將GNSS模塊用于實(shí)時定位系統(tǒng)設(shè)計

資產(chǎn)跟蹤是一項(xiàng)重大業(yè)務(wù)。隨時了解貴重物品的高度準(zhǔn)確性可提高生產(chǎn)率，增強(qiáng)安全性并降低成本。然而，資產(chǎn)跟蹤僅限于高價值物品，因?yàn)楦哔|(zhì)量的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收器可能難以設(shè)計和實(shí)施，昂貴且耗電。

模塊化GNSS解決方案的引入通過提供緊湊，相對便宜和低功耗的替代方案，專門設(shè)計用于將資產(chǎn)跟蹤擴(kuò)展到更廣泛的應(yīng)用程序，更容易實(shí)現(xiàn)。盡管如此，仍有許多模塊可供選擇，它們都對電源質(zhì)量敏感。此外，電池供電的終端產(chǎn)品需要特別注意模塊的低功耗模式。

本文介紹了一些GNSS模塊，并解釋了如何將它們用作實(shí)時定位系統(tǒng)（RTLS）的基礎(chǔ)。文章介紹了如何設(shè)置模塊以獲得最大靈敏度，與主機(jī)微控制器的通信，快速衛(wèi)星采集以及最佳功率效率。

GNSS的基礎(chǔ)

GNSS RF接收器采用衛(wèi)星星座的優(yōu)勢，如美國的GPS，俄羅斯的GLONASS或歐洲的伽利略，可以讓室外移動資產(chǎn)的精確度達(dá)到幾米或更高。

GNSS通過提升工作來自軌道星座中至少三顆衛(wèi)星的獨(dú)特導(dǎo)航信號。衛(wèi)星和接收器之間的同步使得能夠確定來自衛(wèi)星的相應(yīng)信號傳播延遲（并因此確定距離）。衛(wèi)星的信號球（半徑等于計算的距離）和地球的球體的交點(diǎn)確定了接收器的精確位置。

每顆衛(wèi)星發(fā)射低功率射頻信號，包括衛(wèi)星識別，星歷數(shù)據(jù)（詳細(xì)說明衛(wèi)星當(dāng)前和未來的軌道位置及其狀態(tài)。

接收機(jī)精度取決于其與衛(wèi)星時鐘同步的準(zhǔn)確性; 1納秒（ns）的誤差可能導(dǎo)致30厘米（cm）的位置誤差。

接收器的關(guān)鍵操作參數(shù)是首次定位時間（TTFF）。冷啟動TTFF，接收器啟動時沒有信號或先前的位置信息，可能需要一分鐘。如果接收器由于關(guān)閉而沒有移動，并且仍然具有板載存儲器中的先前位置信息，則它可以執(zhí)行熱啟動，這導(dǎo)致大約25到30秒的TTFF。當(dāng)接收器在其存儲器中具有最近的位置信息時可以進(jìn)行熱啟動，因此可以準(zhǔn)確地預(yù)測衛(wèi)星位置并且僅產(chǎn)生1秒的TTFF。

因?yàn)镚NSS衛(wèi)星傳輸很弱，所以接收器靈敏度高重要。一旦接收器定位了衛(wèi)星，信號采集時間就會改善，因?yàn)槿绻盘柋蛔钃酰邮掌骺梢灶A(yù)測衛(wèi)星的下一個位置重新獲得信號，而不必掃描大片天空。

新模塊易于使用設(shè)計

從頭開始設(shè)計GNSS系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。如果開發(fā)人員具備專業(yè)知識，那么這樣的策略可能會在成本，尺寸和性能方面產(chǎn)生更加差異化的最終產(chǎn)品，但對于經(jīng)驗(yàn)較少的模塊而言，通常是更明智的選擇。模塊經(jīng)過組裝，包裝，測試，并且（通常）經(jīng)過驗(yàn)證的單元可以放入最終產(chǎn)品中。設(shè)計復(fù)雜性得到了緩解，因?yàn)槟K消除了工程師從頭開發(fā)復(fù)雜RF電路的需要。

更好的是，新一代GNSS模塊設(shè)計用于針對以前不切實(shí)際的應(yīng)用類型，因?yàn)閭鹘y(tǒng)GNSS解決方案的缺點(diǎn)。示例包括可穿戴設(shè)備，智能手表以及價值相對較低的物品的資產(chǎn)跟蹤。

設(shè)計人員在選擇模塊時應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素有：

價格：根據(jù)體積和其他因素而變化。

位置精度：更好的位置精度依賴在一個優(yōu)越的時鐘。設(shè)計人員應(yīng)將精度與應(yīng)用要求相匹配。

TTFF：獲取衛(wèi)星信號并計算模塊首次激活時的位置所需的時間。有些模塊擁有預(yù)測未來一個月衛(wèi)星軌道位置的算法，大大縮短了冷啟動時的TTFF。

尺寸：緊湊的尺寸允許將模塊整合到小尺寸中。

功耗：資產(chǎn)跟蹤等應(yīng)用的解決方案通常采用小型電池供電。低功耗將延長電池壽命。

RF靈敏度：要求在冷啟動期間獲取相對較弱的GNSS信號，需要較高的初始靈敏度。一旦衛(wèi)星被采集并被接收器跟蹤，靈敏度就會提高。

射頻干擾抗擾度：根據(jù)主機(jī)系統(tǒng)的不同，GNSS工作在1176.45到1602.0 MHz范圍內(nèi)，與GSM頻率分配相鄰。需要良好的GSM頻帶抑制以確保良好接收GNSS信號。

Antenova的Radionova M20050模塊是新一代GNSS模塊的一個很好的例子（圖1）。該模塊是一個插入式GNSS接收器，工作頻率為1.575 GHz，尺寸為13.8 x 9.5 x 1.8 mm，可同時在三個不同的GNSS系統(tǒng)上運(yùn)行，以提高TTFF和定位精度。該模塊采用2.8至4.2伏電源供電，具有多種低功耗模式，可延長電池壽命。冷啟動后TTFF小于35秒，冷啟動靈敏度為-148 dBm（圖1）。

圖1：Antenova的Radionova M20050 GNSS模塊具有內(nèi)置天線，工作頻率為1.575 GHz。 （圖片來源：Antenova）

該設(shè)備使用NMEA 0183數(shù)據(jù)輸出協(xié)議，這是一項(xiàng)由美國國家海洋電子協(xié)會控制的專有協(xié)議。該協(xié)議使用簡單的ASCII串行通信，在業(yè)界廣泛用于與GPS接收器的串行連接，并已被谷歌地圖和微軟MapPoint等導(dǎo)航軟件采用。 M20050通過UART接口以默認(rèn)的9600波特率輸出位置數(shù)據(jù)。

Linx Technologies提供其TM系列GNSS接收器模塊。這些器件的工作電壓為1.575和1.602 GHz，電壓為3.0 V至4.3 V。冷啟動時TTFF小于33秒，冷啟動靈敏度為-147 dBm。該器件通過UART接口使用NMEA 0183協(xié)議，該接口的默認(rèn)速率為9600波特。

器件的內(nèi)核自動處理所有必要的初始化，跟蹤和計算，因此無需編程。 TM系列的RF部分針對低電平RF信號進(jìn)行了優(yōu)化，無需進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整。

Telit還以Jupiter JF2的形式提供GNSS模塊解決方案。雖然該公司將該設(shè)備列為GNSS產(chǎn)品，但它僅支持美國的GPS系統(tǒng)，盡管也可以使用GLONASS設(shè)備。 Telit模塊基于SiRFstarIV?內(nèi)核，采用1.8伏電源供電，采用11 x 11 x 2.6 mm封裝。 TTFF從冷啟動開始不到35秒，冷啟動靈敏度為-147 dBm。 Telit產(chǎn)品的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它可與公司的蜂窩模塊互操作，從而更容易設(shè)計組合的GPS/蜂窩解決方案（圖2）。

圖2：Telit的Jupiter JF2模塊是最小的集成GNSS接收器之一，盡管它也結(jié)合了蜂窩功能。 （圖片來源：Telit）

雖然Antenova，Linx Technologies和Telit的模塊簡化了位置跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計，但不是將模塊焊接到印刷電路板上，增加功率和等待第一次修復(fù)。工作系統(tǒng)所需的主要設(shè)計步驟是天線選擇（如果模塊具有內(nèi)置天線，則進(jìn)行天線調(diào)諧），電源，與適當(dāng)?shù)?a target="_blank">微處理器配對以及編程。

最大化靈敏度

某些模塊配有內(nèi)置天線，但其他模塊則為開發(fā)人員提供了選擇。內(nèi)置天線消除了另一個設(shè)計步驟，但不可避免地是一個“一刀切”的解決方案。將天線選擇留給設(shè)計人員可以更好地匹配天線與應(yīng)用。

例如，如果模塊適用于手持設(shè)備，天線將以各種方向呈現(xiàn)在天空中，因此具有寬且均勻圖案的天線可以產(chǎn)生比具有更高增益但具有更窄光束的天線更好的整體性能。采用沒有內(nèi)置天線的模塊，例如Linx Technologies的TM系列，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以匹配應(yīng)用。

對于GNSS應(yīng)用，天線需要良好的右旋圓極化特性以匹配極化衛(wèi)星信號陶瓷貼片是最常用的天線類型，但有許多其他形狀，尺寸和樣式可供選擇。

GNSS應(yīng)用可以采用無源或有源天線。有源型采用低噪聲放大器（LNA）工作，以提高靈敏度。使用有源天線時，最好添加300歐姆（Ω）鐵氧體磁珠，以將VOUT線連接到RFIN線。該磁珠阻擋來自電源的RF干擾，同時允許RF跡線上的DC電壓饋送天線。模塊內(nèi)部的串聯(lián)電容可防止直流電壓影響模塊內(nèi)部LNA的偏置。

確定良好RF電路的關(guān)鍵參數(shù)是阻抗（Z）。必須注意最終產(chǎn)品的印刷電路板布局在模塊和天線之間保持50Ω阻抗路徑。制造商通常在其模塊數(shù)據(jù)表中提供布局指南，以幫助匹配阻抗和天線板間隙，從而最大限度地提高靈敏度（圖3）。

圖3：天線由無痕跡的印刷電路板區(qū)域促成的間隙對于最大化靈敏度和改善TTFF非常重要。 （圖像來源：Antenova）

帶有內(nèi)置天線的模塊，如Antenova的Radionova M20050設(shè)備，可能需要進(jìn)行一些外部調(diào)整，以最大限度地提高靈敏度并加速TTFF。這并不是過于復(fù)雜，通常需要增加一些無源元件來補(bǔ)償由與模塊相鄰的電路板元件引起的輕微天線失諧。對于Radionova M20050模塊，Antenova通過在模塊上添加“AT1”和“AT2”輸入來簡化過程，可以連接相應(yīng)的電阻和電感，以調(diào)諧內(nèi)部天線（圖3，再次）。/p>

模塊控制

每個Antenova，Linx Technologies和Telit模塊必須連接到合適的微處理器進(jìn)行控制和配置。微處理器要求通常適中，中檔16位器件可以勝任。大多數(shù)GNSS模塊通過串行GPIO或UART進(jìn)行通信，因此請確保所選的微處理器具有一個或兩個。

微處理器通常使用前面提到的NMEA協(xié)議與GNSS模塊通信。該協(xié)議定義了三種類型的輸入/輸出：命令，寫和讀消息。模塊輸出每個輸入/輸出的響應(yīng)。命令用于更改模塊的運(yùn)行狀態(tài)。寫消息改變模塊的配置，讀消息詳細(xì)說明當(dāng)前配置。

輸入在RX線上發(fā)送到接收器，輸出從TX線上的接收器發(fā)送。默認(rèn)情況下，輸出消息每秒發(fā)送一次。該協(xié)議允許標(biāo)準(zhǔn)和專有輸入/輸出（圖4）。

圖4：微處理器通過GPIO或UART，TX和RX連接與GNSS模塊通信。注意，這里使用一個300Ω鐵氧體磁珠從電源到有源天線限制射頻干擾）（影像資料來源：領(lǐng)新技術(shù)）

的NMEA協(xié)議的消息結(jié)構(gòu)是簡單的，例如：

“command-ID [，parameter1，parameter2，...，parameterN] ”用于命令;和“消息-ID， * <校驗(yàn)> ”的消息

為標(biāo)準(zhǔn)消息的消息ID開始于NMEA '講話者' ID： “$ GP”表示GPS，“$ GL”表示GLONASS，“$ GN”表示全球?qū)Ш?。所述GNSS模塊通常相呼應(yīng)的命令回給已被執(zhí)行的命令后的主機(jī)處理器。

“$ GPZDA，183746.000,22,08,2017 * 56 ”，例如，是一個詳細(xì)說明通用時間和日期的GPS消息（2017年8月22日18：37：46.0）。

許多模塊制造商，如Telit，都選擇專有的命令方案。 （“$ P ...”表示這是一個專有的方案，以及“... STM ...”是制造商的ID，在這種情況下在Telit的木星JF2 GNSS模塊使用的意法半導(dǎo)體芯片。）

命令I(lǐng)D描述$ PSTMINITGPS初始化GPS位置和時間$ PSTMINITTIME 1 Intialize GPS時間$ PSTMCLREPHS清除所有的星歷數(shù)據(jù)$ PSTMDUMPEPHEMS轉(zhuǎn)儲emphemeris數(shù)據(jù)$ PSTMEPH負(fù)載的星歷數(shù)據(jù)$ PSTMNMEAONOFF切換NMBA輸出ON和OFF $ PSTMCOLD執(zhí)行冷啟動$ PSTMWARM執(zhí)行熱啟動$ PSTMHOT執(zhí)行熱啟動$ PSTMSRR執(zhí)行系統(tǒng)重置$ PSTMGPSRESET重置GPS引擎$ PSTMGETSWVER獲取GNSS庫版本$ PSTMSBASONOFF切換SBAS功能ON和OFF $ PSTMSBASSAT選擇SBAS衛(wèi)星PRN碼$ PSTMSETCONSTMASK設(shè)置GNSS星座掩碼

例如：

“$ PSTMCOLD，0x02 ”執(zhí)行冷啟動并（可選）清除星歷數(shù)據(jù);和“$ PSTMINITTIME，23,02， 2018,09,44,12 “將當(dāng)前的GPS通用時間初始化為2018年2月23日的9:44:12。

模塊制造商通過提供評估套件簡化了開發(fā)過程如果模塊具有內(nèi)置天線，則包含GNSS模塊并包括天線或天線調(diào)諧。例如，Antenova提供M20048 RF模塊評估板，Linx Technologies為TM系列提供MDEV-GNSS-TM開發(fā)套件。在評估模塊時，評估模塊都不需要微處理器，因?yàn)樵u估套件直接連接到PC的USB端口，PC隨后提供輸入消息和監(jiān)控操作（圖6）。

圖6：Antenova的M20048評估套件包括一個微型USB接口，可通過PC進(jìn)行控制和配置。 （圖像來源：Antenova）

正確供電GNSS模塊至關(guān)重要

由于需要檢測微弱的RF信號，GNSS模塊需要干凈，穩(wěn)定的電源以確保高信號噪聲比（SNR）。規(guī)格根據(jù)所選的GNSS模塊而有所不同，但一般來說，峰值噪聲應(yīng)保持在20毫伏（mV）以下以避免出現(xiàn)問題。

雖然一些GNSS模塊包含一個板載穩(wěn)壓器，但它是建議使用外部主調(diào)節(jié)器為模塊供電。如果選擇開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器來提高效率并延長電池壽命，設(shè)計人員應(yīng)考慮將器件與低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器結(jié)合使用，以限制GNSS模塊電壓輸入的噪聲。

如果效率不是一個挑戰(zhàn)，單獨(dú)使用LDO穩(wěn)壓器是一個不錯的選擇，因?yàn)椴牧锨鍐谓档土耍⑶曳€(wěn)壓輸出比開關(guān)穩(wěn)壓器更清潔。無論電壓調(diào)節(jié)器選擇如何，采用濾波器電路來清理輸入電壓也是一種很好的設(shè)計實(shí)踐。

GNSS模塊（例如，M20050）通常包括兩個電壓輸入，一個用于為主數(shù)字電源供電和處理電路以及第二個為RAM和時鐘提供備份。

除了控制和配置GNSS模塊外，主機(jī)微處理器還管理電源模式以幫助延長電池壽命。例如，M20050模塊支持三種這樣的模式：備用，備份和定期。待機(jī)關(guān)閉模塊的RF部分并使處理器處于待機(jī)狀態(tài)。時鐘和RAM保持供電以維持模塊配置。

主電壓輸入關(guān)閉時進(jìn)入備份模式。當(dāng)模塊從省電（休眠）模式喚醒時，此模式用于輔助快速TTFF，因?yàn)闅v史星歷數(shù)據(jù)保留在模塊的RAM中。

周期模式通過短時間喚醒模塊來降低電流消耗重新建立衛(wèi)星修復(fù)，然后返回睡眠模式。此模式對于加速TTFF非常有用，因?yàn)樾菤v數(shù)據(jù)會定期刷新而不是僅保留（圖7）。

圖7：周期模式可以頻繁刷新星歷數(shù)據(jù)，以確保激活GNSS模塊時的快速TTFF。 （圖片來源：Antenova）

結(jié)論

國際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的激增增加了GNSS對精確位置跟蹤的可訪問性和準(zhǔn)確性。雖然GNSS系統(tǒng)的設(shè)計并不容易，但GNSS模塊通過提供經(jīng)過組裝，測試和驗(yàn)證的資產(chǎn)跟蹤解決方案，大大簡化了問題。