本文提出智能車載導航儀的優化設計方案,剖析gpsOne的定位原理,探討系統開發中的多項關鍵技術,并給出一個基于ARM和Linux平臺的工程實例。

　　1 概述

　　1?1定位業務的產生背景

　　隨著移動通信的發展,電信服務商與制造商除了語音傳輸外,紛紛推出各種增值數據業務與設備,以尋找新的收入來源。消費者也希望手機除了通話、收發郵件、上網外,還能有其他功能。國家基礎地理信息中心的統計數據也表明：人們日常生活信息中有80％與空間位置有關,而企業所使用的信息中有59％的信息與空間位置有關。因此,作為最富潛力的增值應用平臺之一,移動定位業務,即基于位置的業務LBS(Location Based Services),正受到前所未有的關注。它可以提供諸如導航、基于位置的付賬、位置信息服務、網絡規劃和管理、財產追蹤、個人定位服務、娛樂和緊急救援等多項應用。

　　1?2車載導航儀的發展前景

　　為了緩解現代城市交通的壓力,近年來又出現了將最新的通信網絡技術、衛星定位技術和地理信息技術相結合的ITS（Intelligent Transport Systems,智能交通系統）。ITS可以對機動車輛實施定位、報警、監控、調度、救援或防盜等多種功能,大幅度提高交通管理質量,不僅可以合理利用和充分發揮現有道路的交通潛力,有效解決交通擁擠的現象;而且能提高車輛的營運效率,降低營運成本。

　　ABI、IEK 2002年10月的研究報告就指出,全球GPS市場保守估計自2000年到2006年的年復合增長率（CAGR）約為24%,2006年產值約340億美元。在目前衛星導航應用領域中,智能交通管理所占的比重最大,約占市場總量的40%。

　　目前及將來絕大多數GPS應用產品以陸上導航及定位系統為主,占約70%以上,且比例逐年升高。汽車導航、通信應用、車隊追蹤管理,到2006年將成為陸上導航產品的主導。我國現有430萬輛貨運車,170萬輛客運車,450萬輛轎車及各類船只90多萬艘,如此大的汽車和船只保有量對導航終端產品和服務存在著迫切需求。

　　基于以上分析,研制開發車載移動定位終端,依托CDMA（Code Division Multiple Access,碼分多址）網絡傳輸平臺,與控制中心配合,實現車輛的定位、導航、報警、監控、調度以及其他基于位置的各項增值服務,可廣泛應用于出租汽車行業、物流企業、大型企事業單位公務車輛管理及私家車和小型公司車輛,市場潛力巨大。

　　2 智能導航終端的系統原理及特點

　　2?1gpsOne系統簡介

　　采用適當的定位技術獲得位置信息是實現對車輛的導航和調度等位置服務的必要前提。本系統的移動定位解決方案,采用了美國高通（QUALCOMM）公司研制開發的gpsOne專利技術。
　　
　　總體結構到2003年2月止,已有超過1000萬部gpsOne終端在日本、韓國和美國投入商用,超過了全球所有制造商的商用GPS終端銷量總和,成為世界上使用最廣泛的移動定位系統。傳統的無線定位技術按照起主導作用的實體所處的位置基本可以分為兩大類：基于網絡的方案和基于移動臺的方案。基于網絡的方案需要移動臺發出信號并且由多個固定位置的基站接收,通過測量移動臺到基站的信號的特征參數,再根據特定的算法判斷出被測物體（移動臺）的位置。

　　常用到達角AOA（Angle Of Arrival）和到達時間TOA（ Time Of Arrival）等技術。當信號較弱時,這種方案的定位精度會下降,還會受基站的覆蓋范圍、電波繞射、多徑效應等影響。此外,這種方案還需對基站進行改造,增加了額外的升級費用。基于移動臺的方案,最典型的是使用全球衛星定位（GPS）系統,由24顆人造衛星和配套的地面站組成。接收機（移動臺）只需要接收到三顆衛星的信號,分別測量出到它們的距離,就可以計算出自己的位置。

　　除了接收機價格昂貴外,這種方案還有較長的“初次捕獲時間”或“首次定位時間”TTFF（Time To First Fix）,尤其當接收機冷啟動工作時,需要十多分鐘才能完成對衛星的搜尋。而且,若移動臺處于室內、高大植物、建筑物或衛星信號無法覆蓋的地方,由于可見的GPS衛星數量較少,定位效果很差,甚至無法完成定位。盡管網絡和GPS都不適合單獨作為一套具有商用價值的定位方案,但它們之間可以取長補短。比如在基站覆蓋不全的鄉村和郊區,GPS接收機卻可以搜索到四顆甚至更多的衛星。相反,在密集的城市地區和高大建筑物內,雖然GPS接收機檢測不到足夠的衛星,但移動臺可見的基站卻有兩個或更多。高通公司借助CDMA網絡開發出的gpsOne定位方案,是一種混合的無線輔助全球定位系統（Hybrid AGPS）,不僅精度高,而且適用于各種地形,包括室內、密集城市地區和網絡覆蓋有限的鄉村。它綜合利用了無線蜂窩網和GPS衛星二者的優勢,極大提高了定位方案的可用性、靈敏度和精度,并且甚至只需要一顆衛星和一個基站就可完成定位。

　　高通的某些CDMA芯片組中已經集成了gpsOne功能。這不僅降低了支持gpsOne功能的移動臺的制造成本,也使整個方案部署起來快捷簡便,無需對已有的網絡設備做昂貴和復雜的改造,更不需要增加新的基站。此外,它遵從工業定位標準,支持漫游,并和已有的GSM網絡兼容,最大限度地減少了網絡改造開銷。

　　2?2gpsOne系統定位原理分析

　　gpsOne的定位過程主要涉及兩個活動：信號測量和位置計算。需要收集的待測信號不僅包括GPS衛星群發送的定位信息,還有來自無線網絡的定位信息。gpsOne體制本身很靈活,允許在各式網絡配置中采用不同的已成熟的無線電定位方法,如源小區COO（CellID Of Origin）技術或高級前向鏈路三角定位AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）技術等。這也正是“無線輔助”和“混合”的含義所在。此外,系統還需要另外兩個組成部分：GPS衛星廣域參考網絡（WARN）和基站位置信息數據庫（BSA）。

　　AGPS的具體工作原理如下：

　　① 用戶（移動臺本身或監控中心）發出定位請求,然后移動臺將其所在基站ID信息通過無線網絡傳輸到位于網絡中位置服務器（也稱作定位實體,PDE, Position Determining Entity）。

　　② 位置服務器根據該移動臺的大概位置,通知移動臺應該監聽哪些與其位置相關的GPS衛星的定位信息（包含GPS的星歷和方位俯仰角等）。

　　③ 移動臺根據位置服務器提供的輔助信息（主要用以提升GPS信號的TTFF能力）,接收可見的GPS衛星群的原始信號。

　　④ 移動臺解調信號,計算它到所有可見衛星的偽距（偽距為受各種GPS誤差影響的距離）;同時利用上述各種無線電定位技術收集多個臨近基站的信號并測量出它到各個基站的距離,并將有關信息傳送到位置服務器。

　　⑤ 位置服務器根據傳來的GPS偽距和其他定位設備（如差分GPS基準站等）的輔助信息,通過一系列糾錯算法,計算出該移動臺的精確位置（包括經度、緯度和海拔高度）。

　　⑥ 位置服務器將位置信息發送給該移動臺、第三方服務提供商SP（Service Provider）、定位網關或其他位置服務（LBS）應用平臺。

　　以上過程中,當定位請求短消息發出后,移動臺就會主動建立到PDE的TCP連接,與PDE之間通過端到端的IP會話完成遵從IS-801（工業定位標準）的定位過程,最后由PDE將經緯度信息返回給SP。信號測量和位置計算的活動,可以放在移動臺上或網絡側進行,或二者兼而有之。

　　2?3智能嵌入式導航終端的特點

　　智能嵌入式導航終端的設計是在對目前同類產品的研究比較下提出的。該方案不僅吸取了眾家之長,而且還根據將來的發展在車載系統的功能上提出了一些新的、更高的要求。嵌入式智能導航終端和其他現有的車載系統相比具有更多優點,其中主要的特點是：

　　① 定位方案采用基于A?GPS技術的高通gpsOne方案。

　　② 無線通信網絡采用CDMA網絡,包括目前的聯通CDMA 1X網絡和將來的第三代CDMA2000網絡。

　　③ 采用多種通信方式,在車載終端和控制中心的通信方式上,提供短消息、話音、數據通道以及視頻等多種手段。

　　④ 提供更豐富的增值業務,實現了除基本的定位、導航、監控和調度功能外,還可附加生活、交通、娛樂、服務、公共設施等方面基于位置的各種增值信息服務,如失竊物品追蹤、餐館和公園指南、火車時刻表、天氣預報以及互動娛樂游戲等等。

　　⑤ 方便的人機交互界面。車載系統配有17.8 cm（7 in）TFT彩色觸摸液晶顯示屏、麥克風和揚聲器。

　　⑥ 采用基于ARM核的MCU和嵌入式Linux操作系統。

　　⑦ 支持電子地圖。

　　⑧ 多種報警功能。該車載系統具有防盜報警、反劫報警、遇險報警、損毀報警等多種報警功能。

　　⑨ 廣播方式的群呼功能。監控中心可對車輛進行群呼、組呼,既可實現交通、新聞、股票、天氣等信息的廣播下行,又可對某個地區的出租車的分布情況進行實時統計。

　　⑩ 方便配置和擴展。嵌入式車載系統由各種具有基本功能的相對獨立的模塊組成,留有常見的各種控制接口。

　　3 嵌入式終端的優化設計與實現車載導航終端屬于一個典型的嵌入式系統。對于嵌入式系統,目前比較合理的一個定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

　　（1） 嵌入式微處理器的選擇

　　正因為嵌入式系統在系統特性、開發周期、設計要求等方面與通用計算機系統有巨大的差異,嵌入式處理器的選擇受到很多獨特因素的影響。本終端選用了基于ARM核的32位RISC處理器。ARM公司自1990年成立以來,在32位RISC CPU開發領域不斷取得突破,其體系架構已從V3發展到V6。它一直以IP(Intelligence Property)提供者的身份向各大半導體制造商出售知識產權,而不介入芯片的生產銷售。其設計的芯核具有功耗低、成本低等顯著優點,因此獲得眾多的半導體廠家和整機廠商的大力支持,在嵌入式應用領域獲得了巨大的成功。到2004年已經占有79%的嵌入式處理器市場,并且其ARM9系列內核已成為產品應用的主流。

　　① 性能。處理器必須有足夠的性能執行任務和支持產品生命周期。考慮到智能導航終端應用的復雜性（電子地圖、彩色液晶、觸摸輸入、gpsOne導航、語音交互等）,選擇處理器需要從內存管理單元（MMU）、時鐘主頻、內部存儲器容量、通用可編程I/O（GPIO）數量、終端控制器、LCD控制器、ADC/DAC、UART接口、DMA控制器等各項性能指標綜合考慮。

　　② 是否便于實現。

　　③ 工具支持。支持軟件創建調試系統集成代碼調整和優化工具對整體項目成功與否非常關鍵。

　　④ 操作系統支持。嵌入式系統應用需要使用有幫助的抽象來減少其復雜性。針對處理器系列產品作過優化的商用操作系統(OS)能夠縮短設備開發周期和上市時間。ARM獲得了許多著名的嵌入式（實時）操作系統,如VxWorks、Windows Mobile（WinCE）、Linux等的支持。

　　（2） 嵌入式操作系統的選擇

　　 8位單片機只需要直接編寫單一的控制程序即可工作,但隨著應用的復雜化,一個嵌入式控制器可能要同時控制、監視很多外設;有很多處理任務,各個任務之間有多種信息傳遞,原來的程序設計方法已根本無法滿足系統需求,因此后PC時代的嵌入式系統都需要一個運行在嵌入式處理器之上的操作系統。在智能終端領域有四大主流操作系統,即Symbian、Windows Mobile、Palm OS和Linux;但是由于Linux的性能、可靠性、開放源代碼、低成本和技術支持,越來越多的商用產品將會采用嵌入式Linux作為開發平臺。圖4說明了Linux在嵌入式OS中的發展趨勢。

　　在嵌入式OS中發展趨勢我們選擇的方案是：下載GNU/Linux的標準源代碼并進行適當裁減和修改,定制成符合導航終端需求的操作系統。據Linux Devices統計,這種所謂的“Home grown”已成為目前最流行的嵌入式Linux版本,其份額遠遠超出了商業嵌入式Linux的版本。這其實也是嵌入式系統多樣性的必然反應。

　　（3） 基于ARM和嵌入式Linux平臺的系統開發

　　將Linux移植到ARM處理器上并在此平臺上進行應用開發大致涉及四個層次：引導裝載程序、Linux OS移植（包括設置工具鏈、內核、驅動程序、文件系統等）、圖形用戶界面（或稱GUI）和應用程序。

　　① 引導裝載程序通常是在任何硬件上執行的第一段代碼。基于ARM設備上一些流行的并可免費使用的Linux引導裝載程序有Blob、Redboot和Bootldr。

　　② 設置工具鏈的目的是要在主機機器（X86架構的PC機）上創建一個用于編譯將在目標（ARM架構的嵌入式系統）上運行內核和應用程序的構建環境。它由一套用于編譯、匯編和鏈接內核及應用程序的組件組成。

　　③ 雖然Ext2fs是Linux事實上的標準文件系統,但在嵌入式環境中使用JFFS2是更好的選擇。它是專為微型嵌入式設備設計的日志型閃存芯片文件系統。

　　④ 從用戶的觀點來看,圖形用戶界面（GUI）是系統的一個至關重要的方面：用戶通過GUI與系統進行交互。Qt/Embedded是Trolltech新開發的用于嵌入式Linux的圖形用戶界面系統。

結語

　　綜合ARM處理器、嵌入式Linux和gpsOne定位技術,依托CDMA網絡傳輸平臺而設計開發成的智能車載定位服務系統具有廣泛的適用性。2008年的北京奧運會將會為智能車載導航調度系統的應用帶來更廣闊的前景。