车载GPS系统分析与设计

　　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。