车联万物突破卫星/蜂巢技术兼容困境车辆追踪系统性能倍增

车辆追踪系统市场正快速成长，北美、欧洲和亚洲地区皆有不少国家已强制规定汽车须配备此套系统；然而不同国家、地区...



车辆追踪系统市场正快速成长，北美、欧洲和亚洲地区皆有不少国家已强制规定汽车须配备此套系统；然而不同国家、地区所部署的卫星和蜂巢式通信技术不尽相同，车厂遂倾向使用可同时支持多重卫星系统和蜂巢技术的解决方案，以兼顾产品性能与市场需求。

车辆追踪系统的市场正快速成长，北美和欧洲主要的商用汽车都已经采用这项技术，而亚洲和新兴市场对此技术的接受度也有急遽成长的趋势。日前的一项市场研究指出，全球车辆追踪市场产值将从2013年的109亿1,000万美元，成长至2018年的304亿5,000万美元，年复合成长率（CAGR）高达22.8%。应用效益彰显车辆追踪系统受青睐

推动车辆追踪系统获得商用和私人汽车市场采用的主要因素有：

• 较低的物流成本

集装箱装载的最佳化，改善路线、库存水准最佳化，以及提升营运状态总览。

• 为终端客户提供更佳的服务

即时与历史性的位置回报。

• 增加安全性

运送货物的防盗侦测和追踪。

• 协助失窃货物/车辆寻回并预防燃料遭窃
• 监测CO2排放量、燃料效率和车辆安全。
• 驾驶员管理和驾驶行为记录
• 为私人和商用汽车提供大规模紧急呼叫系统。
• 政府强制规定，新车须配备追踪技术。
• 卫星定位接收器和蜂巢式模块的成本与尺寸降低，并增加性能。
• 利用记录的定位、方向、速度和加速数据重建意外事故，以协助保险理赔。
• 追踪单元和天线的微型化，可实现精巧外壳尺寸的隐藏式安装。
• 功率需求较低，能延长电池寿命及采用太阳能供电装置，特别适用于车上没有电源供应的追踪装置。
• 便利连接至全球的公共和私有网站与智慧型手机应用程序，包括与网际网络通信协定第四版（IPv4）和网际网络通信协定第六版（IPv6）兼容的调制解调器（如Google Maps、Google全球卫星定位系统（GPS）和各种业者开发的特定应用程序）。

由于越来越多的业者在制造汽车、消费性和工业商品时，会在全球各地进行元件的采购；而此趋势的持续发展，已使得车辆追踪市场展现出无穷的潜力。典型的汽车、工业机械或消费性产品是由上百种元件组成，这些元件必须从全球各地不同角落长途运送到制造工厂。对食物这类的原料和易损坏物品来说，也是同样的情形。

车辆以及有效装载（Payload）追踪系统能提升物流的成本效益与及时送货，并同时提供货品在路途中的追踪状态概要。它们还能增加防盗安全性，并监测车辆与货车的安全与驾驶行为（图1）。政策推波助澜车辆追踪系统渗透公共交通

车辆追踪系统也适用于车队管理，像是出租车车队、公共交通系统（图2）。全球的车辆追踪功能迟早都会被建置在所有的公共交通系统中，只是时间早晚而已。由于政府强制规定，所有的新型私人和商用汽车，都一定要安装紧急呼叫系统，如欧洲的紧急救援（eCall）和俄罗斯的紧急呼叫（ERA-GLONASS）系统，因此在车辆发生碰撞时，能自动寻求协助的紧急呼叫系统市场，也正快速成长中。

车辆追踪系统设计须面面俱到

要设计一台符合上述各种情境的车辆追踪系统时，有几个硬件因素须纳入考虑：

要能与多种GNSS系统兼容

GPS已不再是唯一可用的全球导航卫星系统。俄罗斯GLONASS现在已正式营运，中国大陆的北斗卫星系统、日本准天顶卫星系统（QZSS）已部分运作，欧盟伽利略（Galileo）系统也将于2019年正式上线。因此，对于追踪系统的遵循标准需求来说，也会因兼容于单一系统或多重系统而有所不同，并且要考虑是仅在某段时间内支持其中一种系统，或是提供并存的功能性（图3）。这些需求主要取决于追踪应用要在哪里使用；信号微弱的环境，如大楼林立的都会区或北极地区，由于卫星信号较弱，可能须要采用平行的GNSS系统。政府的法令也是另一个考察。举例来说，在俄罗斯，ERA-GLONASS就需要GLONASS兼容性；中国的北斗卫星系统也是如此。性能需求可能会要求车辆追踪系统能同时与多种GNSS系统兼容，以期能在更短的定位时间内存取更多卫星信号，同时操作可靠度更高，特别是在大楼林立的城市中更是如此。

须与多种行动通信标准兼容

在追踪装置中采用全球行动通讯系统（GSM）/通用封包无线服务技术（GPRS）（2G）标准是非常容易的，因为这个标准已普遍获得全球的采用。但GSM/GPRS已逐渐让位给下一代3G标准，特别是通用行动通讯系统（UMTS）/高速封包存取（HSPA）、CDMA2000（在美国）和长程演进计划（LTE），这些标准在世界各地部署的脚步并不一致。而且，目前市场上有许多区域性的3G和4G标准衍生版本，都是在不同的频段上执行。

当依赖非正规途径（Backchannel）的行动通信做为车辆追踪之用时，一旦当车辆和集装箱，以及飞机、船舶或火车进入到采用不同3G和4G标准的区域边界时，这时追踪系统与这些标准的兼容性就会变得非常重要。这些需求得透过多重标准无线调制解调器来满足，而且最好能获得电信业者的认证。

同时，我们也需要可支持不同标准（GSM、UMTS、CDMA、LTE）的蜂巢式调制解调器，这些调制解调器最好能装置在相同印刷电路板（PCB）的位置上，在设计不同区域版本的追踪系统，或从2G升级到3G升级到下一代追踪技术时，才能降低硬件成本（图4）。能在卫星信号接收不良区域运作

对追踪应用来说，GNSS卫星可视性是计算位置的重要关键。GPS/GNSS卫星能从2万公里的高空，以约30瓦的功率传输信号，同时须要锁定四个卫星才能进行定位。但在室内（如仓库、车站或停车场内）或当接收器被放置在金属集装箱内时，追踪系统便会失去作用。对追踪应用来说，这个问题能透过几种技巧来解决。

• 航位推算（Dead Reckoning）

利用可以回报距离和上一个已知位置间的方向变化的感测器数据，可增强接收器的功能。这项技术已普遍建置在汽车导航系统中，即使在隧道中，导航功能也不会中断。

• 三维（3D）惯性导航

由于多层高架式高速公路、停车场和仓储的兴建已日渐普遍，在完全没有GNSS卫星信号时，还能知道车辆或集装箱的3D位置是非常重要的。透过在传统的惯性导航技术中增加车辆的加速计数据，3D惯性导航便能解决此问题（图5）。加速计可测量相对于垂直高度存取（Vertical Access）的重力向量。向量会随着车辆倾斜方向的改变而改变。当此数据与行驶距离结合时，就可计算出高度的变化。

• 室内定位用的混合式定位技术

增加第二个能依据行动或无线区域网路（Wi-Fi）蜂巢数据来估算位置的平行系统，能在GNSS卫星被阻挡时，提供额外的可用信息。相较于毫无定位信息，当要追踪贵重货品或车辆时，即使大概位置可能是在数百公尺或甚至几公里的范围内，也是可以接受的。

须采用整合式GNSS天线

另一考察是采用内置整合式天线的GNSS接收器模块。此概念对采用外部天线并要求当天线毁损或连接中断时，如汽车处于严苛环境中，系统仍不能中断执行的车辆应用时特别有用。整合式天线设计是这类应用的理想选择，其包含一个可以做为主要天线的内部天线，亦或做为备用天线之用，当外部天线失效时，便可发挥作用。

良好的抗干扰信号性能

接收器的外部噪声抗干扰（Jamming）特性是卫星定位系统选择元件的关键因素。当出现从邻近蜂巢式调制解调器或恶意干扰信号而来的噪声时，追踪系统锁定微弱卫星信号的能力对于它是否能提供正确的位置数据有极大影响。妥善的天线位置是避免此问题的一个重点，且每个GNSS接收器的性能在面对干扰信号时，会有很大的差异。因此在选择GNSS接受器时，干扰信号出现时其定位性能的数据，必须要列入考虑。

采用汽车级元件

最后，但与上述所有讨论重点同样重要的是，车辆追踪应用须采汽车级元件。所谓「汽车级」是一个相对的名词，其定义依制造商和终端客户有所不同。但至少每一台调制解调器和GNSS元件（及设计中采用的其他所有元件），都应该通过AEC-Q100标准认证，并由符合ISO/TS 16949规范的工厂制造，及在工厂通过系统级全面性测试。认证测试须依照ISO16750标准来执行，亦即「道路车辆--电气与电子设备的环境条件与测试」标准。

兼容新旧技术车辆追踪系统设计更周全

车辆追踪已成为私人、商用与公共交通的标准需求，在设计上须考察区域性卫星和蜂巢式技术兼容性，并在卫星信号衰减或微弱的定位区域中持续运作，易于硬件更新与升级，抑制无线干扰信号，以及遵循汽车质量要求。

由于车辆追踪装置预期的生命周期很长，及须在大规模地理范围内拥有可靠性能，因此业者在设计时，不仅要采用目前的最新技术，还要进一步考虑此系统预期的生命周期，才能制定出周全的设计方案。

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下期活动预告活动时间：2016年4月23号活动主题： ADAS的系统设计和开发

活动内容： ADAS的系统设计、系统开发、开发工具讨论

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