資料簡介
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，zui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zui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ematics，它是是通訊和資訊的合成字，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（PortableDevice）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ematics的市場區隔分為四大塊。
GPS導航定位在ematics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ematics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*時間自動向泛歐統一的緊急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*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。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（BroadcastEphemeris）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。
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NMEA0183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。NMEA0183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。
當GPS採用差分定位（DGPS）的輔助定位模式，如美國的WAAS或歐洲的EGNOS系統時，則需輸出RTCM或NTRIP1.0的協定格式。此外，由于不同的接收機所提供的原始資料格式通常會不同，當有需要針對不同型號接收機收集的資料進行統一處理，就必須建立GPS通用資料交換格式，目前業界普遍採用的格式為RINEX。
GPS硬體架構選擇要領
綜上所述，一部車載GPS的硬體系統架構中，主要的單元包括天線、RF前端、基頻/相關器、處理器核心，此外，還包括記憶體、匯流排介面。這些單元可以採離散式（discrete）的作法來提高設計上的彈性，也能採整合式的策略，將多個單元整合為一顆系統單晶片（SoC）、單封裝（SiP）或模組，以降低設計的難度及成本。
當系統工程師在進行設計時，必須在效能、成本與彈性三大評量要件中進行選擇。以效能來說，GPS接收器的效能指標有四項，分別是：準確性（Positionaccuracy）、靈敏度（Sensitivity）、*次定位時間（Timetofirstfix，TTFF）及通道數量（channelnumber）。當這四項效能指標都要求達到zui高時，就必須強調接收器的處理器效能、相關器通道數量、記憶體容量及高速的對外連結介面，如此一來，產品的成本自然會大幅提升，這時大眾市場未必能夠接受，因此往往必須做一些必要的妥協。
目前的技術已能將GPS接收器架構中的射頻及基頻整合在一起，而高整合度的產品能提供更佳的成本效益。以ST的STA2056為例，它將基頻與射頻功能整合于小型的QFN-68封裝之中。它在基頻部分採用ARM7TDMI為核心，時脈可高達66MHz；在射頻部分為主動天線系統，含有易與被動天線連接的介面；此外，它還內建ROM及SRAM記憶體。由于只需要用到少數的外部元件，因此能降低總體物料（BOM）成本；其小尺寸能讓產品設計更為輕薄短小，而且具有低功耗的優勢；不僅如此，此類整合性產品也讓工程師省下調校射頻與基頻整合的研究心力，能加速產品上市時間。
如果強調設計上的彈性，通常會選擇射頻與基頻分離的方案，在基頻元件方面還會嵌入Flash的記憶體，并支援較豐富的匯流排介面。以ST的STA2058為例，它整合了32位元微處理器ARM7TDMI和一個嵌入式快閃記憶體（embeddedflash），并廣泛支援CAN、SPI、UART、I2C、USB等介面，以及RTCA-SC159／WAAS／EGNOS等GPS系統。此外，STA2058EX更擁有外接記憶體介面，可以用作遠端資訊處理服務平臺，允許免黏接邏輯（glueless）而與外部裝置（如：GSM/GPRS模組、晶片卡、音頻功能DSP）相連，非常適用于車輛應用。
在系統設計上還有一些需注意的要領，包括功耗的降低和雜訊、干擾的抑制。以GPS接收器來說，相關器的運作是產生功耗的主要來源，因此能分別控制每個相關器通道，也就是當不需要啟動所有通道的時候，系統能自動調整為僅啟動所需的相關器通道，以降低功耗。此外，透過備用電池的使用，能將電源電壓降低，這也有助于節省功耗。
從高頻轉低頻的過程，是雜訊產生的主要環節，在此過程中必須妥善抑制雜訊的產生，例如將SAMPCLK的訊號諧波降到zui小，以免混雜在中頻（IF）鏈路當中，這可透過在射頻前端與相關器之間配置適當的電阻器來達成抑制的目標。此外，各單元在電路上的佈局和佈線，也會影響干擾的狀況，因此需要進行妥善的規劃。
GPS天線的需求特性
GPS天線也是決定GPS效能表現的關鍵。GPS衛星訊號的背景噪訊為-136dBW，為避免干擾，電信法規規定衛星傳送之訊號不得大于-154dBW，因此GPS的訊號實際上相當的弱，因此接收天線的靈敏度必須相當的高，這和天線的大小及形狀密切相關。可用于GPS的天線種類包括片狀天線（Patch）、螺旋式天線（Helix/Spiral）和平面倒F型天線（PIFA）等，其中又以Patch及Helix使用zui多，請參考（圖四）。由于GPS的訊號屬于圓極化波，所以GPS接收天線也必須採圓極化的工作方式。
平板天線的好處是其耐用性及相對容易制作，成本也較便宜。不過它具有明顯的方向性，平板要面向天空才能得到較好的接收效果。這種方向性會帶來使用上極大的限制；此外，它雖然能順利接收到正上方的衛星訊號，但若沒有擷取到低角度的衛星資訊，誤差也會相對較高，度則會下降。
較*的作法是採四臂螺旋天線（QuadrifilarHelixAntenna），它擁有全面向360度的接收能力，使天線在任何方向都有3dB的增益。這讓GPS接收器能以各種角度擺放，而且能接收到很低角度的衛星訊號。此外，更佳的作法再導入Balun的電路設計，如此一來就能有效隔離天線周圍的噪訊，能容許各種功能的天線并存于極小的空間中而不會互相干擾，很適合手持設備的天線設計。不過，此類天線的成本仍然偏高。
前瞻性技術一：DR
在車載的導航使用中，常會因為遭遇到環境上的遮蔽因素而造成導航工作無法正常運作。在高樓林立的巷道中收訊狀況往往極差，當行進隧道中時，那更是*沒有訊號可用。在這個時候，就可以透過方位推估（DeadReckoning，DR）技術來做為暫時的導航工具。
DR的技術原理是透過能感測或量測距離及方向改變的裝置，來估算出車子移動位置的改變。在正向的行進距離通常採用里程計（Odometer）或加速度計（Accelerometer）來進行量測；轉動角度則使用磁羅盤（Compass）、陀螺儀（Gyrometer）或差分里程計（DifferentialOdometer）來量測；高度上的變化則需使用氣壓計（Barometer）。請參考（圖四）的整合設計實例圖。
里程計是每臺車子中皆有的裝置，GPS接收器可透過CANBus來連結里程計以進行量測，但里程計的缺點是會因使用時間而降低其準確性。較*的作法是採用MEMS技術的加速度計和陀螺儀，它們的體積小，也容易進行系統整合，不過，一分錢一分貨，度高的MEMS元件也需要較高的成本。此外，在實用上，要提升DR系統的性，還得時常進行線上感測器的校準，這時就得靠GPS的定位訊號來修正DR感測器的參數項目。
在短時間內，DR的正確性相當高，甚至可以高于GPS，但當使用時間久了，DR的誤差累積效應會愈來愈大，導航的度就會大幅下降，這時必須回歸到GPS系統來找出的位置，才能再次使用DR。DR和GPS可說是相輔相成的車載導航系統，但目前商品化的產品仍然不多，主要的瓶頸在于DR感測器的準確度、成本，以及與導航系統整合的演算法開發上。
前瞻性技術二：Galileo
大家所熟知的GPS，其實是由美國*所佈建的衛星導航系統。目前有另一套相似的系統正在籌建中，也就是歐盟主導的Galileo計畫。Galileo的技術部分是由歐洲太空總署（ESA）所主導，但它的營運單位是屬于民營組織。*顆衛星（GIOVE-A）已于2005年底成功發射升空，預計2008年將正式開放商業使用。Galileo準備發射30顆衛星到天空，讓任何地點都能看到4顆以上的衛星；不過Galileo的衛星軌道與赤道面的傾角較大（56度），因此對北歐等高緯度地區能提供更完善的服務。
由于這是屬于民營的組織，因此獲利是很大的考量，這也是為何Galileo規劃了三個不同的頻率，包括LowerL-band的E和E5b，MiddleL-band的E6和UpperL-band的E2-L1-E1，以提供差異化的收費服務。它提供四種服務等級，即開放性服務（OS）、生命安全服務（SoL）、商業服務（CS）和公用法規服務（PRS），其中SoL和CS是要付費的，免費的民用工作頻率在1560–1591MHz，可與GPS的1575.42MHz使用相同的天線進行接收。
Galileo採用特殊的調變技術，能減少多重路徑的干擾，因此能提升商用上的度，在水平方向的度可達4公尺，垂直方向則為8公尺。它與GPS及GNSS等系統具有互操作性，一個整合GPS和Galileo兩大系統的雙工模式接收機，其度還能夠再提升，水平方向可達3–4公尺，垂直方向可達6-8公尺。
項目GPS系統Galileo系統衛星數24+330（27+3）軌道面個數63軌道高度20200公里23616公里運行週期11小時58分14小時04分軌道傾角55度56度載波頻率L1:1575.42MHz
L2:1227.60MHz
L5:1176.45MHzE2-L1-E1:1560–1595MHz
E5:1164–1214MHz
E6:1260–1300MHz傳輸方式CDMACDMA調制碼C/A碼、P碼和M碼代碼1-10時間系統UTCUTC坐標系統WGS-84GTRF（ITRF）
結論
車載GPS導航系統雖然已有長足的進步，但面對新興的整合性技術及應用，未來的發展挑戰仍然不小。尤其是當GPS不再只是獨立（Standalone）的裝置，而需要與行動網路（GPRS/3G）或網路相連時，它就必須是能提供多重模式（Multi-mode）的互動系統。
以A-GPS系統來說，它能透過行動網路所提供的星歷資訊來加速定位的時間，而且能降低終端器的運算資源與功耗，但在設計上因涉及與行動網路系統的連結，因此必須遵循不同網路的訊息交換標準，其中GSM/GPRS是RRLP，UMTS是RRC，CDMA則是IS-801A。為了簡化這種復雜性，OMA組織定義了SUPL標準，先包裹RRLP、RRC或IS-801A訊號后再以一致的規格發送出去。
車載GPS將與通訊系統更密切的整合，以提供即時性的互動功能或服務，例如交通狀況、景點資訊等LBS服務；它與DR的整合，即能提供無間斷的定位導航功能；在下一代的導航系統中，則會是GPS加Galileo的雙系統模式。這些都是車載GPS未來的挑戰，也是商機所在。
