新型GPS技术方案与芯片及其应用

新型新型 GPS 技术方案与芯片及其应用技术方案与芯片及其应用 关键字 关键字 卫星 接收 定位 控制 网络 轨道 参数 传输 GPS 是全球卫星定位系统 Global Positioning System GPS 的英文缩写 GPS 利用导航卫星 进行测时和测距 以构成全球定位系统 能提供个人候的定位 授时 测速功能 GPS 已被广泛 业用于航天 航空 航海 运输 测量 勘探等诸多领域 随着数字大规 模集成电路的发展和定位功能需求 GPS 已经开始更多地嵌入到移动手持设备 消费电子 产品中 为此本文将对新型 GPS 技术方案与芯片及其应用作分析说明 首先应了解 GPS 的构成及特点 1 GPS 的基本架构及特点 GPS 是一种精密的卫星导航系统 该系统由 24 颗绕地球旋转的卫星组成 卫星连续不断 地发送位置和时间信息 这些卫星均匀地分布在 6 个轨道上 每个轨道有 4 颗卫星 地面 GPS 接收机可接收 5 到 12 颗卫星信号 为实现地面定位功能 GPS 接收机至少需要接收 4 个卫星信号 其中 3 个信号用来计算 GPS 接收机的纬度 经度和海拔高度 第四个信号 提供同步时间校准 GPS 系统主要分为三个部分 其一 卫星 在天上提供定位信息 其二 控制系统 在地 面维护卫星的正常运转 保证卫星的健康状态 其三 接收机 一般用户所使用的部分 其定位原理是将地球分为 12 个横切面 每个横切面上有两颗定位卫星 互成 180 度的夹角 因而站在地球上的任一点 头顶上总有十二颗定位卫星 卫星与卫星之间的距离 坐标和 角度是已知的 卫星和人之间的距离是可测量的 根据几何原理 通常接收机只要接到三 颗卫星的信息便可确定二维坐标即经纬度 接收到四颗卫星的信息便可确定海拔高度 目前卫星 多达 27 颗 网络运行于非同步 近地轨道并覆盖全球 保证了定位系统的运 行 而 GPS 接收机至少需要锁定 4 颗星 才能提供定位信息 这些卫星广播或发送的长系 列码 或数字组合 称伪随机码 GPS 接收机可通过已知的卫星伪随机码 光速以及保持 卫星位置的查询表等参数 就能够计算出卫星的传输时间 再将传输时间转为距离 在多 个卫星 大于 4 的条件下 通过求解三角方程就可以算出 GPS 接收机的位置 也提供了用 户的位置 而 GPS 芯片是由一块射频集成电路 一块数字信号处理电路和标准嵌入式 GPS 软件 构成 射频集成电路用于检测和处理 GPS 射频信号 数字信号处理电路用于处理中频信号 标准嵌入式 GPS 软件用于搜索和跟踪 GPS 卫星信号 并根据这些信号求解用户坐标和速 度 其主打市场是无线于持设备 汽车 便携式汁算设备以及一些 CPS 专业用户 其图 1 所示是以手持式 GPS 系统芯片结构示意框图 图 1 2 传统的 GPS 与新技术 GPS 方案的优势 到目前为止 传统 GPS 如移动设备中所采用的全球定位技术都存在价格高 功耗大 尺寸大等问题 因此开发纯软件 GPS 接收机 通过软件完成 GPS 芯片的功能 从而进一 步降低成本 促使更多的手持便携设备采用 GPS 功能是针对市场对下一代技术的主要需求 2 1 新技术 GPS 方案的优势 在于它与其它基于硬件的多芯片方案相比 大大降低了系统成本 功耗和尺寸 该软 件方案可工作在自动和辅助两种 GPS 模式 在每一秒钟为系统 如汽车跟踪 提供方位信息 也可以对算法进行调整 使其符合步行或室内应用的要求 为蜂窝电话 PDA 数码相机 MP3 播放器 膝上型电脑 便携式 DVD 播放器等移动产品提供最优的 GPS 设计 2 2 新技术 GPS 方案的术特征 是将专有的 RF IC 设计技术与新的软件 GPS 技术相结合 开发出了完全符合移动和便 携产品苛刻要求的解决方案 例如 Maxim 的 RF IC 设计技术与 Philips 创新的软件 GPS 技 术相结合优武就是典型代表 为此可从以下二点具体说明 a 关于初始设计 基于该新技术 GPS 方案的第一款是针对膝上型电脑 USB 附件而优化 的参考设计 该设计启用了低成本 高性能的 GPS add ons 其最简单的形式可以是一个 GPS 条 将膝上型电脑转化成一个大屏幕导航装置 另一种应用是 USB GPS 附件 用于 连接具备 USB OTG 的智能电话 此外 这一小尺寸 低功耗设计可以与其它设备 如 USB 存储器驱动器或 USB MP3 相结合 在这些设备中实现 GPS 功能 b 硬件 软件的融合 整个参考设计基于 GPS 接收器前端 如基于 Maxim 的 MAX2741 GPS 接收器前端 其 MAX2741 内置 LNA 自适应 AGC 和 VCO 此外 MAX2741 集成 了一个 1 2 或 3 位 ADC 用于支持 2MHz 至 26MHz 的参考频率 采用 2 7V 至 3 0V 电源 供电 而软件 如 Philips 的 Spot 软件 是用 ANSI C 编写的 600Kb 程序代码 能够装载并运 行在各种标准处理器上 例如 ARM Intel Xscale 或 TI OMAP 软件获取 GPS 前端接收 器输出和卫星定位信息 然后下载卫星星历 利用新技术进行信号处理 提取卫星信号 产生有效的定位信息 3 例举新技术 GPS 方案的应用 3 1 应用信息娱乐系统中现有的应用处理器完成 GPS Galileo 功能 独特的基于软件的 GPS 方案 无需改动的硬件即可完成 GPS GalileoGa 升级 与全球 定位系统 GPS 类似 Galileo 是欧洲太空总署正在开发的欧洲导航系统 Galileo 预计在几 年之内完全运转起来 向 GPS 卫星系统中加入 Galileo 导航系统 与仅仅具有 GPS 的系统 相比 将会使性能得到极大地改善 由于汽车市场具有较长的设计周期 当今制造商们正 在为这项新技术的应用做积极的准备 GPS Galileo GNSS 技术利用系统主处理器来执行 所需的 GNSS 定位计算 无需价格昂贵而又庞大的基带 IC 因此将 GNSS 的整个硬件物料 清单缩减为只需 RF 前端电路 这项新的技术所提供的性能与传统的硬件连线多芯片 GPS 方案相当 但成本却是当前业界最低的 尺寸也最为纤小 该 GNSS 方案可为信息娱乐系 统提供无与伦比的灵活性 软件提供单机模式和援助模式 并可为满足您的汽车导航需求 而进行优化 图 2 为传统的 GPS 方案与新型基于软件 GPS 方案比较示意框图 图 2 3 2 将 UMPC 或膝上型电脑变为一个功能完备的 GPS 导航系统 独特的软件 GPS 成本和尺寸削减 50 全球定位系统 GPS 技术利用系统主处理器 来执行所需的 GPS 计算 无需价格昂贵而又庞大的 GPS 基带 IC 此外 高度集成和极为 灵活的 RFIC 如 MAX274l 可以最大程度的再利用其它系统资源 例如参考时钟 并且 这种基于软件的 GPS 只需要元件数较少的 BOM 表 进一步削减了 GPS 方案的尺寸和成本 GPS 方案提供无与伦比的灵活性 可拓宽超级移动 PC UMPC 膝上型电脑 PDA 和智能 电话中基于位置的应用功能 提供独立及辅助 GPS 模式和不同大小的软件 并可针对不同 的应用进行优化 例如汽车导航 个人导航或单点位置校正应用 其示意图与图 2 相同 4 核心芯片是 GPS 系统的关键部分之 核心芯片的优劣在很大程度上决定了不同 GPS 产品的性能差异 芯片技术直接关系到 GPS 产品的技术指标和未来发展走向 GPS 芯片由一块射频集成电路 一块数字信号处理电路和标准嵌入式 GPS 软件构成 射频集成电路用于检测和处理 GPS 射频信号 数字信号处理电路用于处理中频信号 标准 嵌入式 GPS 软件用于搜索和跟踪 GPS 卫星信号 并根据这些信号求解用户坐标和速度 其主打市场是无线于持设备 汽车 便携式汁算设备以及一些 CPS 专业用户 这可以由嵌入式 CPS 导航系统的核心技术来看 以三星 ARM9 系列中的 16 32 位 RISC 处理器 S3C2410A 芯片为例 该芯片强大的实时处理能力和丰富的外围接门非常适合 嵌入式系统的开发 而该系统就是基于该芯片的这些特点而设计的 该系统以 SC2410A 微 处理器为核心 与 2 片 32M 的 SDRAM HY57V561620CT 和 64M 的 NANDFlash K9F1208UOB 整合为最小的一套系统 另外 就是在系统外部加装可用于收 GPS 信号的 GPS 模块 用于显示的液晶面板 以及 LJDAl341TS 的语音芯片系统 而 ST 公司提供完整的 GPS 解决方案 包括 GPS 基带控制器以及 RF 接收器 ST 的 STA2051 采用 ARM7TDMI 内核 增加了一个专用 APB 和 12 通道的 GPS 相关器 内部 B256K 16K 的 FLASH 存储器和 6K 的 SRAM 以及标准 STR710 的所有外设资源 ST 配 合 STA2051 发布基于 ST 专有嵌入式操作系统 OS 的完整的软件运行库实现 实现 GPS 完 整解决方案同时可提供开放的 ARM 和外设资源给用户 在功耗和成本上更具优势 STA2051 产品家族包括 TQFP64 的汽车级的 STA201 和消费级的 STA2051GO 以及 TQFPl44 的更多 I O 资源的 STA2051E STA2051 主要特性 0 18um 工艺 3 3V 单电源工作 低功耗 ARM 7TDMI 32 位 RISC 引擎 Debug 接口 JTAG 内嵌 256k 字节 16k 字节 FLASH 64k 字节 SRAM EMI External Memory Interface 扩展存储器接口 仅 TQFPl44 分为 4 区 最大可 扩展至 64M 字节 12 通道 GPS 硬件相关器 STMicroelectronics IP 独立的 RTC Real Time Clock 带唤醒功能 CAN 控制器 CAN Protocol rev 2 0partA and B 高达 1 Mbit s 四路 16 位多功能定时器 捕捉 比较 计数 PWM 四路 UARTS 双 SPI 双 I2C 和 USB 仅 144 PIN 等串口通信 智能卡 1S0 7816 3 incl Clock generation 看门狗及唤醒控制 RTC 或外部触发 HDLC 控制 incl NRZI FM0 and Manchester encoder 4 通道 12 位 ADC 变换器 Sigma Delta 片上电压稳压器为 CPU 及核心逻辑 工作温度 40 85 50 通道 LEA 5 GPS 模組 可提供超越现有水平的速度 灵敏度及整合方便性 LEA 5GPS 模块系列拥有 GPS 市场最快的首次定位时间 这些单机多用途的 GPS 接收 器采用 u blox 5 GPS 与 GALILEO 芯片 不仅具有丰富功能和弹性连结能力 应用整合也 很方便 使体积与成本都受严格限制的汽车电子 消费和工业等各种应用能够迅速上市 u blox5 提供超快速的首次定位时间 它所采用的 GPS 架构不仅拥有 50 个通道 还提 供超过 100 万个相关器 correlators 以及独立的定位与搜寻引擎 可以进行大规模的平行搜 寻 在 u blox 的 AssistNow A GPS 服务协助下 u blox5 芯片与模块不到 1 秒就能取得卫星 讯号和完成首次定位 这些 LEA 5 模块不但是目前市场上最快速和最灵敏的 GPS 模块 而且体积很小及成 本很低 最适合大众市场的 GPS 消费装置采用 LEA 5HGPS 模块内含闪存 这能简化轫体升级和系统设定值储存 以 ROM 为基础的 LEA 5S 则能进一步降低成本 这两套模块都提供 u blox 的 OMASUPL 兼容 A GPS 界面 并且支持 AssistNow online 和 AssistNow offlineA GPS 服务 LEA 5 GPS 模块是 u blox 公司 瑞士 的芯片 它有以下 5 个显著特点 有等效超过 l 000 000 个相关器的并行通道 灵敏度由原来的 l 5 8d bm 提升到不低于 160dbm 功耗不 大于 50mW 同时支持 GPS 及伽利略两种定位平台 冷启动时间由原来的 34s 缩短到冷启 动 29s 加上 A GPS 辅助定位技术 室外冷启动可在 ls 之内 GPS 通道数由第四代的 16 通道增加至第五代 50 个通道 u blox g5 可以应用于手机及 PDA 等移动产品 极大地扩展 厂移动领域的市场 5 GPS 芯片应用 用 MAX2742 构建 GPS 接收机 接收机是 GPS 全球定位系统 中重要组成部份 对使用者来说 GPS 接收机应用日益 广泛 值此对 GPS 接收机架构先作剖析 5 1 GPS 接收机基本架构 一个典型的 GPS 接收机包含如图 3 所示的功能块 它包括 射频部分 GPS RF 前端 GPS 信号处理器和主处理器 图 3 其中 RF 部分包括 GPS 天线 RF 滤波器和 GPS RF 前端 RF 部分接收卫星信号 从载波频率中分离出伪随机码 并将其送至 GPS 信号处理器 在多数现有的接收机中 RF 前端部分加上 GPS 信号处理器能够同时处理 4 至 12 颗卫星信号 这种并行处理的能力 提供了更高的定位精度 缩短了输出数据的时间 主处理器向用户提供数据 即可以通过 一个 GUI 图象用户接口 显示屏 或者其它操作系统途径向用户提供数据 见图 4 左侧所 示 至于何种途径这取决于实际应用的要求 而同步和定时是 GPS 接收机的重要特性 为此用数控温补晶体振荡器 TCXO 如 DS4000 实现同步与定时的目的 见图 4 所示 在图 3 的框图中 存在 2 个振荡源 包括 REF 基准 晶体 或振荡器 和 RTC 实时时钟 晶体 REF 晶体或振荡器可以相当精确或不精确 取决所使用的接收机 典型范围介于 13MHz 至 30MHz 之间 取决于生产厂家 在那些采用 GPS 接收机作为精密时间基准的应 用中 REF 振荡器可以是铷源 OCXO 甚至 TCXO 在这种情况下 主处理器将修正卫星 和接收机之间的任何定时滑动 RTC 晶体为 GPS 接收机捕获信号过程提供实时时钟信息 以在 27 颗卫星群中捕获不 同的卫星 通过关于卫星位置信息的查询表 RTC 有助于提供一个锁定所有可见卫星的起 始点 5 2 用 MAX2742 构建 GPS 接收机 利用集成 CMOS RF 前端 GPS