车载导航系统的系统设计_车载导航系统有哪些
在车载系统中，除了与行车操控密切相关的车体、传动及安全系统开始导入更多的电子功能外，资通娱乐系统也越来越多地应用电子技术。当这个结合信息、通信和娱乐的车载应用系统被转移到汽车市场时，也发展出其独到的应用特点。Telematics是指整合通信与信息的新兴车载应用。在产品定位上，可以分为可携式设备和车装式设备两种。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信息外，当它与无线通信技术（如GPRS/3G）结合时，可提供定位信息给Telematics的服务供货商，当这些供货商的服务中心收到个别汽车的位置信息后，就能够为车主提供道路救援、失车找回等服务。另外，出租车、公交车或游览车也可采用GPS来发挥车队追踪及控管的功能。在客户端的GPS装置是一个单向的GPS信号接收机，它可以接收来自天空导航卫星的定位信号，这20多颗卫星可传送L1及L2两种信号，使用的频率分别为1575.42MHz和1227.60MHz，一般民用的GPS接收机只需接收L1于1575.42MHz的频率。GPS定位系统利用卫星基本三角定位原理，由GPS接收装置先找到3颗以上空中卫星的所在位置，再计算每颗卫星与接收器之间的距离，即可得出接收器在三维空间中的坐标值。进一步来看GPS接收器的系统运作流程（见图1），GPS卫星信号先由GPS天线来接收，再经由RF射频前端将高频信号转为中、低频数字信号，再传送到GPS基频组件，此组件的核心技术在于相关器的设计，也就是透过相关器来比对找出正确的卫星编号，进而对照取得多颗卫星的万年历和广播星历等资料。通道的相关器越多意味着找到卫星位置的速度越快，目前一般的GPS接收器至少提供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接收器的控制功能由微处理器或微控制器来实现，此处理核心可以来自外部，也可嵌入在GPS基频组件当中。目前较初阶的GPS接收器产品常用ARM7作为核心，高阶的机种则会升级到ARM9核心。此外，这类组件也具备微处理器支持功能，例如UART和实时时钟（RTC）。星历数据会以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，或透过无线通信接口传出位置信息，让远程服务器能够提供进一步的相关位置服务。NMEA0183是GPS惯用的一种标准通信协议，它采用简化ASCII的序列通信协议来定义数据传送的格式。当GPS采用差分定位（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的协议格式。此外，由于不同的接收器所提供的原始数据格式通常会不同，当有需要针对不同型号接收器收集的数据进行统一处理时，就必须建立GPS通用数据交换格式。综上所述，一部车载GPS的硬件系统架构中，主要单元包括天线、RF前端、基频/相关器、处理器核心，此外，还包括内存、总线接口。这些单元可以采用离散式的方法来提高设计上的弹性，也可采用整合式的策略，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。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4项，分别是准确性、灵敏度、第一次定位时间、通道数量。当这4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、内存容量及高速的对外连接接口。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，因此往往需要做一些必要的调整。目前的技术已能够将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（见图2），它将基频与射频功能整合于小型的QFN-68封装之中。它在基频部分采用ARM7TDMI作为核心，频率可高达66MHz；在射频部分为主动天线系统，含有易与被动天线连接的接口；此外，它还内建ROM及SRAM内存。由于只需要用到少数的外部组件，因此能降低总体物料成本；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精力，可加速产品上市。GPS天线也是决定GPS效能表现的关键。GPS卫星信号的背景噪讯为-136dBW，为避免干扰，国际电信法规规定卫星传送信号噪讯不得大于-154dBW，GPS的信号实际上相当弱，因此接收天线的灵敏度必须非常高。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、螺旋式天线和平面倒F型天线（PIFA）等，其中又以片状天线和螺旋式天线使用最多（见图4）。由于GPS的信号属于圆极化波，所以GPS接收天线也必须采用圆极化的工作方式。平板天线的好处是其耐用性及相对容易制作，成本也较低，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。这种方向性会给使用上带来极大的限制；此外，它虽然能顺利接收到正上方的卫星信号，但若没有获取到低角度的卫星信息，误差就会相对较高，精确度也会下降。较先进的做法是采用四臂螺旋天线，它拥有全面向360°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，而且能接收到低角度的卫星信号。此外，也可导入Balun的电路设计，这样可以有效隔离天线周围的噪讯，能容纳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。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，收信状况往往极差，当行进隧道中时，更是完全没有信号可用，这时可以透过方位推估（DeadReckoning，DR）技术来作为暂时的导航工具。DR的技术原理是透过能感测或测量距离及方向改变的装置，来估算出汽车移动位置的改变。正向的行进距离通常采用量程计或加速度计来进行量测；转动角度则使用磁罗盘、陀螺仪或差分里程计来量测；高度上的变化则需使用气压计。整合设计实例见图5。里程计是每台汽车中必备的装置，GPS接收器可透过CANBus来连接里程计以进行测量，但里程计的缺点是会因使用时间过长导致准确性降低。较先进的做法是采用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，但是，精确度高的MEMS组件也需要较高的成本。此外，在实际应用中要提升DR系统的精确性，还要时常进行在线传感器的校准，这时就需要GPS的定位信号来修正DR传感器的参数项目。在短时间内，DR的正确性相当高，甚至可以高于GPS，但随着使用时间的增加，DR的误差累积效应会越来越大，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传感器的准确度和成本，以及与导航系统整合的算法开发方面。
汽车导航系统的组成
即车载GPS导航系统，其内置的GPS天线会接收到来自环绕地球的24颗GPS卫星中的至少3颗所传递的数据信息，结合储存在车载导航仪内的电子地图，通过GPS卫星信号确定的位置坐标与此相匹配，进行确定汽车在电子地图中的准确位置，这就是平常所说的定位功能。在定位的基础上，可以通过多功能显视器，提供最佳行车路线，前方路况以及最近的加油站、饭店、旅馆等信息。假如不幸GPS信号中断，你因此而迷了路，也不用担心，GPS已记录了你的行车路线，你还可以按原路返回。当然，这些功能都离不开已经事先编制好的使用地区的地图软件。
汽车GPS导航系统由两部分组成:一部分由安装在汽车工的GPS接收机和显示设备组成;另一部分由计算机控制中心组成，两部分通过定位卫星进行联系。计算机控制中心是由机动车管理部门授权和组建的，它负责随时观察辖区内指定监控的汽车的动态和交通情况，因此整个汽车导航系统起码有两大功能:一个是汽车踪迹监控功能，只要将已编码的GPS接收装置安装在汽车上，该汽车无论行驶到任何地方都可以通过计算机控制中心的电子地图上指示出它的所在方位;另一个是驾驶指南功能，车主可以将各个地区的交通线路电子图存储在软盘上，只要在车工接收装置中插入软盘，显示屏上就会立即显示出该车所在地区的位置及目前的交通状态，既可输入要去的目的地，预先编制出最佳行驶路线，又可接受计算机控制中心的指令，选择汽车行驶的路线和方向。
