新一代GNSS模塊為追蹤應(yīng)用添加快速采集和提高集成度

使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行跟蹤的應(yīng)用現(xiàn)在能夠使用多個(gè)全球定位衛(wèi)星星座，如美國(guó)的GPS，俄羅斯的GLONASS，歐洲的伽利略或中國(guó)的北斗。多個(gè)系統(tǒng)的使用確保了更好的覆蓋范圍，更快的采集速度和更高的定位精度，但它增加了設(shè)備成本并增加了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

隨著資產(chǎn)跟蹤等GPS應(yīng)用的增長(zhǎng)，芯片供應(yīng)商努力解決這些成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間問(wèn)題，導(dǎo)致低成本模塊化GNSS解決方案的發(fā)展。這些第一代模塊為具有有限經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員提供了更具成本效益和更直接的GPS。但是，功能上的一些妥協(xié)是不可避免的。它們實(shí)施起來(lái)過(guò)于復(fù)雜，評(píng)估工具很少見(jiàn)。

現(xiàn)在出現(xiàn)了新一代GNSS模塊，它解決了早期模塊的缺點(diǎn)，并且成本最低。這些器件具有更高的采集速度和精度，并具有更高的集成度，可降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性并減小解決方案尺寸。它們還帶有評(píng)估平臺(tái)，使開(kāi)發(fā)人員可以更輕松地構(gòu)建，測(cè)試和配置原型。

本文介紹了第二代設(shè)備的主要增強(qiáng)功能，并展示了如何使用現(xiàn)代設(shè)備GNSS模塊評(píng)估板為設(shè)計(jì)原型。

GNSS模塊的演變

從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)GNSS系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的業(yè)務(wù)。這些困難促使廉價(jià)模塊化解決方案的出現(xiàn)成本低于每單位50美元，具有合理的性能，緊湊的尺寸和低功耗。

然而，為了保持低價(jià)并加速商業(yè)化，存在一些缺點(diǎn)第一代模塊化GNSS解決方案，包括：

低無(wú)線(xiàn)電靈敏度：靈敏度差，延長(zhǎng)了接收機(jī)拾取固定其位置所需的三顆（至少）三顆衛(wèi)星所需的時(shí)間。早期模塊的低無(wú)線(xiàn)電靈敏度導(dǎo)致首次定位時(shí)間（TTFF）至少一分鐘且通常更長(zhǎng)。即使熱啟動(dòng)，接收器自上次使用后仍未移動(dòng)，并且仍然在板載內(nèi)存中有先前的位置信息，可能需要30秒以上。

受限制的內(nèi)存分配：低內(nèi)存容量限制了星歷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)（有關(guān)衛(wèi)星星座當(dāng)前和未來(lái)軌道位置的信息）。如果GNSS模塊長(zhǎng)時(shí)間丟失衛(wèi)星信號(hào)，則存儲(chǔ)的星歷信息會(huì)過(guò)時(shí)，重新采集可能需要幾分鐘。

缺乏定位精度：位置精度主要由時(shí)間同步?jīng)Q定與衛(wèi)星時(shí)鐘。 1納秒的同步誤差導(dǎo)致30厘米的位置誤差。早期模塊中的定時(shí)誤差精度限制在±15米之內(nèi)。

缺乏輔助和增強(qiáng)的GNSS：早期GNSS模塊無(wú)法利用通過(guò)將GNSS信號(hào)參考基站信號(hào)來(lái)幫助定位精度的系統(tǒng)已知位置。

最小集成：第一代模塊中不包括閃存，晶體和電源管理等關(guān)鍵組件，這使設(shè)計(jì)復(fù)雜化并增加了解決方案的尺寸。

缺乏評(píng)估工具包：在能夠測(cè)試提議的設(shè)計(jì)之前，工程師被迫構(gòu)建自己的硬件原型。

固件：早期模塊提供的固件很少或沒(méi)有提供重新配置或升級(jí)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備快速軟件過(guò)時(shí)。

解決這些缺點(diǎn)的新一代GNSS模塊現(xiàn)已進(jìn)入市場(chǎng)。在提交到特定組件之前，工程師可以從幾個(gè)高性能集成模塊中進(jìn)行選擇并使用制造商的相關(guān)評(píng)估套件來(lái)嘗試概念。

例如，Maxim Integrated的MAX2771ETI + GNSS接收器提供高度集成在一個(gè)5 x 5毫米（mm）的包裝中。具體來(lái)說(shuō)，該器件集成了完整的接收器鏈，包括雙輸入，低噪聲放大器（LNA），混頻器，濾波器，可編程增益放大器（PGA），多位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），分?jǐn)?shù)N頻率合成器和晶體振蕩器。

值得注意的是，該器件通過(guò)實(shí)現(xiàn)片上單片器件來(lái)消除外部中頻（IF）濾波器。結(jié)果是一個(gè)模塊只需要幾個(gè)外部元件就可以形成一個(gè)完整的，低成本的GNSS RF接收器解決方案（圖1）。

圖1：Maxim的MAX2771ETI +集成了完整，低成本GNSS RF接收器的關(guān)鍵元件，限制了所需的外部元件數(shù)量。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

輔助GNSS和增強(qiáng)的位置精度

第二代GNSS模塊還提供更快的衛(wèi)星采集和更高的定位精度。獲取衛(wèi)星位置的部分改進(jìn)是由于增加的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)更多的星歷信息，以便在長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)丟失期后更快地重新獲取衛(wèi)星。然而，即使使用大閃存，準(zhǔn)確的星歷數(shù)據(jù)對(duì)于GPS只有4小時(shí)有效，對(duì)于GLONASS則有效30分鐘。

使用“輔助GNSS”，這是一種技術(shù)，模塊通過(guò)另一個(gè)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接從外部源獲取星歷信息，而不是直接從衛(wèi)星獲得星歷信息。

例如，模塊供應(yīng)商u-blox提供的服務(wù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接的主機(jī)微處理器訪(fǎng)問(wèn)星歷數(shù)據(jù)，并在啟動(dòng)時(shí)將其輸入模塊。該服務(wù)的離線(xiàn)版本也是可用的，其中下載最多35天的軌道數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在主處理器和/或GNSS模塊閃存中。此外，u-blox提供其“AssistNow”技術(shù)，該技術(shù)使用歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)六天的衛(wèi)星軌道位置。

輔助GNSS等技術(shù)可以從60秒左右開(kāi)始改善冷啟動(dòng)TTFF生成GNSS模塊到27秒（對(duì)于GPS和GLONASS星座），對(duì)于更新的模塊，例如u-blox的EVA-M8M-0 GNSS模塊。該解決方案提供-148 dBm的冷啟動(dòng)靈敏度，有助于在沒(méi)有輔助GNSS的情況下加速TTFF。

基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）也可用于顯著提高成本的定位精度 - 有效的GNSS模塊。這些系統(tǒng)利用來(lái)自廣域差分GPS（WADGPS）等技術(shù)的附加區(qū)域或廣域GNSS增強(qiáng)數(shù)據(jù)補(bǔ)充GNSS數(shù)據(jù)。 WADGPS使用來(lái)自已知位置的固定基站或地球靜止衛(wèi)星的信息，這些信息保持在相對(duì)于地球表面的固定位置。這些信息允許GNSS模塊校正定時(shí)和位置誤差，以提高定位精度。例如，EVA-M8M-0 GNSS模塊可以使用SBAS提供±2.5 m的定位精度（圖2）。

圖2：第二代GNSS模塊采用SBAS技術(shù)來(lái)提高定位精度。 SBAS使用地球靜止衛(wèi)星和固定基站來(lái)補(bǔ)償由太陽(yáng)活動(dòng)和電離層影響引起的GNSS定時(shí)誤差。 （圖片來(lái)源：u-blox）

EVA-M8M-0是一種高度集成的設(shè)計(jì)，只需在大多數(shù)應(yīng)用中添加外部GNSS天線(xiàn)。值得注意的是，該模塊包括一個(gè)內(nèi)部微處理器該模塊還包括內(nèi)部RAM和ROM，以及連接到外部閃存的串行四通道接口（SQI），以便在需要時(shí)進(jìn)行額外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。還提供連接外部晶體以進(jìn)一步提高定時(shí)精度。

通過(guò)長(zhǎng)期建立的國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（NMEA）協(xié)議或u-blox專(zhuān)有的UBX協(xié)議，與GNSS模塊進(jìn)行配置通信。通過(guò)I/O端口向接收器發(fā)送任何“UBX-CFG-XXX”消息，可以在正常操作期間更改配置。通過(guò)發(fā)送帶有適當(dāng)“saveMask”（“UBX-CFG-CFG/save”）的“UBX-CFG-CFG”消息，可以永久配置。

使用第二代GNSS模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)

使用GNSS模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)需要遵守既定的RF設(shè)計(jì)指南。天線(xiàn)選擇，印刷電路板布局，晶體選擇和調(diào)諧電路設(shè)計(jì)將對(duì)無(wú)線(xiàn)電靈敏度和性能因素（如TTFF和位置精度）產(chǎn)生重大影響。

此外，雖然一些GNSS模塊具有嵌入式微處理器，但配置和應(yīng)用控制通常需要單獨(dú)的外部控制器。大多數(shù)GNSS模塊通過(guò)串行GPIO，I 2 C端口或UART與外部微處理器通信。 （參見(jiàn)Digi-Key文章“快速使用GNSS模塊的設(shè)計(jì)位置跟蹤系統(tǒng)?！保?/p>

由于任何RF應(yīng)用的硬件要求都很挑剔，因此測(cè)試一個(gè)入圍模塊的性能非常有用。構(gòu)建硬件原型。第二代模塊現(xiàn)在配有評(píng)估套件，使設(shè)計(jì)人員能夠做到這一點(diǎn)。

例如，意法半導(dǎo)體提供其Teseo-LIV3F GNSS模塊評(píng)估板。該板是Teseo-LIV3F GNSS模塊的獨(dú)立評(píng)估平臺(tái)。該模塊是一個(gè)完全集成的器件，包括一個(gè)基于嵌入式ARM ?微處理器的GNSS內(nèi)核，晶體和實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），電源管理，UART和I 2 C連接，以及16兆位（Mbits）的閃存。這些都集成在一個(gè)尺寸為9.7×10.1 mm的封裝中（圖3）。板載閃存允許長(zhǎng)達(dá)7天的輔助GNSS，固件重新配置和固件升級(jí)。

圖3：STMicroelectronics的Teseo-LIV3F GNSS模塊高度集成。值得注意的是，該模塊包含一個(gè)Arm微處理器和16 Mbits的閃存。 （圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

Teseo-LIV3F GNSS模塊提供32秒冷啟動(dòng)TTFN，-147 dBm冷啟動(dòng)靈敏度和SBAS，可將定位精度提高到±1.5 m以?xún)?nèi)。

< p>配置Teseo-LIV3F GNSS模塊評(píng)估板是通過(guò)連接電路板的“UART”輸入來(lái)完成的。這實(shí)際上是USB型連接器，可以輕松連接到PC，但評(píng)估板包括FTDI的內(nèi)部USB到UART橋，允許PC直接與模塊通信。然后，GNSS模塊的UART作為標(biāo)準(zhǔn)COM端口出現(xiàn)在PC的應(yīng)用軟件上，盡管PC和GNSS模塊之間的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)的（圖4）。

圖4：對(duì)于配置，STMicroelectronics評(píng)估板通過(guò)USB連接器連接到運(yùn)行應(yīng)用軟件的PC。 USB信號(hào)通過(guò)FTDI的橋接器轉(zhuǎn)換為GNSS模塊使用的UART信號(hào)。 （圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

配置微處理器通常使用NMEA協(xié)議與GNSS模塊通信。該協(xié)議定義了三種類(lèi)型的輸入/輸出：命令，寫(xiě)消息和讀消息。模塊輸出每個(gè)輸入/輸出的響應(yīng)。命令用于改變模塊的操作狀態(tài)，寫(xiě)消息改變模塊的配置，讀消息提供當(dāng)前配置。

輸入從主機(jī)微處理器發(fā)送到UART上的GNSS接收器或I 2 C RX線(xiàn)，輸出從TX線(xiàn)上的接收器發(fā)送。默認(rèn)情況下，輸出消息以每秒一個(gè)的速率發(fā)送。該協(xié)議允許標(biāo)準(zhǔn)和專(zhuān)有輸入/輸出（圖5）。

圖5：GNSS接收器和主機(jī)微處理器之間的通信是通過(guò)UART或I 2 C通道進(jìn)行的，并使用NMEA協(xié)議。 （圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

NEMA協(xié)議的消息結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，例如：

“command-ID，[parameter1，parameter2，...，parameterN] < cr> “for commands;

and

”message-ID， * “對(duì)于消息。

許多模塊制造商選擇專(zhuān)有的命令和消息方案。例如，意法半導(dǎo)體的NMEA命令采用“$ PSTM ...”的形式，表明指令采用公司專(zhuān)有（“P”）格式。

要配置Teseo-LIV3F GNSS模塊評(píng)估板，請(qǐng)安裝STMicroelectronics的Teseo Suite Light，這是一個(gè)基于PC的應(yīng)用程序。按照程序的直觀界面，可以直接將設(shè)備添加到配置列表并激活端口連接。

例如，一旦UART端口處于活動(dòng)狀態(tài)，設(shè)備就會(huì)開(kāi)始運(yùn)行，并且可以觀察NMEA視圖面板，檢查從GNSS模塊發(fā)送的消息和命令。

執(zhí)行命令后，GNSS模塊將回復(fù)預(yù)定義的消息，并將命令作為最終執(zhí)行確認(rèn)發(fā)送回主機(jī)。例如，為了測(cè)試STMicroelectronics的ST-AGNSS技術(shù)的效果，使用表1中所示的NMEA命令控制接收器。

語(yǔ)法說(shuō)明 $ PSTMSTAGPSONOFF 打開(kāi)/關(guān)閉STAGPS?引擎 $ PSTMSTAGPSINVALIDATE 清除STAGPS內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù) $ PSTMGETAGPSSTATUS 返回STAGPS內(nèi)部處理的狀態(tài) $ PSTMSTAGPSSETCONSTMASK 在ST-AGNSS星座之間切換

ST-AGNSS是一種輔助GNSS，它向GNSS接收機(jī)提供星歷數(shù)據(jù)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于從TTFF衛(wèi)星獲取實(shí)際數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。

結(jié)論

模塊化GNSS技術(shù)將位置跟蹤技術(shù)擴(kuò)展到更廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，集成，硬件，固件，輔助GNSS和增強(qiáng)定位方面的改進(jìn)將第二代設(shè)備擴(kuò)展到快速修復(fù)時(shí)間和增強(qiáng)位置精度至關(guān)重要的應(yīng)用。新模塊繼承了其前代產(chǎn)品的尺寸，成本和功耗優(yōu)勢(shì)，但得到了評(píng)估板和基于PC的應(yīng)用軟件的支持，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。