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

　　本文提出智能車(chē)載導(dǎo)航儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,剖析gpsOne的定位原理,探討系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),并給出一個(gè)基于ARM和Linux平臺(tái)的工程實(shí)例。

　　1 概述

　　1?1定位業(yè)務(wù)的產(chǎn)生背景

　　隨著移動(dòng)通信的發(fā)展,電信服務(wù)商與制造商除了語(yǔ)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(lái)源。消費(fèi)者也希望手機(jī)除了通話(huà)、收發(fā)郵件、上網(wǎng)外,還能有其他功能。國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心的統(tǒng)計(jì)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(tái)之一,移動(dòng)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(cái)產(chǎn)追蹤、個(gè)人定位服務(wù)、娛樂(lè)和緊急救援等多項(xiàng)應(yīng)用。

　　1?2車(chē)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(lái)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(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)輛實(shí)施定位、報(bào)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(chē)輛的營(yíng)運(yùn)效率,降低營(yíng)運(yùn)成本。

　　ABI、IEK 2002年10月的研究報(bào)告就指出,全球GPS市場(chǎng)保守估計(jì)自2000年到2006年的年復(fù)合增長(zhǎng)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(chǎng)總量的40%。

　　目前及將來(lái)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(chē)導(dǎo)航、通信應(yīng)用、車(chē)隊(duì)追蹤管理,到2006年將成為陸上導(dǎo)航產(chǎn)品的主導(dǎo)。我國(guó)現(xiàn)有430萬(wàn)輛貨運(yùn)車(chē),170萬(wàn)輛客運(yùn)車(chē),450萬(wàn)輛轎車(chē)及各類(lèi)船只90多萬(wàn)艘,如此大的汽車(chē)和船只保有量對(duì)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(kāi)發(fā)車(chē)載移動(dòng)定位終端,依托CDMA（Code Division Multiple Access,碼分多址）網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái),與控制中心配合,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的定位、導(dǎo)航、報(bào)警、監(jiān)控、調(diào)度以及其他基于位置的各項(xiàng)增值服務(wù),可廣泛應(yīng)用于出租汽車(chē)行業(yè)、物流企業(yè)、大型企事業(yè)單位公務(wù)車(chē)輛管理及私家車(chē)和小型公司車(chē)輛,市場(chǎng)潛力巨大。

　　2 智能導(dǎo)航終端的系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

　　2?1gpsOne系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　采用適當(dāng)?shù)亩ㄎ患夹g(shù)獲得位置信息是實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)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(dòng)定位解決方案,采用了美國(guó)高通（QUALCOMM）公司研制開(kāi)發(fā)的gpsOne專(zhuān)利技術(shù)。
　　
　　總體結(jié)構(gòu)到2003年2月止,已有超過(guò)1000萬(wàn)部gpsOne終端在日本、韓國(guó)和美國(guó)投入商用,超過(guò)了全球所有制造商的商用GPS終端銷(xiāo)量總和,成為世界上使用最廣泛的移動(dòng)定位系統(tǒng)。傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)按照起主導(dǎo)作用的實(shí)體所處的位置基本可以分為兩大類(lèi)：基于網(wǎng)絡(luò)的方案和基于移動(dòng)臺(tái)的方案。基于網(wǎng)絡(luò)的方案需要移動(dòng)臺(tái)發(fā)出信號(hào)并且由多個(gè)固定位置的基站接收,通過(guò)測(cè)量移動(dòng)臺(tái)到基站的信號(hào)的特征參數(shù),再根據(jù)特定的算法判斷出被測(cè)物體（移動(dòng)臺(tái)）的位置。

　　常用到達(dá)角AOA（Angle Of Arrival）和到達(dá)時(shí)間TOA（ Time Of Arrival）等技術(shù)。當(dāng)信號(hào)較弱時(shí),這種方案的定位精度會(huì)下降,還會(huì)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(duì)基站進(jìn)行改造,增加了額外的升級(jí)費(fèi)用?；谝苿?dòng)臺(tái)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(jī)（移動(dòng)臺(tái)）只需要接收到三顆衛(wèi)星的信號(hào),分別測(cè)量出到它們的距離,就可以計(jì)算出自己的位置。

　　除了接收機(jī)價(jià)格昂貴外,這種方案還有較長(zhǎng)的“初次捕獲時(shí)間”或“首次定位時(shí)間”TTFF（Time To First Fix）,尤其當(dāng)接收機(jī)冷啟動(dòng)工作時(shí),需要十多分鐘才能完成對(duì)衛(wèi)星的搜尋。而且,若移動(dòng)臺(tái)處于室內(nèi)、高大植物、建筑物或衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法覆蓋的地方,由于可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星數(shù)量較少,定位效果很差,甚至無(wú)法完成定位。盡管網(wǎng)絡(luò)和GPS都不適合單獨(dú)作為一套具有商用價(jià)值的定位方案,但它們之間可以取長(zhǎng)補(bǔ)短。比如在基站覆蓋不全的鄉(xiāng)村和郊區(qū),GPS接收機(jī)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(jī)檢測(cè)不到足夠的衛(wèi)星,但移動(dòng)臺(tái)可見(jiàn)的基站卻有兩個(gè)或更多。高通公司借助CDMA網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)出的gpsOne定位方案,是一種混合的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)和GPS衛(wèi)星二者的優(yōu)勢(shì),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(gè)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(dòng)臺(tái)的制造成本,也使整個(gè)方案部署起來(lái)快捷簡(jiǎn)便,無(wú)需對(duì)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(kāi)銷(xiāo)。

　　2?2gpsOne系統(tǒng)定位原理分析

　　gpsOne的定位過(guò)程主要涉及兩個(gè)活動(dòng)：信號(hào)測(cè)量和位置計(jì)算。需要收集的待測(cè)信號(hào)不僅包括GPS衛(wèi)星群發(fā)送的定位信息,還有來(lái)自無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電定位方法,如源小區(qū)COO（CellID Of Origin）技術(shù)或高級(jí)前向鏈路三角定位AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）技術(shù)等。這也正是“無(wú)線(xiàn)輔助”和“混合”的含義所在。此外,系統(tǒng)還需要另外兩個(gè)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(kù)（BSA）。

　　AGPS的具體工作原理如下：

　?、?用戶(hù)（移動(dòng)臺(tái)本身或監(jiān)控中心）發(fā)出定位請(qǐng)求,然后移動(dòng)臺(tái)將其所在基站ID信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥诰W(wǎng)絡(luò)中位置服務(wù)器（也稱(chēng)作定位實(shí)體,PDE, Position Determining Entity）。

　?、?位置服務(wù)器根據(jù)該移動(dòng)臺(tái)的大概位置,通知移動(dòng)臺(tái)應(yīng)該監(jiān)聽(tīng)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(dòng)臺(tái)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(hào)的TTFF能力）,接收可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星群的原始信號(hào)。

　?、?移動(dòng)臺(tái)解調(diào)信號(hào),計(jì)算它到所有可見(jiàn)衛(wèi)星的偽距（偽距為受各種GPS誤差影響的距離）;同時(shí)利用上述各種無(wú)線(xiàn)電定位技術(shù)收集多個(gè)臨近基站的信號(hào)并測(cè)量出它到各個(gè)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(lái)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(guò)一系列糾錯(cuò)算法,計(jì)算出該移動(dòng)臺(tái)的精確位置（包括經(jīng)度、緯度和海拔高度）。

　　⑥ 位置服務(wù)器將位置信息發(fā)送給該移動(dòng)臺(tái)、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(tái)。

　　以上過(guò)程中,當(dāng)定位請(qǐng)求短消息發(fā)出后,移動(dòng)臺(tái)就會(huì)主動(dòng)建立到PDE的TCP連接,與PDE之間通過(guò)端到端的IP會(huì)話(huà)完成遵從IS-801（工業(yè)定位標(biāo)準(zhǔn)）的定位過(guò)程,最后由PDE將經(jīng)緯度信息返回給SP。信號(hào)測(cè)量和位置計(jì)算的活動(dòng),可以放在移動(dòng)臺(tái)上或網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行,或二者兼而有之。

　　2?3智能嵌入式導(dǎo)航終端的特點(diǎn)

　　智能嵌入式導(dǎo)航終端的設(shè)計(jì)是在對(duì)目前同類(lèi)產(chǎn)品的研究比較下提出的。該方案不僅吸取了眾家之長(zhǎng),而且還根據(jù)將來(lái)的發(fā)展在車(chē)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(chē)載系統(tǒng)相比具有更多優(yōu)點(diǎn),其中主要的特點(diǎn)是：

　　① 定位方案采用基于A(yíng)?GPS技術(shù)的高通gpsOne方案。

　　② 無(wú)線(xiàn)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(lái)的第三代CDMA2000網(wǎng)絡(luò)。

　?、?采用多種通信方式,在車(chē)載終端和控制中心的通信方式上,提供短消息、話(huà)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(shí)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(lè)、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(chē)時(shí)刻表、天氣預(yù)報(bào)以及互動(dòng)娛樂(lè)游戲等等。

　?、?方便的人機(jī)交互界面。車(chē)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(yáng)聲器。

　?、?采用基于A(yíng)RM核的MCU和嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

　?、?支持電子地圖。

　?、?多種報(bào)警功能。該車(chē)載系統(tǒng)具有防盜報(bào)警、反劫報(bào)警、遇險(xiǎn)報(bào)警、損毀報(bào)警等多種報(bào)警功能。

　?、?廣播方式的群呼功能。監(jiān)控中心可對(duì)車(chē)輛進(jìn)行群呼、組呼,既可實(shí)現(xiàn)交通、新聞、股票、天氣等信息的廣播下行,又可對(duì)某個(gè)地區(qū)的出租車(chē)的分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。

　?、?方便配置和擴(kuò)展。嵌入式車(chē)載系統(tǒng)由各種具有基本功能的相對(duì)獨(dú)立的模塊組成,留有常見(jiàn)的各種控制接口。

　　3 嵌入式終端的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)車(chē)載導(dǎo)航終端屬于一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)。對(duì)于嵌入式系統(tǒng),目前比較合理的一個(gè)定義為：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　?。?） 嵌入式微處理器的選擇

　　正因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)在系統(tǒng)特性、開(kāi)發(fā)周期、設(shè)計(jì)要求等方面與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有巨大的差異,嵌入式處理器的選擇受到很多獨(dú)特因素的影響。本終端選用了基于A(yíng)RM核的32位RISC處理器。ARM公司自1990年成立以來(lái),在32位RISC CPU開(kāi)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(shí)產(chǎn)權(quán),而不介入芯片的生產(chǎn)銷(xiāo)售。其設(shè)計(jì)的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn),因此獲得眾多的半導(dǎo)體廠(chǎng)家和整機(jī)廠(chǎng)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(chǎng),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。考慮到智能導(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(yǔ)音交互等）,選擇處理器需要從內(nèi)存管理單元（MMU）、時(shí)鐘主頻、內(nèi)部存儲(chǔ)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(xiàng)性能指標(biāo)綜合考慮。

　　② 是否便于實(shí)現(xiàn)。

　　③ 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(duì)整體項(xiàng)目成功與否非常關(guān)鍵。

　?、?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(lái)減少其復(fù)雜性。針對(duì)處理器系列產(chǎn)品作過(guò)優(yōu)化的商用操作系統(tǒng)(OS)能夠縮短設(shè)備開(kāi)發(fā)周期和上市時(shí)間。ARM獲得了許多著名的嵌入式（實(shí)時(shí)）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(jī)只需要直接編寫(xiě)單一的控制程序即可工作,但隨著應(yīng)用的復(fù)雜化,一個(gè)嵌入式控制器可能要同時(shí)控制、監(jiān)視很多外設(shè);有很多處理任務(wù),各個(gè)任務(wù)之間有多種信息傳遞,原來(lái)的程序設(shè)計(jì)方法已根本無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)需求,因此后PC時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)都需要一個(gè)運(yùn)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(kāi)放源代碼、低成本和技術(shù)支持,越來(lái)越多的商用產(chǎn)品將會(huì)采用嵌入式Linux作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。圖4說(shuō)明了Linux在嵌入式OS中的發(fā)展趨勢(shì)。

　　在嵌入式OS中發(fā)展趨勢(shì)我們選擇的方案是：下載GNU/Linux的標(biāo)準(zhǔn)源代碼并進(jìn)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(jì),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(yuǎn)遠(yuǎn)超出了商業(yè)嵌入式Linux的版本。這其實(shí)也是嵌入式系統(tǒng)多樣性的必然反應(yīng)。

　?。?） 基于A(yíng)RM和嵌入式Linux平臺(tái)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

　　將Linux移植到ARM處理器上并在此平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)大致涉及四個(gè)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(dòng)程序、文件系統(tǒng)等）、圖形用戶(hù)界面（或稱(chēng)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(yíng)RM設(shè)備上一些流行的并可免費(fèi)使用的Linux引導(dǎo)裝載程序有Blob、Redboot和Bootldr。

　　② 設(shè)置工具鏈的目的是要在主機(jī)機(jī)器（X86架構(gòu)的PC機(jī)）上創(chuàng)建一個(gè)用于編譯將在目標(biāo)（ARM架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)）上運(yùn)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。

　?、?雖然Ext2fs是Linux事實(shí)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(zhuān)為微型嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的日志型閃存芯片文件系統(tǒng)。

　?、?從用戶(hù)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,圖形用戶(hù)界面（GUI）是系統(tǒng)的一個(gè)至關(guān)重要的方面：用戶(hù)通過(guò)GUI與系統(tǒng)進(jìn)行交互。Qt/Embedded是Trolltech新開(kāi)發(fā)的用于嵌入式Linux的圖形用戶(hù)界面系統(tǒng)。

結(jié)語(yǔ)

　　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(tái)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成的智能車(chē)載定位服務(wù)系統(tǒng)具有廣泛的適用性。2008年的北京奧運(yùn)會(huì)將會(huì)為智能車(chē)載導(dǎo)航調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用帶來(lái)更廣闊的前景。