CDMA网络智能车载导航终端的优化设计

    结合gpsOne定位技术、CDMA通信技术和GIS技术的智能车载终端，可与控制中心配合，实现对车辆的导航、报警和监控等多种应用。gpsOne是一种混合定位技术，它综合了GPS和无线网络的优势，具有适用性广、精度高、定位时间短和成本低等特点。

    本文提出智能车载导航仪的优化设计方案，剖析gpsOne的定位原理，探讨系统开发中的多项关键技术，并给出一个基于ARM和Linux平台的工程实例。

1 概述

1.1 定位业务的产生背景

    随着移动通信的发展，电信服务商与制造商除了语音传输外，纷纷推出各种增值数据业务与设备，以寻找新的收入来源。消费者也希望手机除了通话、收发邮件、上网外，还能有其他功能。国家基础地理信息中心的统计数据也表明：人们日常生活信息中有80％与空间位置有关，而企业所使用的信息中有59％的信息与空间位置有关。因此，作为最富潜力的增值应用平台之一，移动定位业务，即基于位置的业务LBS（Location Based Services），正受到前所未有的关注。它可以提供诸如导航、基于位置的付账、位置信息服务、网络规划和管理、财产追踪、个人定位服务、娱乐和紧急救援等多项应用。

1.2 车载导航仪的发展前景

    为了缓解现代城市交通的压力，近年来又出现了将最新的通信网络技术、卫星定位技术和地理信息技术相结合的ITS（Intelligent Transport Systems，智能交通系统）。ITS可以对机动车辆实施定位、报警、监控、调度、救援或防盗等多种功能，大幅度提高交通管理质量，不仅可以合理利用和充分发挥现有道路的交通潜力，有效解决交通拥挤的现象;而且能提高车辆的营运效率，降低营运成本。

    ABI、IEK 2002年10月的研究报告就指出，全球GPS市场保守估计自2000年到2006年的年复合增长率（CAGR）约为24%，2006年产值约340亿美元。在目前卫星导航应用领域中，智能交通管理所占的比重最大，约占市场总量的40%。

   目前及将来绝大多数GPS应用产品以陆上导航及定位系统为主，占约70%以上，且比例逐年升高。汽车导航、通信应用、车队追踪管理，到2006年将成为陆上导航产品的主导。我国现有430万辆货运车，170万辆客运车，450万辆轿车及各类船只90多万艘，如此大的汽车和船只保有量对导航终端产品和服务存在着迫切需求。

    基于以上分析，研制开发车载移动定位终端，依托CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）网络传输平台，与控制中心配合，实现车辆的定位、导航、报警、监控、调度以及其他基于位置的各项增值服务，可广泛应用于出租汽车行业、物流企业、大型企事业单位公务车辆管理及私家车和小型公司车辆，市场潜力巨大。

2 智能导航终端的系统原理及特点

2.1 gpsOne系统简介

    采用适当的定位技术获得位置信息是实现对车辆的导航和调度等位置服务的必要前提。本系统的移动定位解决方案，采用了美国高通（QUALCOMM）公司研制开发的gpsOne专利技术。

    总体结构到2003年2月止，已有超过1000万部gpsOne终端在日本、韩国和美国投入商用，超过了全球所有制造商的商用GPS终端销量总和，成为世界上使用最广泛的移动定位系统。传统的无线定位技术按照起主导作用的实体所处的位置基本可以分为两大类：基于网络的方案和基于移动台的方案。基于网络的方案需要移动台发出信号并且由多个固定位置的基站接收，通过测量移动台到基站的信号的特征参数，再根据特定的算法判断出被测物体（移动台）的位置。

    常用到达角AOA（Angle Of Arrival）和到达时间TOA（ Time Of Arrival）等技术。当信号较弱时，这种方案的定位精度会下降，还会受基站的覆盖范围、电波绕射、多径效应等影响。此外，这种方案还需对基站进行改造，增加了额外的升级费用。基于移动台的方案，最典型的是使用全球卫星定位（GPS）系统，由24颗人造卫星和配套的地面站组成。接收机（移动台）只需要接收到三颗卫星的信号，分别测量出到它们的距离，就可以计算出自己的位置。

    除了接收机价格昂贵外，这种方案还有较长的“初次捕获时间”或“首次定位时间”TTFF（Time To First Fix），尤其当接收机冷启动工作时，需要十多分钟才能完成对卫星的搜寻。而且，若移动台处于室内、高大植物、建筑物或卫星信号无法覆盖的地方，由于可见的GPS卫星数量较少，定位效果很差，甚至无法完成定位。

    尽管网络和GPS都不适合单独作为一套具有商用价值的定位方案，但它们之间可以取长补短。比如在基站覆盖不全的乡村和郊区，GPS接收机却可以搜索到四颗甚至更多的卫星。相反，在密集的城市地区和高大建筑物内，虽然GPS接收机检测不到足够的卫星，但移动台可见的基站却有两个或更多。高通公司借助CDMA网络开发出的gpsOne定位方案，是一种混合的无线辅助全球定位系统（Hybrid AGPS），不仅精度高，而且适用于各种地形，包括室内、密集城市地区和网络覆盖有限的乡村。它综合利用了无线蜂窝网和GPS卫星二者的优势，极大提高了定位方案的可用性、灵敏度和精度，并且甚至只需要一颗卫星和一个基站就可完成定位。

    高通的某些CDMA芯片组中已经集成了gpsOne功能。这不仅降低了支持gpsOne功能的移动台的制造成本，也使整个方案部署起来快捷简便，无需对已有的网络设备做昂贵和复杂的改造，更不需要增加新的基站。此外，它遵从工业定位标准，支持漫游，并和已有的GSM网络兼容，最大限度地减少了网络改造开销。

2.2 gpsOne系统定位原理分析

    gpsOne的定位过程主要涉及两个活动：信号测量和位置计算。需要收集的待测信号不仅包括GPS卫星群发送的定位信息，还有来自无线网络的定位信息。gpsOne体制本身很灵活，允许在各式网络配置中采用不同的已成熟的无线电定位方法，如源小区COO（CellID Of Origin）技术或高级前向链路三角定位AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）技术等。这也正是“无线辅助”和“混合”的含义所在。此外，系统还需要另外两个组成部分：GPS卫星广域参考网络（WARN）和基站位置信息数据库（BSA）。

    AGPS的具体工作原理如下：

① 用户（移动台本身或监控中心）发出定位请求，然后移动台将其所在基站ID信息通过无线网络传输到位于网络中位置服务器（也称作定位实体，PDE， Position Determining Entity）。

② 位置服务器根据该移动台的大概位置，通知移动台应该监听哪些与其位置相关的GPS卫星的定位信息（包含GPS的星历和方位俯仰角等）。

③ 移动台根据位置服务器提供的辅助信息（主要用以提升GPS信号的TTFF能力），接收可见的GPS卫星群的原始信号。

④ 移动台解调信号，计算它到所有可见卫星的伪距（伪距为受各种GPS误差影响的距离）;同时利用上述各种无线电定位技术收集多个临近基站的信号并测量出它到各个基站的距离，并将有关信息传送到位置服务器。

⑤ 位置服务器根据传来的GPS伪距和其他定位设备（如差分GPS基准站等）的辅助信息，通过一系列纠错算法，计算出该移动台的精确位置（包括经度、纬度和海拔高度）。

⑥ 位置服务器将位置信息发送给该移动台、第三方服务提供商SP（Service Provider）、定位网关或其他位置服务（LBS）应用平台。

    以上过程中，当定位请求短消息发出后，移动台就会主动建立到PDE的TCP连接，与PDE之间通过端到端的IP会话完成遵从IS-801（工业定位标准）的定位过程，最后由PDE将经纬度信息返回给SP。信号测量和位置计算的活动，可以放在移动台上或网络侧进行，或二者兼而有之。