高。基带模块还可嵌入Flash内存并支持较丰富的总线接口。ST的STA2058即采用这种架构,非常适用于车辆应用。其整合了32位MCU(ARM7TDMI)和嵌入式闪存模块,支持RTCA-SC159/WAAS/EGNOS等GPS系统。STA2058EX还广泛支持CAN、SPI、UART、I2C、USB等接口,拥有外接内存接口,可以用作远程信息处理服务平台,允许免黏结逻辑(Glueless)而与外部装置(如:GSM/GPRS模块、芯片卡、音频功能DSP)相连。

       

             图三 高灵活性的分立式GPS接收器架构(以STA2058为例)

  功耗和噪声是常遇到的两个难题。对于GPS接收器来说,功耗的降低和噪声、干扰的抑制即成为系统设计中关键。

  噪声产生主要由从高频转低频的过程中产生,因此噪声抑制机制必须实施在此环节。例如可通过在射频前端与相关器之间配置适当的电阻器来将SAMP CLK的信号谐波降到最小,以避免其混杂在中频(IF)链路当中,来达成抑制噪音的目的。此外,各单元在电路上的布局和布线也需要进行妥善的规划,因为这些因素也会影响干扰的状况。

  功耗的主要来源是相关器的运作,因此降低功耗需要能分别控制每个相关器通道;即当不需要启动所有信道的时候,系统能自动调整,仅启动所需的相关器通道。此外,使用备用电池能将电源电压降低,也有助于节省功耗。

  GPS天线的技术要求

  GPS系统的性能与天线密切相关。卫星信号的背景噪声一般为-136dBW,为避免干扰,国际电信法规规定卫星传送之信号不得大于-154dBW。如此微弱的GPS信号要求天线必须具有相当高的灵敏度。

  GPS天线的灵敏度会受到其形状的极大影响。由于GPS的讯号属于圆极化波,所以GPS接收天线也必须采圆极化的工作方式。可用于GPS的天线种类包括片状(Patch)、螺旋式(Helix/Spiral)和平面倒F型天线(PIFA)等,其中Patch及Helix型应用最多。

       

                                       图四 GPS天线类型

  平板天线的成本较低,耐用性较强而且制作相对容易,但方向性是其明显的缺点之一。方向性使平板天线要面向天空才能得到较好的接收效果,因此在要应用上会受到极大限制。除此之外,平板天线的精度也不十分稳定,其虽然能顺利接收到正上方的卫星讯号,但若不能获取到低角度的卫星信息,误差也会相对较高。

  四臂螺旋天线(Quadrifilar Helix Antenna)拥有360度的全线方向接收能力,使天线在任何方向都有3dB的增益,能让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信号,这是与平板天线相比的优势所在。此外,Balun电路设计是一种更好的做法,其优点是可有效隔离天线周围的噪音,并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,这对于对尺寸要求很高的手持设备天线设计十分适合;然而Helix天线与平板天线相比成本较高,是其缺点之一。

  前瞻性技术1:DR方位推算

  DR即方位推算(Dead Reckoning)技术,主要用于GPS接收卫星信号有困难的场合。GPS系统需要接收卫星信号来实现定位和导航功能,而在信号不好或信号屏蔽较大的环境中,例如底下室、山洞、隧道、高楼林立的街巷等, GPS系统可能完全无法接受到信号。此时就需要DR的帮助。

  DR技术可做为GPS的补充性暂时导航工具,其原理是通过测量与计算距离与方向等影响位移的物理量来推算出车辆的相对位置改变。一般线性距离通过里程表(Odometer)或加速度传感器(Accelerometer)来进行量测;高度的变化需要气压计( Barometer)等装置;而磁罗盘(Compass)、陀螺仪(Gyrometer)或差分里程计(Differential Odometer)则用来测量转动角度。

  由于DR采用计算的方式获得定位信息,因此虽然在在短时间内其正确性相当高,甚至可以高于GPS;但较长时间后,由于累积误差的影响,其导航定位精度大幅度下降。这时重新利用GPS系统来找出绝对的位置,才能再次使用DR。DR和GPS是相辅相成的车载导航系统,而高准确度的定位不能单纯依靠DR。目前受DR传感器的准确度、成本,以及与导航系统整合的算法开发等方面的影响,商品化的DR产品仍然不多。

        

                             图五 集成里程表与陀螺仪的GPS模块

  里程表(Odometer)是车辆的基本配置,现代汽车电子技术可通过CAN总线来把里程表与GPS接收器相连接,来实现辅助定位,但里程表的准确性会因为长时间的使用而降低。

       GPS与先进的MEMS技术的结合可克服精度差的缺点。加速度传感器和陀螺仪基于MEMS技术,具有很小的尺寸,十分容易集成至GPS系统。但要提升DR系统的精度,要时常进行在线传感器的校准,这时就需要GPS的定位讯号来修正DR传感器的参数项目;另外,MEMS虽然可实现高精度,但由于其造价较高,由此造成的成本上升也不可避免。

  前瞻性技术2:伽利略计划

  GPS目前已被大家熟知并被广泛应用,但可能有人并不知道其实际是美国军方所搭建的全球卫星导航系统。世界其他国家处于商业和国家安全等因素的考虑,也在纷纷筹建类似的导航系统。

  伽利略(Galileo)计划由欧盟主导,其运营单位属于民营组织,主要技术来自欧洲太空总署(ESA)。由于该计划由民营机构经营,市场和盈利是其最大的考虑,因此伽利略计划共规划了三个不同的频: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。

  伽利略共提供四种服务等级,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 – 1591MHz之间,可与GPS的1575.42 MHz使用相同的天线进行接收。伽利略采用特殊的调变技术以减少多重路径的干扰,和提高商用上的精度,其在水平和垂直方向分别可达到4米和8米的精确度。

  伽利略与GPS及GNSS等系统具有互操作性,一个整合GPS和伽利略两大系统的双工模式接收机的精确度比上文提到数值还能再提升一级,即水平方向可达3~4米,垂直方向为6~8米。

  伽利略计划共需要发射30颗卫星,让任何地点都能看到4颗以上的卫星;不过伽利略的卫星轨道与赤道面的倾角较大,达到56度,因此对北欧等高纬度地区能提供更完善的服务。伽利略计划的第一颗卫星(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。

          表一 GPS与伽利略的规格差异

      

        结论

  车载GPS导航系统目前十分具有市场前景,但在未来的服务与技术的融合中,也面临许多挑战。GPS与通讯系统更紧密的结合是未来的趋势之一。整合之后的系统可提供交通情况、旅游景点信息等LBS服务。引入DR功能后,系统将可实现无间断定位导航。此外,由于伽利略计划的实施,预计在下一代导航系统中,其将与GPS结合形成双模。

  服务的整合给导航系统带来了商机,但也是其未来的挑战所在,尤其是GPS与GPRS/3G或网络等相连时对多模的支持。

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