車載GPS導航系統(tǒng)設(shè)計
在系統(tǒng)設(shè)計上還有一些需注意的要領(lǐng),包括功耗的降低和雜訊、干擾的抑制。以GPS接收器來說,相關(guān)器的運作是產(chǎn)生功耗的主要來源,因此最好能分別控制每個相關(guān)器通道,也就是當不需要啟動所有通道的時候,系統(tǒng)能自動調(diào)整為僅啟動所需的相關(guān)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(jié)省功耗。
從高頻轉(zhuǎn)低頻的過程,是雜訊產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié),在此過程中必須妥善抑制雜訊的產(chǎn)生,例如將SAMP CLK的訊號諧波降到最小,以免混雜在中頻(IF)鏈路當中,這可透過在射頻前端與相關(guān)器之間配置適當?shù)碾娮杵鱽磉_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(guī)劃。
GPS天線的需求特性
GPS天線也是決定GPS效能表現(xiàn)的關(guān)鍵。GPS衛(wèi)星訊號的背景噪訊為-136dBW,為避免干擾,國際電信法規(guī)規(guī)定衛(wèi)星傳送之訊號不得大于-154dBW,因此GPS的訊號實際上相當?shù)娜?,因此接收天線的靈敏度必須相當?shù)母?,這和天線的大小及形狀密切相關(guān)。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使用最多,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。
圖四. 各種適合GPS的天線類型
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(wèi)星訊號,但若沒有擷取到低角度的衛(wèi)星資訊,誤差也會相對較高,精確度則會下降。
較先進的作法是採四臂螺旋天線(Quadrifilar Helix Antenna),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(wèi)星訊號。此外,更佳的作法再導入Balun的電路設(shè)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(shè)備的天線設(shè)計。不過,此類天線的成本仍然偏高。
前瞻性技術(shù)一:DR
在車載的導航使用中,常會因為遭遇到環(huán)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,那更是完全沒有訊號可用。在這個時候,就可以透過方位推估(Dead Reckoning,DR)技術(shù)來做為暫時的導航工具。
DR的技術(shù)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(zhuǎn)動角度則使用磁羅盤(Compass)、陀螺儀(Gyrometer)或差分里程計(Differential Odometer)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(shè)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CAN Bus來連結(jié)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。較先進的作法是採用MEMS技術(shù)的加速度計和陀螺儀,它們的體積小,也容易進行系統(tǒng)整合,不過,一分錢一分貨,精確度高的MEMS元件也需要較高的成本。此外,在實用上,要提升DR系統(tǒng)的精確性,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(shù)項目。
圖五. GPS與里程計及陀螺儀的整合設(shè)計實例
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