CDMA網(wǎng)絡智能車載導航終端的優(yōu)化設計

　結合gpsOne定位技術、CDMA通信技術和GIS技術的智能車載終端,可與控制中心配合,實現(xiàn)對車輛的導航、報警和監(jiān)控等多種應用。gpsOne是一種混合定位技術,它綜合了GPS和無線網(wǎng)絡的優(yōu)勢,具有適用性廣、精度高、定位時間短和成本低等特點。

　　本文提出智能車載導航儀的優(yōu)化設計方案,剖析gpsOne的定位原理,探討系統(tǒng)開發(fā)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(yè)務的產(chǎn)生背景

　　隨著移動通信的發(fā)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(shù)據(jù)業(yè)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(fā)郵件、上網(wǎng)外,還能有其他功能。國家基礎地理信息中心的統(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,而企業(yè)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(yè)務,即基于位置的業(yè)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(wǎng)絡規(guī)劃和管理、財產(chǎn)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(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)絡技術、衛(wèi)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(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(shù)GPS應用產(chǎn)品以陸上導航及定位系統(tǒng)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(chǎn)品的主導。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航終端產(chǎn)品和服務存在著迫切需求。

　　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)絡傳輸平臺,與控制中心配合,實現(xiàn)車輛的定位、導航、報警、監(jiān)控、調(diào)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(yè)、物流企業(yè)、大型企事業(yè)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(tǒng)原理及特點

　　2?1gpsOne系統(tǒng)簡介

　　采用適當?shù)亩ㄎ患夹g獲得位置信息是實現(xiàn)對車輛的導航和調(diào)度等位置服務的必要前提。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。
　　
　　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(tǒng)。傳統(tǒng)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(wǎng)絡的方案和基于移動臺的方案?；诰W(wǎng)絡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。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?；谝苿优_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(yè)定位標準,支持漫游,并和已有的GSM網(wǎng)絡兼容,最大限度地減少了網(wǎng)絡改造開銷。

　　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)絡的定位信息。gpsOne體制本身很靈活,允許在各式網(wǎng)絡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(tǒng)還需要另外兩個組成部分：GPS衛(wèi)星廣域參考網(wǎng)絡（WARN）和基站位置信息數(shù)據(jù)庫（BSA）。

　　AGPS的具體工作原理如下：

　　① 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)絡傳輸?shù)轿挥诰W(wǎng)絡中位置服務器（也稱作定位實體,PDE, Position Determining Entity）。

　?、?位置服務器根據(jù)該移動臺的大概位置,通知移動臺應該監(jiān)聽哪些與其位置相關的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。

　?、?位置服務器根據(jù)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(jīng)度、緯度和海拔高度）。

　?、?位置服務器將位置信息發(fā)送給該移動臺、第三方服務提供商SP（Service Provider）、定位網(wǎng)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(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)定位標準）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)絡側(cè)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(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：

　　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(wǎng)絡采用CDMA網(wǎng)絡,包括目前的聯(lián)通CDMA 1X網(wǎng)絡和將來的第三代CDMA2000網(wǎng)絡。

　?、?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。

　?、?提供更豐富的增值業(yè)務,實現(xiàn)了除基本的定位、導航、監(jiān)控和調(diào)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(tǒng)配有17.8 cm（7 in）TFT彩色觸摸液晶顯示屏、麥克風和揚聲器。

　?、?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。

　　⑨ 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)化設計與實現(xiàn)

　　車載導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(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴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)領域不斷取得突破,其體系架構已從V3發(fā)展到V6。它一直以IP(Intelligence Property)提供者的身份向各大半導體制造商出售知識產(chǎn)權,而不介入芯片的生產(chǎn)銷售。其設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(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)品應用的主流。

　　① 性能。處理器必須有足夠的性能執(zhí)行任務和支持產(chǎn)品生命周期?？紤]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(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鍵。

　?、?操作系統(tǒng)支持。嵌入式系統(tǒng)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(chǎn)品作過優(yōu)化的商用操作系統(tǒng)(OS)能夠縮短設備開發(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。

　　（2） 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,但隨著應用的復雜化,一個嵌入式控制器可能要同時控制、監(jiān)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(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(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。

　?。?） 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用開發(fā)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(nèi)核、驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)等）、圖形用戶界面（或稱GUI）和應用程序。

　?、?引導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。

　?、?設置工具鏈的目的是要在主機機器（X86架構的PC機）上創(chuàng)建一個用于編譯將在目標（ARM架構的嵌入式系統(tǒng)）上運行內(nèi)核和應用程序的構建環(huán)境。它由一套用于編譯、匯編和鏈接內(nèi)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(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備設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)。

結語

　　綜合ARM處理器、嵌入式Linux和gpsOne定位技術,依托CDMA網(wǎng)絡傳輸平臺而設計開發(fā)成的智能車載定位服務系統(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航調(diào)度系統(tǒng)的應用帶來更廣闊的前景。