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GPS追蹤器的設計關鍵與整合規劃
 

【作者: 蔡金源】   2009年12月01日 星期二

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GPS應用越來越廣泛


近年來,GPS在消費性電子與通訊電子領域不斷拓展其市場,智慧型手機自今年起大量整合GPS功能,iSuppli預測到了2011年,幾乎所有的智慧型手機都將整合GPS功能。愈來愈多的手持裝置包括Netbook、MID甚至是數位相機,同樣強調支援GPS的定位功能。



消費電子產品市場主要偏重在導航與位置服務(LBS)等定位應用。另有一個定位追蹤應用的新興市值得注意。常見的是對人或資產的安全或防盜追蹤,在對人的追蹤應用上,主要針對老人、小孩及病人等特定對象,透過專用的GPS追蹤器(GPS Tracker),可以隨時回報使用對象的位置、按下緊急按鈕時則可傳送警示訊息及位置資訊,或啟用專線通話功能。當然,追蹤對象也可以是犯人或任何個人。



《圖一 Location Based Technologies公司的定位產品PocketFinde採用u-blox的軟體GPS與GSM方案,口袋大小,可用來追蹤人或寵物》


另一個極受重視的應用,即是對重要資產的監控與防盜功能。這項應用最早用於汽車市場,例如各大車廠為出廠汽車所提供的失車尋回功能。目前手機中也開始提供此項服務,最有名的即iPhone所提供的“Find My iPhone”功能。一旦iPhone不慎遺失,使用者可透過Mobile Me服務中的Find My iPhone功能來傳送一個訊息給自己的iPhone,並強迫iPhone發出聲響,同時傳回iPhone當下所在的位置,甚至可以從遠端下指令將手機的資料清除,以免重要資料外洩。



前不久一名芝加哥的iPhone用戶,即成功利用此功能尋回自己的iPhone,讓小偷大為吃驚。很顯然地,每個人身邊都有一些重要的隨身資產,除了汽車、手機,還有筆電、自行車、名牌皮包、寵物等等,相信很多人都有遺失或失竊的心痛經驗,例如愈來愈多人喜歡騎自行車,但即使上了鎖仍很容易遭竊,若能在出廠時即在支架中加裝GPS追蹤器,尋回愛車的機會就大幅增加。



這些資產都是GPS追蹤器的潛在市場,未來的應用成長必然相當驚人。然而,GPS追蹤器的應用不僅止於消費性的應用,還有更大的商機在於公共運輸、工業、公共環境、醫療、研究等用途。舉例來說,車隊管理就是最常見的應用,為公車、計程車、砂石車等加裝追蹤器,即可管控車隊的行程。在生態研究上,也可為野生動物掛上追蹤器來了解其移動作息狀況。



重要資產的監控與防盜功能也受到重視,汽車是最早的應用領域,目前手機中也開始提供此項服務,最有名的即iPhone所提供的Find My iPhone功能。除此之外,GPS追蹤器可應用於公共運輸、工業、公共環境、醫療、研究等用途。




《圖二 台北市公車動態資訊系統入口網站:GPS/GPRS結合的實現》




GPS追蹤器設計關鍵


就GPS追蹤器的設計上,要實現行動追蹤的能力,有兩大關鍵,一是GPS定位,一是透過行動網路回傳定位資料。因此,一台GPS追蹤器的主要組成單元為GPS接收器和行動數據機,這兩者往往就佔系統近8成的成本。如何提升定位性能和傳輸可靠性、延長電池壽命,以及降低系統成本及設計複雜度,則是GPS追蹤器需考量的設計重點。



提升定位靈敏度


PND的導航運用上以室外環境居多,因此多著重定位時間(TTFF)及準確性的設計要求,對於靈敏度(sensitivity)的能力反而沒有那麼重視。不過對於個人或資產的追蹤用途來說,被追蹤對象經常會進出室內或天空有遮蔽的環境,這時一般靈敏度不高的GPS接收器立即失去定位能力,追蹤器可能馬上失效。即使轉為基地台三角定位,但因誤差範圍大,追蹤上的可用性較低。



晶片架構及演算能力是決定GPS接收器靈敏度的關鍵。衛星傳輸的功率輸出大約是30 W,而高度為離地表2萬公里。當我們在開放空間(Open sky)的室外接收時,其訊號強度已衰減到大約-120 dBm(1×10~15W);當移動到有遮蔽的環境中,大概還要加上20~30dBm的衰減。因此,一般達到-145dBm的GPS接收器仍無法滿足追蹤器的需求,目前廠商已可做到-160dBm的靈敏度。



以u-blox的AMY模組為例,已可以做到-160dBm的靈敏度。這個程度的靈敏度能大幅改善追蹤器的使用範圍,即使處於室內,只要近門窗邊,追蹤器仍能正常的工作,這讓小孩、老人、病人或貴重資產的看護、追蹤能夠更為完善。當然,如果對象移動到離窗戶很遠的室內、地下室或進入隧道中,由於GPS訊號已衰減太多,那就很難再進行定位。



支援A-GPS輔助定位


一般採自主定位(Autonomous Positioning)的GPS裝置必須要在訊號條件佳的開放天空中接收到4顆以上的衛星,才能順利解出終端用戶所在的位置;不僅如此,此設備的GPS接收器還得不間斷地接收30秒以上的時間,才能將GPS衛星訊號完整收齊,接著才能進行定位計算。因此,在冷啟動(cold start) 的條件下,定位成功的時間(Time to first fix;TTFF)往往需要30秒到數分鐘的時間。



要加速GPS追蹤器的定位速度,最好的方式是支援A-GPS服務。此作法是預先為GPS接收器提供需要的衛星訊號,包括衛星的星期時間(Time of week;TOW)、廣播星曆(Broadcast Ephemeris)、電離層參數及萬年曆(Almanac)等。如此一來,GPS接收器可跨過這些資料的接收瓶頸,進而加速定位的時間,一般可以做到1秒鐘即定位完成。請參考圖一所示。




《圖三 冷啟動時,具有Ephemeris或差分Almanac修正資料的A-GPS終端器能快速的定位 》


資料來源:u-blox




要取得這些輔助資料有兩種方式,一是即時性的透過GSM、GPRS、CDMA或UMTS等行動通訊系統來取得,也就是連線式的A-GPS(Online A-GPS);另一種是採離線方式(Off-line A-GPS),也就是依使用者的方便,透過行動網路或直接由網際網路預先下載衛星資料,當需要時就能做為輔助定位之用。u-blox也對此提出AssistNow Online和AssistNow Offline的解決方案,其中AssistNow Online強調提供連線品質的保證,而AssistNow Offline則透過專屬的AlmanacPlus®演算法來提升軌道預測的準確度,有效時間也能延長到14天(一般離線方案的有效時間只有5~10天)。



提升行動數據機可用性


GPS追蹤器的定位資料需靠行動數據機(及無線通訊收發器模組)發送出去,運用的行動網路可以是GSM、GPRS、3G或HSDPA/HSUPA等系統。由於資料量並不大,一般以GSM或GPRS系統即可滿足。對於GPS追蹤器來說,其行動數據機的選擇上需評估各種支援能力,包括多頻支援、語音支援、AT Command支援等。採用GSM系統是以簡訊方式發出,在數據傳輸時採用與語音相同的電路交換方式,需要預先建立從發送端到接收端的持續連接,在通信過程中無論有無數據傳出,始終獨佔著信道。GPRS則是基於封包交換的一套無線數據傳輸方式,可以在不浪費網路資源的情況下實現較高速的數據傳輸。



以u-blox的LEON模組為例,它能支援850/900/1800/1900 MHz四個頻段、HR/FR/EFR/AMR語音功能,以及AT Command的標準及延伸介面(UDP/IP、TCP/IP、GPS、Aiding、ADC、GPIO等),同時也支援SMS短訊及電路交換資料(Circuit Switch Data, CSD)等功能。




《圖四 GSM/GPRS收發器模組架構(以u-blox LEON為例) 》


資料來源:u-blox




進一步來看,因應用的不同,追蹤器對數據機的要求也會不同。在基本的運用上,數據機只需提供標準的資料通訊(如UDP/IP和TCP/IP堆疊),以及類比音訊功能,並透過UART進行韌體升級。如果傳輸的資料量較大,也可選擇支援FTP、HTTP、SMTP等網路功能的方案。



其他的選擇要領包括小型化、低功耗、符合電信規範等。在封裝上採用表面黏著技術(SMT)可做到佔位面積很小的目標,這是因為SMT焊墊(pad)只在封裝的兩側,與球閘(Ball-Grid)或柵格(Land-Grid)陣列方案相比,不但安裝簡單、PCB佈局成本較低,同時可簡化品管作業。



低功耗表現


GPS追蹤器除強調小型化的可攜性外,也要求長時間的電池使用壽命,因此GPS接收器與行動數據機的功耗表現是重要的評估關鍵。對於GPS接收器而言,基頻和射頻單元所需的最低運作電壓並不相同,因此分別提供電壓源能有效降低功耗。



以u-blox的GPS模組(AMY)為例,它讓系統能為基頻及射頻分別提供1.4 V及1.8 V的電壓源,因而能達到僅64 mW的追蹤功耗表現;如果提供1.8 V單一電壓源,模組的功耗為72 mW,3V的功耗則為120 mW。在數據機方面,以LEON模組為例,待機時做到只有小於1.6mA的電流損耗,即使在GPRS的通訊工作中,也能保持小於350mA的損耗。



GPS與數據機的整合規劃


一般GPS追蹤器的作法會將GPS接收器和GSM/GPRS收發器模組分別接到微控制器(MCU),兩者之間獨立作業。不過,當追蹤不到目標時,這種作法容易造成GPS定位失敗或GSM斷訊的責任不清問題。此外,其運作上需佔用較多的微控制器運算資源,也需用到較多的傳輸介面。因此,GPS接收器與GSM/GPRS收發器模組的整合會是更理想的設計架構。



在整合型的架構中,微控制器透過GSM/GPRS收發器模組與GPS接收器溝通,也就是GPS接收器定位後的NMEA訊息資料會經由收發器模組傳送給微控制器,因此微控制器只需以一個UART介面與GSM/GPRS收發器模組相連即可,而收發器與GPS接收器則透過簡單的I2C(DDC)介面結合在一起,請參考圖三。



《圖五 GSM/GPRS收發器模組與GPS接收器整合架構 》

資料來源:u-blox


在此架構下可以省下從GPS接收器到微控制器的UART介面,並重覆使用現存的語法分析器(parser)。對於GPS的控制則可採用標準或延伸的AT Command指令。AT command是當數據機處於指令態時,由資料終端設備(Data Terminal Equipment;DTE)送給資料通訊設備(Data Communication Equipment; DCE)的一串文字,透過AT Command指令集可以進行控制及資料傳輸。



除了GPS接收器及行動數據機外,GPS追蹤器的架構中需整合對A-GPS的支援,才能得到令人滿意的表現。圖四為整合u-blox AssistNow A-GPS功能的追蹤器架構,當微控制器啟用AssistNow功能,LEON收發器模組會自動下載A-GPS的衛星定位輔助資料,並自動將資料提供給u-blox 5 GPS接收器。此架構能夠提供更佳的GPS表現和更快的TTFF;對於微控制器來說,不需佔用微控制器的運算資源,也不用為整合A-GPS而投入軟體開發的人力。




《圖六 整合u-blox AssistNow A-GPS功能的追蹤器架構 》


資料來源:u-blox




結論


GPS追蹤器是一項應用廣泛且商機龐大的新興產品類型,舉凡對小孩、老人、病人等特定對象的看護追蹤;汽車、手機、自行車、名牌皮包等重要資產的防盜追蹤;或車隊管理、野生動物研究等特定追蹤計畫,都是GPS追蹤器的目標市場。



然而,有別於導航應用,追蹤器經常被使用於衛星訊號較弱的環境,因而必須在定位能力及通訊整合上有更高的要求。GPS接收器靈敏度的提升,是讓突破今日追蹤器使用限制的一大關鍵,當靈敏度提升到-160dBm左右時,即時小孩在教室中,或老人在狹窄的巷弄中,也能夠有效的追蹤到他們的位置。



追蹤器內的核心模組為GPS接收器與行動數據機,過去在設計上常需投入相當資源進行整合開發,但使用時仍經常會發生不明斷訊的問題。為了解決這個瓶頸,u-blox提出GSM/GPRS收發器與GPS接收器的整合架構,讓兩者緊密地一起工作。如此一來,不僅能簡化設計、減低主處理器的工作負擔,也能自動支援A-GPS服務,提升追蹤器的定位速度。這種GPS、GSM/GPRS與A-GPS的整合設計,將是GPS追蹤器未來在設計上的必然趨勢。



(作者為u-blox台灣分公司產品應用工程師)



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