車載GPS導航系統設計

GPS擔綱Telematics主角
在車載系統中，除了行車操控息息相關的車體、傳動及安全系統開始導入更多電子功能外，最充分利用電子技術的應用當是資通娛樂系統。這個結合資訊、通訊和娛樂的車載應用系統，正是電子技術進展最快速的三大領域，當它們被轉移到汽車的市場時，也發展出獨到的應用型式與技術。

在這個領域出現的新名詞為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用。在產品定位上，可以分為可攜式設備（Portable Device）和車裝式設備（In-vehicle）兩種，這兩類設備又可依是否具備對外的通訊功能，再將Telematics的市場區隔分為四大塊，請參考（圖一）。

GPS導航定位在Telematics中具有關鍵性的地位，車載GPS系統除了可為駕駛提供導航資訊外，當它與無線通訊技術（如GPRS/3G）結合時，它能提供定位資訊給Telematics的服務供應商，如裕隆的TOBE、北美GM的OnStar，以及日系的Toyota、Honda、Nissan車廠。當他們的服務中心收到個別車子的位置資訊后，就能夠為車主提供道路救援、失車找回等服務。當然，計程車或公車、游覽車也可運用GPS來發揮車隊追蹤及控管的功能。

另一個與GPS息息相關的應用則與緊急救難有關。在美國有一項e911的計畫，它要求手機中必須建置定位功能，以做為緊急狀況通報之用；e911屬于個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的eCall計畫，預定在2009年9月以后，歐盟全部的新車都要具有eCall的配備，此配備將結合碰撞偵測、GPS和行動通訊三大功能，在第一時間自動向泛歐統一的緊急電話號碼112進行通報，除了車輛地理位置之外，eCall還設定可傳送數據資料，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在車載系統中已逐漸成為必備裝置，而且不斷發展出加值功能。本文將介紹車載GPS的系統設計架構、要領、天線設計及其他前瞻性的技術發展趨勢。

GPS系統架構剖析
在用戶端的GPS裝置是一單向的GPS訊號接收機，它會接收來自天空中導航衛星的定位訊號，這二十多顆衛星會傳送L1及L2兩種訊號，使用的頻率分別為1575.42MHz及1227.60MHz，一般民用的GPS接收機只需接收L1于1575.42MHz的頻率。

GPS定位系統是利用衛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星所在位置，再計算每顆衛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值。

再進一步來看GPS接收器的系統運作流程，請參考（圖一）。GPS衛星訊號會先由GPS天線來接收，再經由RF射頻前端將高頻訊號轉為中、低頻數位訊號，再傳送到GPS基頻元件，此元件的核心技術在于相關器（correlator）的設計，也就是透過相關器來比對找出正確的衛星編號，進而比照取得多顆衛星的萬年歷（Almanac）和廣播星歷（Broadcast Ephemeris）等資料。愈多通道的相關器意味著能更快速找到衛星的位置，目前一般GPS接收器都至少提供12個通道的相關器，更高階的接收器則具有16個，甚至是32個通道的相關器。
　

圖一. GPS接收器硬體架構示意圖
　

GPS接收器的控制功能是由微處理器或微控制器來實現，此一處理核心可以來自外部，也能嵌入在GPS基頻元件當中。目前較初階的GPS接收器產品常用ARM7做為核心，高階的機種則會升級到ARM9核心。此外，這類元件也會具備微處理器支援功能，例如UART和即時時鐘（RTC）。

星歷資料會以NMEA 0183或RTCM等格式輸出到主處理器，進一步與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傳出位置資訊，讓遠端的伺服器能提供進一步的位置相關服務。NMEA 0183是GPS慣用的一種標準通訊協定，它採用簡化ASCII的序列通訊協定來定義數據傳送的格式。