车载定位系统

车载定位系统
技术分类： 消费电子设计   作者：Fernando Ventura，意法半导体APG汽车多媒体产品部  发表时间：2005-12-05

　　GPS定位系统在“汽车内饰”市场应用得越来越广

　　汽车安装多个GPS设备不是不可能，一辆沿德国高速公路行驶的12吨卡车很可能装备一个电子收费GPS、一个车队跟踪GPS和/或一个防盗及导航仪GPS。另外，个人导航设备PND正在拉动GPS市场高速增长，汽车还是这种即插即用设备的主要目标。在2010年前50%的新车将至少安装一套定位系统（或者GPS或者伽里略）的宣称并不是乐观的预测，而是基于事实根据的判断。因此，性能和价格是GPS芯片组及模块的关键要求。

 　　GPS接收机模块

　　一台典型的GPS接收机由射频模块、信号处理单元（相关器）、微控制器、存储器以及应用程序组成，其中，射频模块对1575.42 GHz（L1频率）调制的信号进行降频处理，微控制器进行几何和定时运算，将原始的GPS数据转化成定位信息，存储器用于保存数据（例如，有关所有卫星的信息的概略星历Almanac和有关特定卫星的信息的精确星历Ephemeris）。我们可能看出，这些模块的结构与手机芯片组的结构十分类似（图1）。

　　在今天的车载GPS应用中，从基于传统的只有三枚芯片（

 

射频、基带和存储器）方法的成熟的定位解决方案，到整合了定位、导航和人机接口的系统芯片，GPS芯片组结构划分不尽相同。不过，不管具体结构如何划分，质量和可靠性以及性能和价格是实现GPS接收机的关键因素。

　　最具挑战性的GPS芯片组的结构划分

　　实例1：内建闪存和接口的基带芯片

　　内建闪存的基带处理器提高了芯片组的灵活性，降低了成本，在这种情况下，真正的挑战是将数字CMOS与非易失性存储器的制造工艺结合在一起的芯片制造技术。

　　闪存不只是软件升级的关键元件，还是在产品生命周期内第一次加电（自动启动）时存储卫星数据（时间、概略星历和精确星历）的关键组件，数据一旦被保存，就立即开始最快速度的后续定位计算。

　　这个方案适用于从汽车导航到远程信息处理的各类车载应用系统。如果是板上远程信息处理单元，那么对GPS的要求要比导航系统严格很多。

　　典型的远程信息处理服务包括紧急救援呼叫、安全防盗、车队跟踪。因此，汽车定位在任何条件下都是最基本的要求。接收机从卫星收到的信号可能会被中断或干扰，卫星可见度可能会受到限制（楼宇之间的狭窄地带和山谷）或完全被中断（隧道、停车场、人为干扰）。在这些情况下，或者没有任何定位信息，或者可能会进行一些不准确的推断。

　　因为有了一项特殊的技术（航位推测法），我们才得以在GPS接收信号不好或没有信号时利用汽车传感器获取的信息继续进行定位运算。

　　航位推测法把里程表信号用作前后速度指示器，把角加速度传感器（陀螺仪）用作方向指示器。为了配合里程表以及陀螺仪，芯片组变得更加复杂，需要在电路板安装特殊的接口。

　　STA2051代表了一个集成GPS基带功能、闪存和传感器接口的GPS集成电路的实例。通过增加一个外部射频IC，可以把芯片组的GPS功能扩展到NMEA信息输出。

 

　　实例 2: 单片解决方案

　　GPS芯片组结构的另一个具有代表性的实例是在同一个芯片上集成全部关键模块：射频、相关器、微控制器和存储器。同样，在这个方案中，芯片技术也是整合射频组件（通常是模拟器件）与数字电路的关键技术。

　　使模拟射频芯片兼容数字芯片，必须运用特殊的设计方法。

　　这种解决方案通常定位于小尺寸和成本效益型GPS应用，ROM是首选的非易失性存储器，256KB的ROM的外形尺寸比嵌入式的256MB闪存小很多，选择ROM对芯片的大小以及成本有积极的影响，但是ROM的灵活性不高，因为GPS软件库是在芯片制造过程中固化在芯片掩膜上的。

　　一个很小的备用RAM通常用于存储数据，例如，概略星历、精确星历、位置、频率……。

　　这种单片组件特别适用于物理天线含有电子组件的“智能天线”应用，这个特点使天线供应商能够增加产品的附加值，使OEM获得更简单的系统。

　　因为是利用一条串行线路传递NMEA信息，所以天线可以直接连接导航CPU或其它应用处理器。

　　目前在市场上有几种在同一封装内组装多个芯片的解决方案，具体方法是把裸片叠置或并列放置在同一个封装内，这些器件的大小与单片器件大小相同。这些解决方案在汽车制造市场还不常见，因为这些复杂的组装及封装技术还没有取得连续的质量与可靠性记录。

　　ST的STA2056 (Palinuro)是这种方案的一个具有代表性的实例，Palinuro提供了一个从射频输入到NMEA定位信息输出的单片GPS解决方案，Palinuro的射频模块是一个单降频变频器，负责把1575 MHz的GPS –L1载波降低到4MHz的中频(IF)，射频模块完全是CMOS 互补金属氧化物半导体IC，因此，它兼容基带芯片所使用的低成本的成熟的制造工艺。

　　芯片上有一个64KB的SRAM和一个254KB的掩膜ROM，备用RAM（4KB）是一个独立的模块，掩膜ROM是一个金属ROM，这意味着只在金属层上编程，结果使得定制设计周转时间非常短。

     

                      

　　实例 3：系统芯片

　　本节讨论因为含有了实际应用（导航、远程信息处理等）而超出了GPS范畴的芯片组系统划分。

　　我们从导航开始讨论，导航系统的主要模块是定位GPS、寻找航线和匹配地图的主CPU、连接海量存储器（地图存储器）的接口、声音合成接口和存储器。

　　这种将上述模块与一个管理全部应用任务的CPU整合在一起的IC实例在市面

 

上很少见，这一方案要克服的挑战是，在并发事件过程中优化CPU的处理性能（MIPS：每秒百万条指令）。

　　采集GPS信号是最耗费系统功率的任务之一，因为卫星的可见度不同，初始化过程可能需要几秒钟或几分钟，这个过程需要CPU核心输出相应的功率（GPS信息跟踪功耗低于数据采集功耗）。

　　如果同时执行其它任务，可能会导致系统不能正常工作。通过集成高性能的CPU核心（几百个MIPS），可以解决CPU负荷过重的难题，但是这又要以成本和功耗为代价（CPU性能越高，芯片面积越大）。

　　在这种情况下，如果在芯片组内建一个信号采集时间短（秒）、灵敏度高的GPS相关器，就不必使用一个性能很高的CPU（从而降低成本）。

　　STA2052是意法半导体为一家大型的欧洲导航系统制造商专门开发的集成了定位和导航功能的系统芯片。

　　除射频芯片和存储器外，该器件集成了定位导航系统所需的全部模块，下面的结构图突出了这样一个集成了五百万支晶体管的IC的集成度，这样一个最大频率只在70Mhz (~70 Mips)范围内的简单的32位核心可以处理所有的应用任务。

　　车载定位应用的下一步发展 

　　在卫星可见度不高的地区，汽车安全应用对定位的要求越来越高，在停车场内从车载远程信息处理机发出的紧急救援呼叫就是一个典型的应用实例。

　　GPS信号不直接用于户内应用，因此，在户外保持正确工作所需的灵敏度需要复杂的控制算法，今天的高灵敏度被用于实验室演示以及补偿质量太差的天线和干扰。

　　假设装有星历数据的辅助源设备或者在进入停车场时提前装载了星历数据，采集信号时工业接受的灵敏度目标是20dB/Hz CNo（其中CN0代表以dB/Hz为单位的信号比），跟踪信号时灵敏度目标为15dB。

　　通过在相关器上实施特殊的设计技术（即信号采集和跟踪分别使用独立的引擎）以及改进软件库可以实现这些目标。

　　高灵敏度芯片组已经出现在市场上，但目前不适用于汽车导航应用，如前文所述，汽车应用（以安全可靠为主）将会加快相关产品的开发。

　　定位系统的下一代发展动力将来自伽里略系统，这个定位系统不会仅限于欧洲，还会扩展到世界很多地区（包括印度和中国）。

　　因为定位认证是伽里略系统配套服务的组成部分，随着基于定位的服务的推广，车载应用将会受到巨大而积极的影响。根据汽车当前行驶地区的特点（高速公路或城区、交通量等），保险费将会发生大幅度的变化，或者限行区可能会根据具体时段收取不同的入场费。

　　着眼于汽车市场，多家公司联盟成立了GR-POSTER（准伽里略定位终端）项目，以响应伽里略联合执行体（GJU）发布的call 2413 – Area 1B计划。

　　GR-POSTER项目的主要目标是研发具有下面特性的灵活的准伽里略终端：

　　-         实现低成本的准伽里略接收机(满足大众市场的需求)

　　-         主攻汽车和便携应用，针对这两种应用优化设计

　　-         可升级的体系结构，适合各种产品设计

　　-         符合GJU规范 

考虑到目前伽里略计划时间表的执行情况，设计一个完全符合伽里略需求的芯片组还为时过早，因为对于伽里略规范及实施计划，商用定位芯片组的生命周期十分有限。

　　尽管如此，技术提供商和终端制造商还在致力于设计具有户内灵敏度、低功耗和优化尺寸及成本等特性的新一代接收机，意法半导体（ST）是制造这些设备芯片组的芯片厂商之一，我们在GPS芯片组设计和制造方面拥有优良的业绩记录。

　　正是因为上述原因，GR-POSTER联盟成立时吸收了ST（芯片组提供商）和其它工业合作伙伴（终端制造商、系统集成商、核心技术提供商），联盟目标是创造一个“准伽里略”接收机技术，利用有限的成本实现两个主要成果：

  　　在即将制造的下一代芯片组和终端设备中提供“伽里略准备配置”，以优化大众市场的成本为中心(单片接收机的可行性)

　　为GJU提供一个针对GR-POSTER项目以及未来项目的，灵活的接收机平台，目标平台应兼容伽里略信号，可重新编程以实现最大的灵活性，提前实现未来新一代终端的伽里略兼容性。

　　结论

　　各种车

 

载定位系统没有一个具体的芯片结构划分方法，不过，我们可以发现多种有效的划分方法：单机独立使用、集成在天线内、集成在导航或远程信息处理器内等等。

　　不管怎样，质量和可靠性是取得成功的一个关键要素，生产线和现场百万分之几(<10)的产品缺陷率是不允许的，这是一个严格的要求。

　　除此之外，一个突出供应商承诺的明确的产品技术开发时间计划有助于合作双方建立长期的伙伴关系，这就是加盟伽里略计划能够提高企业竞争力的原因。