新型GPS技術(shù)方案與芯片及其應(yīng)用

GPS是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)的英文縮寫，GPS利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時(shí)和測距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng).能提供個(gè)人候的定位、授時(shí)、測速功能。
 
　　GPS已被廣泛／業(yè)用于航天、航空、航海、運(yùn)輸、測量、勘探等諸多領(lǐng)域。隨著數(shù)字大規(guī)模集成電路的發(fā)展和定位功能需求，GPS已經(jīng)開始更多地嵌入到移動(dòng)手持設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品中。為此本文將對(duì)新型GPS技術(shù)方案與芯片及其應(yīng)用作分析說明。首先應(yīng)了解GPS的構(gòu)成及特點(diǎn)。

1、GPS的基本架構(gòu)及特點(diǎn)

GPS是一種精密的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由24顆繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星連續(xù)不斷地發(fā)送位置和時(shí)間信息。這些衛(wèi)星均勻地分布在6個(gè)軌道上，每個(gè)軌道有 4 顆衛(wèi)星。地面GPS接收機(jī)可接收5到12顆衛(wèi)星信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)地面定位功能，GPS接收機(jī)至少需要接收4個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，其中3個(gè)信號(hào)用來計(jì)算GPS接收機(jī)的緯度、經(jīng)度和海拔高度，第四個(gè)信號(hào)提供同步時(shí)間校準(zhǔn)。

GPS系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：其一、衛(wèi)星，在天上提供定位信息；其二、控制系統(tǒng)，在地面維護(hù)衛(wèi)星的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證衛(wèi)星的健康狀態(tài)；其三、接收機(jī)，一般用戶所使用的部分。其定位原理是將地球分為12個(gè)橫切面，每個(gè)橫切面上有兩顆定位衛(wèi)星，互成180度的夾角，因而站在地球上的任一點(diǎn)，頭頂上總有十二顆定位衛(wèi)星。衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的距離、坐標(biāo)和角度是已知的，衛(wèi)星和人之間的距離是可測量的，根據(jù)幾何原理，通常接收機(jī)只要接到三顆衛(wèi)星的信息便可確定二維坐標(biāo)即經(jīng)緯度，接收到四顆衛(wèi)星的信息便可確定海拔高度。

目前衛(wèi)星（多達(dá)27顆）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于非同步、近地軌道并覆蓋全球，保證了定位系統(tǒng)的運(yùn)行。而GPS接收機(jī)至少需要鎖定4顆星，才能提供定位信息。這些衛(wèi)星廣播或發(fā)送的長系列碼（或數(shù)字組合）稱偽隨機(jī)碼。GPS接收機(jī)可通過已知的衛(wèi)星偽隨機(jī)碼、光速以及保持衛(wèi)星位置的查詢表等參數(shù)，就能夠計(jì)算出衛(wèi)星的傳輸時(shí)間，再將傳輸時(shí)間轉(zhuǎn)為距離。在多個(gè)衛(wèi)星(大于4)的條件下，通過求解三角方程就可以算出GPS接收機(jī)的位置，也提供了用戶的位置。

而GPS芯片是由一塊射頻集成電路、一塊數(shù)字信號(hào)處理電路和標(biāo)準(zhǔn)嵌入式GPS軟件構(gòu)成。射頻集成電路用于檢測和處理GPS射頻信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理電路用于處理中頻信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)嵌入式GPS軟件用于搜索和跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)，并根據(jù)這些信號(hào)求解用戶坐標(biāo)和速度，其主打市場是無線于持設(shè)備、汽車、便攜式汁算設(shè)備以及一些CPS專業(yè)用戶。其圖1所示是以手持式GPS系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)示意框圖。

2、傳統(tǒng)的GPS與新技術(shù)GPS方案的優(yōu)勢

到目前為止，傳統(tǒng)GPS，如移動(dòng)設(shè)備中所采用的全球定位技術(shù)都存在價(jià)格高、功耗大、尺寸大等問題。因此開發(fā)純軟件GPS接收機(jī)，通過軟件完成GPS芯片的功能，從而進(jìn)一步降低成本，促使更多的手持便攜設(shè)備采用GPS功能是針對(duì)市場對(duì)下一代技術(shù)的主要需求。

2.1新技術(shù)GPS方案的優(yōu)勢

在于它與其它基于硬件的多芯片方案相比，大大降低了系統(tǒng)成本、功耗和尺寸。該軟件方案可工作在自動(dòng)和輔助兩種GPS模式，在每一秒鐘為系統(tǒng)(如汽車跟蹤)提供方位信息。也可以對(duì)算法進(jìn)行調(diào)整，使其符合步行或室內(nèi)應(yīng)用的要求，為蜂窩電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、膝上型電腦、便攜式DVD播放器等移動(dòng)產(chǎn)品提供最優(yōu)的GPS設(shè)計(jì)。

2.2新技術(shù)GPS方案的術(shù)特征

是將專有的RF IC設(shè)計(jì)技術(shù)與新的軟件GPS技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了完全符合移動(dòng)和便攜產(chǎn)品苛刻要求的解決方案，例如Maxim的RF IC設(shè)計(jì)技術(shù)與Philips創(chuàng)新的軟件GPS技術(shù)相結(jié)合優(yōu)武就是典型代表。為此可從以下二點(diǎn)具體說明。

a 關(guān)于初始設(shè)計(jì)�；�于該新技術(shù)GPS方案的第一款是針對(duì)膝上型電腦USB附件而優(yōu)化的參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)啟用了低成本／高性能的GPS add-ons。其最簡單的形式可以是一個(gè)GPS條，將膝上型電腦轉(zhuǎn)化成一個(gè)大屏幕導(dǎo)航裝置。另一種應(yīng)用是USB GPS附件，用于連接具備USB OTG的智能電話。此外，這一小尺寸、低功耗設(shè)計(jì)可以與其它設(shè)備，如：USB存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器或USB MP3相結(jié)合，在這些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)GPS功能。

b 硬件/軟件的融合。整個(gè)參考設(shè)計(jì)基于GPS接收器前端,如基于Maxim的MAX2741 GPS接收器前端，其MAX2741內(nèi)置LNA、自適應(yīng)AGC和VCO。此外，MAX2741集成了一個(gè)1、2或3位，用于支持2MHz至 26MHz的參考頻率，采用2.7V至3.0V電源供電。而軟件(如Philips的Spot軟件)是用ANSI C編寫的600Kb程序代碼，能夠裝載并運(yùn)行在各種標(biāo)準(zhǔn)處理器上，例如：ARM、Intel Xscale或TI-OMAP。軟件獲取GPS前端接收器輸出和衛(wèi)星定位信息，然后下載衛(wèi)星星歷，利用新技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理，提取衛(wèi)星信號(hào)，產(chǎn)生有效的定位信息。

3、例舉新技術(shù)GPS方案的應(yīng)用

3.1應(yīng)用信息娛樂系統(tǒng)中現(xiàn)有的應(yīng)用處理器完成GPS／Galileo功能

獨(dú)特的基于軟件的GPS方案，無需改動(dòng)的硬件即可完成GPS／GalileoGa升級(jí)。與全球定位系統(tǒng)(GPS)類似，Galileo是歐洲太空總署正在開發(fā)的歐洲導(dǎo)航系統(tǒng)Galileo。預(yù)計(jì)在幾年之內(nèi)完全運(yùn)轉(zhuǎn)起來。向GPS衛(wèi)星系統(tǒng)中加入Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)，與僅僅具有GPS的系統(tǒng)相比，將會(huì)使性能得到極大地改善。由于汽車市場具有較長的設(shè)計(jì)周期，當(dāng)今制造商們正在為這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用做積極的準(zhǔn)備。GPS／Galileo(GNSS)技術(shù)利用系統(tǒng)主處理器來執(zhí)行所需的GNSS定位計(jì)算，無需價(jià)格昂貴而又龐大的基帶IC。因此將GNSS的整個(gè)硬件物料清單縮減為只需RF前端電路。這項(xiàng)新的技術(shù)所提供的性能與傳統(tǒng)的硬件連線多芯片GPS方案相當(dāng)，但成本卻是當(dāng)前業(yè)界最低的，尺寸也最為纖小。該GNSS方案可為信息娛樂系統(tǒng)提供無與倫比的靈活性。軟件提供單機(jī)模式和援助模式，并可為滿足您的汽車導(dǎo)航需求而進(jìn)行優(yōu)化。圖2為傳統(tǒng)的GPS方案與新型基于軟件GPS方案比較示意框圖。

圖2