CDMA網(wǎng)絡(luò)智能車載導(dǎo)航終端的優(yōu)化設(shè)計

　　本文提出智能車載導(dǎo)航儀的優(yōu)化設(shè)計方案,剖析gpsOne的定位原理,探討系統(tǒng)開發(fā)中的多項關(guān)鍵技術(shù),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(yè)務(wù)的產(chǎn)生背景

　　隨著移動通信的發(fā)展,電信服務(wù)商與制造商除了語音傳輸外,紛紛推出各種增值數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與設(shè)備,以尋找新的收入來源。消費者也希望手機除了通話、收發(fā)郵件、上網(wǎng)外,還能有其他功能。國家基礎(chǔ)地理信息中心的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也表明：人們?nèi)粘Ｉ钚畔⒅杏?0％與空間位置有關(guān),而企業(yè)所使用的信息中有59％的信息與空間位置有關(guān)。因此,作為最富潛力的增值應(yīng)用平臺之一,移動定位業(yè)務(wù),即基于位置的業(yè)務(wù)LBS(Location Based Services),正受到前所未有的關(guān)注。它可以提供諸如導(dǎo)航、基于位置的付賬、位置信息服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理、財產(chǎn)追蹤、個人定位服務(wù)、娛樂和緊急救援等多項應(yīng)用。

　　1?2車載導(dǎo)航儀的發(fā)展前景

　　為了緩解現(xiàn)代城市交通的壓力,近年來又出現(xiàn)了將最新的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)和地理信息技術(shù)相結(jié)合的ITS（Intelligent Transport Systems,智能交通系統(tǒng)）。ITS可以對機動車輛實施定位、報警、監(jiān)控、調(diào)度、救援或防盜等多種功能,大幅度提高交通管理質(zhì)量,不僅可以合理利用和充分發(fā)揮現(xiàn)有道路的交通潛力,有效解決交通擁擠的現(xiàn)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(fù)合增長率（CAGR）約為24%,2006年產(chǎn)值約340億美元。在目前衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)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(shù)GPS應(yīng)用產(chǎn)品以陸上導(dǎo)航及定位系統(tǒng)為主,占約70%以上,且比例逐年升高。汽車導(dǎo)航、通信應(yīng)用、車隊追蹤管理,到2006年將成為陸上導(dǎo)航產(chǎn)品的主導(dǎo)。我國現(xiàn)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(dǎo)航終端產(chǎn)品和服務(wù)存在著迫切需求。

　　基于以上分析,研制開發(fā)車載移動定位終端,依托CDMA（Code Division Multiple Access,碼分多址）網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺,與控制中心配合,實現(xiàn)車輛的定位、導(dǎo)航、報警、監(jiān)控、調(diào)度以及其他基于位置的各項增值服務(wù),可廣泛應(yīng)用于出租汽車行業(yè)、物流企業(yè)、大型企事業(yè)單位公務(wù)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(dǎo)航終端的系統(tǒng)原理及特點

　　2?1gpsOne系統(tǒng)簡介

　　采用適當(dāng)?shù)亩ㄎ患夹g(shù)獲得位置信息是實現(xiàn)對車輛的導(dǎo)航和調(diào)度等位置服務(wù)的必要前提。本系統(tǒng)的移動定位解決方案,采用了美國高通（QUALCOMM）公司研制開發(fā)的gpsOne專利技術(shù)。
　　
　　總體結(jié)構(gòu)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(tǒng)。傳統(tǒng)的無線定位技術(shù)按照起主導(dǎo)作用的實體所處的位置基本可以分為兩大類：基于網(wǎng)絡(luò)的方案和基于移動臺的方案。基于網(wǎng)絡(luò)的方案需要移動臺發(fā)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(shù),再根據(jù)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(shù)。當(dāng)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(yīng)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(wèi)星定位（GPS）系統(tǒng),由24顆人造衛(wèi)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(wèi)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(dāng)接收機冷啟動工作時,需要十多分鐘才能完成對衛(wèi)星的搜尋。而且,若移動臺處于室內(nèi)、高大植物、建筑物或衛(wèi)星信號無法覆蓋的地方,由于可見的GPS衛(wèi)星數(shù)量較少,定位效果很差,甚至無法完成定位。盡管網(wǎng)絡(luò)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(xiāng)村和郊區(qū),GPS接收機卻可以搜索到四顆甚至更多的衛(wèi)星。相反,在密集的城市地區(qū)和高大建筑物內(nèi),雖然GPS接收機檢測不到足夠的衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)開發(fā)出的gpsOne定位方案,是一種混合的無線輔助全球定位系統(tǒng)（Hybrid AGPS）,不僅精度高,而且適用于各種地形,包括室內(nèi)、密集城市地區(qū)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋有限的鄉(xiāng)村。它綜合利用了無線蜂窩網(wǎng)和GPS衛(wèi)星二者的優(yōu)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(wèi)星和一個基站就可完成定位。

　　高通的某些CDMA芯片組中已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備做昂貴和復(fù)雜的改造,更不需要增加新的基站。此外,它遵從工業(yè)定位標(biāo)準(zhǔn),支持漫游,并和已有的GSM網(wǎng)絡(luò)兼容,最大限度地減少了網(wǎng)絡(luò)改造開銷。

　　2?2gpsOne系統(tǒng)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(wèi)星群發(fā)送的定位信息,還有來自無線網(wǎng)絡(luò)的定位信息。gpsOne體制本身很靈活,允許在各式網(wǎng)絡(luò)配置中采用不同的已成熟的無線電定位方法,如源小區(qū)COO（CellID Of Origin）技術(shù)或高級前向鏈路三角定位AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）技術(shù)等。這也正是“無線輔助”和“混合”的含義所在。此外,系統(tǒng)還需要另外兩個組成部分：GPS衛(wèi)星廣域參考網(wǎng)絡(luò)（WARN）和基站位置信息數(shù)據(jù)庫（BSA）。

　　AGPS的具體工作原理如下：

　?、?用戶（移動臺本身或監(jiān)控中心）發(fā)出定位請求,然后移動臺將其所在基站ID信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥诰W(wǎng)絡(luò)中位置服務(wù)器（也稱作定位實體,PDE, Position Determining Entity）。

　?、?位置服務(wù)器根據(jù)該移動臺的大概位置,通知移動臺應(yīng)該監(jiān)聽哪些與其位置相關(guān)的GPS衛(wèi)星的定位信息（包含GPS的星歷和方位俯仰角等）。

　?、?移動臺根據(jù)位置服務(wù)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(wèi)星群的原始信號。

　?、?移動臺解調(diào)信號,計算它到所有可見衛(wèi)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(shù)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(guān)信息傳送到位置服務(wù)器。

　?、?位置服務(wù)器根據(jù)傳來的GPS偽距和其他定位設(shè)備（如差分GPS基準(zhǔn)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(jīng)度、緯度和海拔高度）。

　?、?位置服務(wù)器將位置信息發(fā)送給該移動臺、第三方服務(wù)提供商SP（Service Provider）、定位網(wǎng)關(guān)或其他位置服務(wù)（LBS）應(yīng)用平臺。

　　以上過程中,當(dāng)定位請求短消息發(fā)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(yè)定位標(biāo)準(zhǔn)）的定位過程,最后由PDE將經(jīng)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(wǎng)絡(luò)側(cè)進行,或二者兼而有之。

　　2?3智能嵌入式導(dǎo)航終端的特點

　　智能嵌入式導(dǎo)航終端的設(shè)計是在對目前同類產(chǎn)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(jù)將來的發(fā)展在車載系統(tǒng)的功能上提出了一些新的、更高的要求。嵌入式智能導(dǎo)航終端和其他現(xiàn)有的車載系統(tǒng)相比具有更多優(yōu)點,其中主要的特點是：

　?、?定位方案采用基于A?GPS技術(shù)的高通gpsOne方案。

　?、?無線通信網(wǎng)絡(luò)采用CDMA網(wǎng)絡(luò),包括目前的聯(lián)通CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)和將來的第三代CDMA2000網(wǎng)絡(luò)。

　?、?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(shù)據(jù)通道以及視頻等多種手段。

　　④ 提供更豐富的增值業(yè)務(wù),實現(xiàn)了除基本的定位、導(dǎo)航、監(jiān)控和調(diào)度功能外,還可附加生活、交通、娛樂、服務(wù)、公共設(shè)施等方面基于位置的各種增值信息服務(wù),如失竊物品追蹤、餐館和公園指南、火車時刻表、天氣預(yù)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(tǒng)配有17.8 cm（7 in）TFT彩色觸摸液晶顯示屏、麥克風(fēng)和揚聲器。

　?、?采用基于ARM核的MCU和嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

　?、?支持電子地圖。

　?、?多種報警功能。該車載系統(tǒng)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。

　?、?廣播方式的群呼功能。監(jiān)控中心可對車輛進行群呼、組呼,既可實現(xiàn)交通、新聞、股票、天氣等信息的廣播下行,又可對某個地區(qū)的出租車的分布情況進行實時統(tǒng)計。

　?、?方便配置和擴展。嵌入式車載系統(tǒng)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(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)車載導(dǎo)航終端屬于一個典型的嵌入式系統(tǒng)。對于嵌入式系統(tǒng),目前比較合理的一個定義為：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。

　?。?） 嵌入式微處理器的選擇

　　正因為嵌入式系統(tǒng)在系統(tǒng)特性、開發(fā)周期、設(shè)計要求等方面與通用計算機系統(tǒng)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(fā)領(lǐng)域不斷取得突破,其體系架構(gòu)已從V3發(fā)展到V6。它一直以IP(Intelligence Property)提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識產(chǎn)權(quán),而不介入芯片的生產(chǎn)銷售。其設(shè)計的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點,因此獲得眾多的半導(dǎo)體廠家和整機廠商的大力支持,在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功。到2004年已經(jīng)占有79%的嵌入式處理器市場,并且其ARM9系列內(nèi)核已成為產(chǎn)品應(yīng)用的主流。

　?、?性能。處理器必須有足夠的性能執(zhí)行任務(wù)和支持產(chǎn)品生命周期?？紤]到智能導(dǎo)航終端應(yīng)用的復(fù)雜性（電子地圖、彩色液晶、觸摸輸入、gpsOne導(dǎo)航、語音交互等）,選擇處理器需要從內(nèi)存管理單元（MMU）、時鐘主頻、內(nèi)部存儲器容量、通用可編程I/O（GPIO）數(shù)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(biāo)綜合考慮。

　?、?是否便于實現(xiàn)。

　?、?工具支持。支持軟件創(chuàng)建調(diào)試系統(tǒng)集成代碼調(diào)整和優(yōu)化工具對整體項目成功與否非常關(guān)鍵。

　　④ 操作系統(tǒng)支持。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需要使用有幫助的抽象來減少其復(fù)雜性。針對處理器系列產(chǎn)品作過優(yōu)化的商用操作系統(tǒng)(OS)能夠縮短設(shè)備開發(fā)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(tǒng),如VxWorks、Windows Mobile（WinCE）、Linux等的支持。

　?。?） 嵌入式操作系統(tǒng)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(yīng)用的復(fù)雜化,一個嵌入式控制器可能要同時控制、監(jiān)視很多外設(shè);有很多處理任務(wù),各個任務(wù)之間有多種信息傳遞,原來的程序設(shè)計方法已根本無法滿足系統(tǒng)需求,因此后PC時代的嵌入式系統(tǒng)都需要一個運行在嵌入式處理器之上的操作系統(tǒng)。在智能終端領(lǐng)域有四大主流操作系統(tǒng),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(shù)支持,越來越多的商用產(chǎn)品將會采用嵌入式Linux作為開發(fā)平臺。圖4說明了Linux在嵌入式OS中的發(fā)展趨勢。

　　在嵌入式OS中發(fā)展趨勢我們選擇的方案是：下載GNU/Linux的標(biāo)準(zhǔn)源代碼并進行適當(dāng)裁減和修改,定制成符合導(dǎo)航終端需求的操作系統(tǒng)。據(jù)Linux Devices統(tǒng)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(yè)嵌入式Linux的版本。這其實也是嵌入式系統(tǒng)多樣性的必然反應(yīng)。

　?。?） 基于ARM和嵌入式Linux平臺的系統(tǒng)開發(fā)

　　將Linux移植到ARM處理器上并在此平臺上進行應(yīng)用開發(fā)大致涉及四個層次：引導(dǎo)裝載程序、Linux OS移植（包括設(shè)置工具鏈、內(nèi)核、驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)等）、圖形用戶界面（或稱GUI）和應(yīng)用程序。

　?、?引導(dǎo)裝載程序通常是在任何硬件上執(zhí)行的第一段代碼?；贏RM設(shè)備上一些流行的并可免費使用的Linux引導(dǎo)裝載程序有Blob、Redboot和Bootldr。

　?、?設(shè)置工具鏈的目的是要在主機機器（X86架構(gòu)的PC機）上創(chuàng)建一個用于編譯將在目標(biāo)（ARM架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)）上運行內(nèi)核和應(yīng)用程序的構(gòu)建環(huán)境。它由一套用于編譯、匯編和鏈接內(nèi)核及應(yīng)用程序的組件組成。

　　③ 雖然Ext2fs是Linux事實上的標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng),但在嵌入式環(huán)境中使用JFFS2是更好的選擇。它是專為微型嵌入式設(shè)備設(shè)計的日志型閃存芯片文件系統(tǒng)。

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

結(jié)語

　　綜合ARM處理器、嵌入式Linux和gpsOne定位技術(shù),依托CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺而設(shè)計開發(fā)成的智能車載定位服務(wù)系統(tǒng)具有廣泛的適用性。2008年的北京奧運會將會為智能車載導(dǎo)航調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用帶來更廣闊的前景。