车载GPS导航技术的发展

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车载GPS导航技术的发展 [复制链接]

摘要 车载GPS导航系统是集GPS技术、CIS技术、通讯技术及计算机网络技术为一身的新兴科技产品。GPS卫星导航兼具精密导航、立即寻址等优点，越来越受人们的关注。本文介绍了GPS技术的发展状况，提出了多元化设计思考和解决方案，打开车载GPS市场。 引言 卫星全球定位系统（Global Position System；GPS）导航的应用正如火如荼的在全球各地展开，在日本、欧美等先进国家尤为明显。以日本为例，其车载用GPS导航的普及率已接近6成，欧美也达到3成以上。 　 这是因为GPS卫星导航不仅兼具精密导航、立即寻址等优点，还能广泛地应用在交通、信息、娱乐、勘测等众多领域。从这角度我们可以体会到GPS导航产品，从高端机密性的军事应用走向一般家庭使用普及的今日。其快速成长的导航市场需求，为众多相关厂商提供了市场契机与技术挑战。 　 在这发展的同时，如何开发出符合市场潮流的小体积、低功耗、多功能、高定位精度的导航产品，势必也成为从事这方面的厂商及研发工程师最为关注的话题。 1.多元化设计思考 打开各个领域市场 车载GPS导航系统是集GPS技术、CIS技术、通讯技术及计算机网络技术为一身的新兴科技产品。由于汽车上的电子、电机及机械设备越来越多，一旦要将GPS导航应用在车内环境中，就必须要能够适应车内的复杂环境，这也是手持式产品与车载用设备在应用环境上最大的差异。 　 另一方面，GPS产品设计开始显现出小型化趋势，因此，在设计初期就必须考量如何在一个更小的空间内减少系统内干扰等问题。此外，在汽车有限空间与资源共享原则下，导航系统与车上其它娱乐系统会逐渐走向融合，在此系统整合趋势下，能够节省许多共享资源成本（储存装置、显示面板及处理单元等）。目前在高阶市场上接受度相当高，为因应消费者的需求，众多汽车厂也将会提供原装导航系统改为整合系统，这无疑又向GPS导航设备的技术开发提出新挑战。

图1 配备完整车载开放式导航、多媒体及信息平台架构

一般来说，绝大部分消费者对GPS导航的认识是从车上GPS导航系统观念开始衍生，再随着城市道路快速发展，加上汽车年产量越来越多，使得车上使用卫星导航的数量也逐渐增加，从事GPS导航的厂商也越来越多，技术和制造生产工艺也日益成熟。 对于车上的应用，对于一般的芯片和GPS导航模块都能适用于车内，这是因为一般的车用GPS导航产品，大多采用汽车本身的电源、天线和模块固定化。 近年来，汽车旅游、野外探险等消费族群越来越多，消费者对GPS导航产品除了要求具有固定导航定位等功能外，还必须兼具方便移动性及携带容易等特性，甚至是附加双向对谈通讯、影音娱乐功能的总成为一体的导航产品。 从消费者的角度来思考，可以看到GPS设计也要求越来越高，卫星定位精确性不再只是设计者的唯一参考指数，功率消耗、体积大小、多功能等也成了GPS导航设计过程中必须要纳入考虑范围。 2.解决方案打开车用GPS导航市场 传统GPS设备是以模块方式与终端系统进行整合的设计方式，而在产品体积、电源消耗等规格要求下，对于整合车用GPS导航来说，必须寻找另一种方式。不过，车上的行动通讯与GPS卫星导航同样都属于无线通讯系统，两者系统在整合的同时，必须克服电源功率消耗问题、车体内外部干扰、天线良好接收设计，及导航芯片附加功能等整合技术。对于设计车用GPS导航产品的工程师来说，最关心莫过于GPS接收机，目前GPS导航产品设计，大致分为两种开发模式。 2.1芯片级开发设计 芯片级开发设计方式是在独立芯片上完成所有射频讯号接收、取样、基频运算、处理等，再将定位资料输出至手机端的处理器。这牵涉到非常复杂的RF前端及算法软件，这些都是影响GPS接收机好坏的至关重要的环节。 　 对于这种设计方法，主要是前期投入的人力物力和时间是非常巨大的，一旦掌握核心技术，产品就能非常迅速、灵活地设计，目前只有一些有实力的大公司（Sirf、Garmin、Trimble、Motorola等国外大厂）有能力进行这种设计，其它厂商难以突破。 　 2.2模块级开发设计 模块级开发设计也就是直接从GPS接收机开始设计，由于RF级和算法软件都已达到要求，因此，必须要能根据导航产品要求，灵活地配置有源或无源天线、电源管理、输出／输入接口等外围设计，再加上LCD显示设备和导航地图软件，便能得到了一个完整的GPS导航定位产品，更能快速而灵活地推出新的GPS导航产品。 3.设计GPS芯片4大原则 在面对变化莫测车用GPS市场，必须要在最快时间内推出新产品，配置多种新的附加功能，甚至增加新卖点，这将是GPS厂商要在最短时间内所要克服的问题。GPS芯片设计可以概括为成本、精确、干扰和讯号等4大原则。　 从车载用GPS导航接收机模块设计来看，在技术能力的整合方面，最大的关键点在于，板卡及IC的设计朝精密化方向发展，如何解决电波互相干扰的问题？因此，许多导航厂商积极地开发出更好的技术。 举例来说，日本GPS导航厂商在开发导航产品时，为了避免内外部所产生的电波、磁场等干扰，大都使用陶瓷机板当作关键零组件，以降低干扰问题的产生。相对来说，陶瓷机板价格较高，其产品成本也提高。因此，如何开发出不相互干扰的导航产品，同时降低零组件成本，使导航产品价格在市场上更具竞争力。

图2车载用电子导航及影音多媒体信息系统（资料来源：西门子）

不论是车载机用或携带式手持式设备的GPS接收器，其讯号处理流程大致相同，在信号透过天线接收后，会由一个前级低杂音放大器（Low Noise Amplifier；LNA），将其接受到的信号放大，然后再以振荡器（Local Oscillator）混波而输出，其中包括微波和中周波等信号电波，紧接着便会进行信号追踪，并频带滤波器（Bandwise Filter）将高频信号过滤后得到中周波。 另一方面，在将接收信号传入模拟／数字转换器之前，中周波会先经由第一与第二放大器进行信号放大工作。最后所得到的数字转换信号，便可采用本身所配备的微处理机加以处理，或经由接口输入管理系统与其它信息相互整合。 4.GPS零组件 个个都是重要关键 由上段叙述中可知，GPS导航模块中的讯号处理模块与混频器是相当重要的关键零组件，若就GPS制造商而言，在装置GPS导航产品装置于交通运输工具时，GPS接收器会连接到接收天线、放大器、电源供应器，及应用接口，以便与显示器或其余相关数据处理系统进行资料互传处理动作。 在GPS导航硬件部分，由于接收器主要零组件包括混频器与讯号处理模块，若将零组件加以细分，一个完整的GPS接收器主要是由滤波器、放大器、石英晶体、模块、接口、芯片等6项架构所组成。 另外，在导航译码软件部分是GPS导航产品最大的技术门槛障碍，尤其是要满足RAIM的需求。GPS接收器译码过程中会碰到讯号修正、载波追踪、导航整合等技术问题。 在应用高精度需求的差分全球定位系统（Differential Global Positioning System；DGPS）时，还要面对其他技术问题，比如，讯号环境（障碍、干涉、多重路径等设计问题）、精确性／连续性／整合性、载波相位分辨率、锁定监视功能／错误侦测方法，及整合解频技术／卫星导航等。 由于目前GPS导航接收器的厂商几乎不太可能自行设IC厂，因此这方面将会是GPS导航在上游部份无法整合的原因；不过，主要的生产设备包括中下游的SMT厂及构造装置设备厂，已在台湾已有相当丰富经验，大多数的台厂都是以这方面为GPS导航的主要切入市场。