兼容軟件GPS接收機的車載導航系統(tǒng)設計

1、兼容軟件GPS接收機的車載導航系統(tǒng)設計江雷，丁勝昔（北京靈圖軟件技術有限公司，北京 100094 dengshengxi, jianglei )摘  要：本文設計了集成軟件GPS接收機的車載導航系統(tǒng)。以靈圖天行者導航平臺為基礎，為該導航平臺設計了支持軟件GPS的GPS模塊；鑒于軟件GPS優(yōu)良的特性，車載導航系統(tǒng)在低成本，低功耗，穩(wěn)定性等方面有了很大的提升空間；測試結果表明，基于軟件GPS接收機的車載導航系統(tǒng)具有可靠的穩(wěn)定度和較好的定位精度,可以滿足車載導航的需要。 關鍵詞：靈圖天行者，軟件GPS，車載導航引言近年來伴隨電子制造技術的飛速進步，計算機硬件取得了非常驚

2、人的進步，同時也給軟件技術帶來了巨大的成長空間。作為一個特定領域的體現，軟件全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System) 接收機正在成為一個活躍的技術發(fā)展方向。盡管目前仍很難界定這種接收機的軟件形式即：軟件GPS接收機，但普遍認為它將融入軟件無線電(software radio) 的設計概念。軟件無線電的關鍵思想可以歸結為：將A/D盡可能靠近天線；用軟件來完成盡可能多的無線電功能。具體而言，軟件GPS接收機強調軟件實現模式，即在必要、通用的基礎硬件平臺上，將接收機功能最大限度地軟件化1，2。本文首先討論軟件GPS接收機的架構，以及與傳統(tǒng)GPS接收機相對比，軟件GPS

3、接收機的主要優(yōu)勢。以此為基礎，描述了車載導航系統(tǒng)設計的關鍵問題，并設計了能夠兼容軟件GPS接收機的車載導航系統(tǒng)的GPS模塊；最后通過實驗數據表明了軟件GPS接收機可以提供穩(wěn)定的數據供車載導航系統(tǒng)使用。1 GPS接收機1.1 傳統(tǒng)GPS接收機的架構       一般商業(yè)用的GPS 芯片組大體都是由天線、低噪音放大器、前端濾波器、射頻IC、晶振、 存儲器芯片與基頻IC（內含中央處理單元）所組成。射頻IC的主要功能是將GPS的1.57542GHz載波降頻至基頻，其主要是由低噪聲放大器、混波器、自動增益控制、鎖相回路、以及A/D轉換器所組成。

4、絕大多數的基頻信號處理IC都是由CMOS制成，一般的基頻信號處理芯片除了具備有de-spread的Correlators之外也都還包含有中央處理單元，以處理追蹤及導航的算法而實現衛(wèi)星信號追蹤及幾何定位的計算。中央處理單元也負責與存儲器芯片的地址/數據運算及與外部I/O的接口如UART的數據交換。這樣的傳統(tǒng)架構存在著一些無法解決的問題；如：接收靈敏度低，功耗功率大，GPS接收機尺寸大等。1.2 軟件GPS接收機的架構限于目前的硬件技術水平，在軟件GPS接收機中射頻前端芯片仍是必需的。這種GPS接收機的架構如圖1所示。圖1 軟件GPS接收機架構天線接收GPS衛(wèi)星信號，經過RF前端，輸入信號的幅值被

5、適度放大，頻率轉換為期望的輸出頻率；ADC（A/D轉換器）將上述輸出信號數字化；天線、RF前端和ADC 仍由硬件實現。在信號數字化以后,全部處理交由軟件實現.信號捕獲就是為了發(fā)現某一衛(wèi)星的信號，信號跟蹤則是找出導航數據的相位轉換。在傳統(tǒng)接收機中，捕獲和跟蹤信號是由硬件實現。根據導航數據的相位轉換，可以獲取導航數據的子幀，進而得到星歷數據和偽距，從星歷數據可確定衛(wèi)星的位置。 最終，用戶位置可通過衛(wèi)星位置和偽距計算得出。 至于軟件平臺，它可以是數字信號處理DSP（Digital Signal Processing)芯片，也可以是通用PC平臺。在接收機中盡可能接近天線的位置使用ADC將輸入信號轉換為

6、數字信號。一旦信號被數字化，由軟件實現的數字信號處理將用于獲取需要的信息。軟件無線電的主要目的是硬件使用與變化最小化。理論上，通過軟件可以調整、甚至改變無線電的功能，從而可以具有極大的靈活性。與傳統(tǒng)GPS接收機相比，軟件實現賦予接收機一些新的優(yōu)越特性；如：數字處理模塊更靠近接收機天線，導致定位或測量精度的提高；軟件實現帶來的靈活性、擴展性強和易升級維護性，有力支持引入新的設計，并最小化實現的代價；硬件組件得以簡化及通用，設備成本及功耗得到了降低等。2 軟件GPS接收機的車載導航系統(tǒng)設計2.1 車載導航系統(tǒng)設計的關鍵問題車載導航系統(tǒng)的設計主要是圍繞著3個問題展開的。這3個問題就是：如何知道當前所

7、處的位置，如何找到目的地的位置，如何正確地到達目的地；目前國內市場上有很多款導航軟件，但它們在總體功能的設計上沒有太大的差異；所以本文就以北京靈圖軟件技術有限公司的靈圖天行者導航軟件為背景加以說明。首先需要解決的問題是如何確定當前所處的位置。通過GPS接收機可以獲得當前點的位置信息，結合地圖數據便可以很容易顯示當前點的地理位置。GPS接收機可以通過串口或藍牙方式與計算機系統(tǒng)進行數據的傳輸。靈圖天行者設計中采用了一個獨立的GPS模塊來接受和解析GPS信息。在導航系統(tǒng)啟動的過程中程序首先檢測GPS接收機所對應的串口號以及傳輸波特率，然后調用GPS模塊從獲得的串口中獲取NMEA數據，并對所獲得的數據

8、信息解析把所獲得的信息包括經緯度，時間，方向角等信息傳送至上層的接口；這個獨立的模塊很好地解決當前位置確定問題。調查顯示，人們查找目的地方式有2種：一種是查找具體的目的地的名稱，另一種就是通過瀏覽地圖獲取目的地大概的位置。這2種方式解決目的地的問題，它們分別是通過檢索地圖數據來獲得目的地和瀏覽地圖指定目的地來實現的。在靈圖天行者導航系統(tǒng)中設計了“名稱查找”、“快拼查找”、“當前點”等功能去實現這2種查詢方式。最后需要解決的問題是如何正確到達目的地。這個問題的解決過程中主要需要關心2個問題；首先是路徑規(guī)劃；即從起始點到目的地之間計算出一條有效的路徑；其次就是路徑引導；是指在車輛行走的過程中按照G

9、PS所確定的位置來確定車輛行走的道路。這一模塊的設計是導航系統(tǒng)的重點，也是難點。2.2導航系統(tǒng)中GPS模塊的設計在了解了設計一個車載導航系統(tǒng)所必需要解決的關鍵性問題后，然而如何設計好導航系統(tǒng)的這些關鍵模塊是一件非常困難的工作；如：路徑引導和路徑規(guī)劃模塊的設計中需要考慮到如何在偏航情況下快速地進行路徑的重新規(guī)劃，如何在高架橋、交叉路口、平行路路況下正確“抓取”正在行駛的道路等一系列問題。因此，本文就其中的GPS模塊的設計進行一些探討，并設計出一個兼容傳統(tǒng)GPS接收機和軟件GPS的GPS模塊。串口和藍牙方式是車載導航系統(tǒng)中常用的與GPS接收機連接的方式，軟件GPS接收機在內部架構上與傳統(tǒng)的GPS接

10、收機存在很大的差異，但在輸出接口上與傳統(tǒng)的方式保持了一致；所以軟件GPS接收機也是以藍牙或者串口方式與系統(tǒng)相連接，所以本文從連接方式出發(fā)設計了如圖2所示的GPS模塊方案。GPS模塊響應上層發(fā)出的掃描GPS接收機命令，由系統(tǒng)的配置文件設定預先打開的連接方式，若設定的打開方式打開失敗，系統(tǒng)會自動切換到另外一種打開方式，在串口打開方式中還需要確定設備對應的串口號與波特率，藍牙直接連接方式則不用，若打開成功，系統(tǒng)將返回GPS連接成功標志。確定了GPS連接成功后，系統(tǒng)就可以從GPS接收機獲得導航過程所需要的信息以及GPS狀態(tài)信息。如：位置，時間，方向角，海拔，衛(wèi)星數，信噪比等。由于GPS接收機本身的原因

11、，串口數據傳輸策略，以及一些特殊的地理環(huán)境的影響，使得獲得的GPS數據并不完整，所以在解析GPS數據之前需要對GPS數據進行有效性檢查，舍棄那些無效數據；解析完整的GPS數據串，最終把解析結果傳遞到上層。圖2： GPS模塊結構圖2.3實驗及結果為了驗證本文所描述的GPS方案在軟件GPS應用方面的有效性以及軟件GPS在車載導航系統(tǒng)上是否具有實用價值，通過以下的實驗進行了驗證。本文的測試環(huán)境是windows XP平臺，導航軟件是：靈圖天行者6 PC版本。實驗中重點測試了2種類型GPS接收機在首次定位時間、靈敏度、精度測試、速度精度等方面性能參數。由于軟件GPS與傳統(tǒng)GPS之間架構不同，所以實驗沒有

12、在CPU、內存消耗方面作對比測試；此外，為了實驗的準確性，本文測試采取以多款傳統(tǒng)GPS接收機的測試結果取平均值作為與軟件GPS對比測試的結果。本文所使用的軟件GPS接收機采用USB2.0，以NMEA0831為輸出數據標準，連接是采用虛擬串口的形式；表1分別顯示了對比測試各方面的結果。定位模式下，軟件GPS接收機在Pentium M 1GHz的環(huán)境下所消耗CPU資源為13%。在各種路況條件下進行測試，軟件GPS接收機在靈圖天行者平臺上能夠很好地進行定位；此外，從表1所列出的數據可以看出軟件GPS接收機在所測試項目上的表現都已經達到并超過了傳統(tǒng)GPS接收機的標準，但是在測試過程中也發(fā)現軟件GPS自

13、身的原因導致的程序異常的現象和漂移現象。所以軟件GPS接收機也存在一些自身特有與傳統(tǒng)的缺陷。 表1： 軟件GPS接收機傳統(tǒng)GPS接收機精度水平精度2.1 m CEP< 2.2 m垂直精度4 m CEP< 5m移動速度精度0.1 m/s0.1 m/sTTFF冷啟動35 s42 s暖啟動38 s38 s熱啟動6 s1 s重新搜索時間< 0.2 s0.1 s靈敏度精度-155 dBm-159 dbm 3結論本文主要闡述的基于軟件GPS接收機的車載導航系統(tǒng)的設計方案，并說明了軟件GPS接收機的架構，結合實驗論證了軟件GPS接收機在車載導航方面的可行性。由于軟件GPS接收機在尺寸大小、功耗上占有先天的優(yōu)勢，使得GPS能夠內建于各種手持設備內部，使其應用會更為普遍。目前市場上絕大部分PDA以及智能手機的處理器以