将GNSS模块用于实时定位系统设计

资产跟踪是一项重大业务。随时了解贵重物品的高度准确性可提高生产率，增强安全性并降低成本。然而，资产跟踪仅限于高价值物品，因为高质量的全球导航卫星系统（GNSS）接收器可能难以设计和实施，昂贵且耗电。

模块化GNSS解决方案的引入通过提供紧凑，相对便宜和低功耗的替代方案，专门设计用于将资产跟踪扩展到更广泛的应用程序，更容易实现。尽管如此，仍有许多模块可供选择，它们都对电源质量敏感。此外，电池供电的终端产品需要特别注意模块的低功耗模式。

本文介绍了一些GNSS模块，并解释了如何将它们用作实时定位系统（RTLS）的基础。文章介绍了如何设置模块以获得最大灵敏度，与主机微控制器的通信，快速卫星采集以及最佳功率效率。

GNSS的基础

GNSS RF接收器采用卫星星座的优势，如美国的GPS，俄罗斯的GLONASS或欧洲的伽利略，可以让室外移动资产的精确度达到几米或更高。

GNSS通过提升工作来自轨道星座中至少三颗卫星的独特导航信号。卫星和接收器之间的同步使得能够确定来自卫星的相应信号传播延迟（并因此确定距离）。卫星的信号球（半径等于计算的距离）和地球的球体的交点确定了接收器的精确位置。

每颗卫星发射低功率射频信号，包括卫星识别，星历数据（详细说明卫星当前和未来的轨道位置及其状态。

接收机精度取决于其与卫星时钟同步的准确性; 1纳秒（ns）的误差可能导致30厘米（cm）的位置误差。

接收器的关键操作参数是首次定位时间（TTFF）。冷启动TTFF，接收器启动时没有信号或先前的位置信息，可能需要一分钟。如果接收器由于关闭而没有移动，并且仍然具有板载存储器中的先前位置信息，则它可以执行热启动，这导致大约25到30秒的TTFF。当接收器在其存储器中具有最近的位置信息时可以进行热启动，因此可以准确地预测卫星位置并且仅产生1秒的TTFF。

因为GNSS卫星传输很弱，所以接收器灵敏度高重要。一旦接收器定位了卫星，信号采集时间就会改善，因为如果信号被阻挡，接收器可以预测卫星的下一个位置重新获得信号，而不必扫描大片天空。

新模块易于使用设计

从头开始设计GNSS系统是一项复杂的工作。如果开发人员具备专业知识，那么这样的策略可能会在成本，尺寸和性能方面产生更加差异化的最终产品，但对于经验较少的模块而言，通常是更明智的选择。模块经过组装，包装，测试，并且（通常）经过验证的单元可以放入最终产品中。设计复杂性得到了缓解，因为模块消除了工程师从头开发复杂RF电路的需要。

更好的是，新一代GNSS模块设计用于针对以前不切实际的应用类型，因为传统GNSS解决方案的缺点。示例包括可穿戴设备，智能手表以及价值相对较低的物品的资产跟踪。

设计人员在选择模块时应考虑的关键因素有：

价格：根据体积和其他因素而变化。

位置精度：更好的位置精度依赖在一个优越的时钟。设计人员应将精度与应用要求相匹配。

TTFF：获取卫星信号并计算模块首次激活时的位置所需的时间。有些模块拥有预测未来一个月卫星轨道位置的算法，大大缩短了冷启动时的TTFF。

尺寸：紧凑的尺寸允许将模块整合到小尺寸中。

功耗：资产跟踪等应用的解决方案通常采用小型电池供电。低功耗将延长电池寿命。

RF灵敏度：要求在冷启动期间获取相对较弱的GNSS信号，需要较高的初始灵敏度。一旦卫星被采集并被接收器跟踪，灵敏度就会提高。

射频干扰抗扰度：根据主机系统的不同，GNSS工作在1176.45到1602.0 MHz范围内，与GSM频率分配相邻。需要良好的GSM频带抑制以确保良好接收GNSS信号。

Antenova的Radionova M20050模块是新一代GNSS模块的一个很好的例子（图1）。该模块是一个插入式GNSS接收器，工作频率为1.575 GHz，尺寸为13.8 x 9.5 x 1.8 mm，可同时在三个不同的GNSS系统上运行，以提高TTFF和定位精度。该模块采用2.8至4.2伏电源供电，具有多种低功耗模式，可延长电池寿命。冷启动后TTFF小于35秒，冷启动灵敏度为-148 dBm（图1）。

图1：Antenova的Radionova M20050 GNSS模块具有内置天线，工作频率为1.575 GHz。 （图片来源：Antenova）

该设备使用NMEA 0183数据输出协议，这是一项由美国国家海洋电子协会控制的专有协议。该协议使用简单的ASCII串行通信，在业界广泛用于与GPS接收器的串行连接，并已被谷歌地图和微软MapPoint等导航软件采用。 M20050通过UART接口以默认的9600波特率输出位置数据。

Linx Technologies提供其TM系列GNSS接收器模块。这些器件的工作电压为1.575和1.602 GHz，电压为3.0 V至4.3 V。冷启动时TTFF小于33秒，冷启动灵敏度为-147 dBm。该器件通过UART接口使用NMEA 0183协议，该接口的默认速率为9600波特。

器件的内核自动处理所有必要的初始化，跟踪和计算，因此无需编程。 TM系列的RF部分针对低电平RF信号进行了优化，无需进行生产调整。

Telit还以Jupiter JF2的形式提供GNSS模块解决方案。虽然该公司将该设备列为GNSS产品，但它仅支持美国的GPS系统，尽管也可以使用GLONASS设备。 Telit模块基于SiRFstarIV™内核，采用1.8伏电源供电，采用11 x 11 x 2.6 mm封装。 TTFF从冷启动开始不到35秒，冷启动灵敏度为-147 dBm。 Telit产品的一个关键优势是它可与公司的蜂窝模块互操作，从而更容易设计组合的GPS/蜂窝解决方案（图2）。

图2：Telit的Jupiter JF2模块是最小的集成GNSS接收器之一，尽管它也结合了蜂窝功能。 （图片来源：Telit）

虽然Antenova，Linx Technologies和Telit的模块简化了位置跟踪系统的设计，但不是将模块焊接到印刷电路板上，增加功率和等待第一次修复。工作系统所需的主要设计步骤是天线选择（如果模块具有内置天线，则进行天线调谐），电源，与适当的微处理器配对以及编程。

最大化灵敏度

某些模块配有内置天线，但其他模块则为开发人员提供了选择。内置天线消除了另一个设计步骤，但不可避免地是一个“一刀切”的解决方案。将天线选择留给设计人员可以更好地匹配天线与应用。

例如，如果模块适用于手持设备，天线将以各种方向呈现在天空中，因此具有宽且均匀图案的天线可以产生比具有更高增益但具有更窄光束的天线更好的整体性能。采用没有内置天线的模块，例如Linx Technologies的TM系列，可以进行实验以匹配应用。

对于GNSS应用，天线需要良好的右旋圆极化特性以匹配极化卫星信号陶瓷贴片是最常用的天线类型，但有许多其他形状，尺寸和样式可供选择。

GNSS应用可以采用无源或有源天线。有源型采用低噪声放大器（LNA）工作，以提高灵敏度。使用有源天线时，最好添加300欧姆（Ω）铁氧体磁珠，以将VOUT线连接到RFIN线。该磁珠阻挡来自电源的RF干扰，同时允许RF迹线上的DC电压馈送天线。模块内部的串联电容可防止直流电压影响模块内部LNA的偏置。

确定良好RF电路的关键参数是阻抗（Z）。必须注意最终产品的印刷电路板布局在模块和天线之间保持50Ω阻抗路径。制造商通常在其模块数据表中提供布局指南，以帮助匹配阻抗和天线板间隙，从而最大限度地提高灵敏度（图3）。

图3：天线由无痕迹的印刷电路板区域促成的间隙对于最大化灵敏度和改善TTFF非常重要。 （图像来源：Antenova）

带有内置天线的模块，如Antenova的Radionova M20050设备，可能需要进行一些外部调整，以最大限度地提高灵敏度并加速TTFF。这并不是过于复杂，通常需要增加一些无源元件来补偿由与模块相邻的电路板元件引起的轻微天线失谐。对于Radionova M20050模块，Antenova通过在模块上添加“AT1”和“AT2”输入来简化过程，可以连接相应的电阻和电感，以调谐内部天线（图3，再次）。/p>

模块控制

每个Antenova，Linx Technologies和Telit模块必须连接到合适的微处理器进行控制和配置。微处理器要求通常适中，中档16位器件可以胜任。大多数GNSS模块通过串行GPIO或UART进行通信，因此请确保所选的微处理器具有一个或两个。

微处理器通常使用前面提到的NMEA协议与GNSS模块通信。该协议定义了三种类型的输入/输出：命令，写和读消息。模块输出每个输入/输出的响应。命令用于更改模块的运行状态。写消息改变模块的配置，读消息详细说明当前配置。

输入在RX线上发送到接收器，输出从TX线上的接收器发送。默认情况下，输出消息每秒发送一次。该协议允许标准和专有输入/输出（图4）。

图4：微处理器通过GPIO或UART，TX和RX连接与GNSS模块通信。注意，这里使用一个300Ω铁氧体磁珠从电源到有源天线限制射频干扰）（影像资料来源：领新技术）

的NMEA协议的消息结构是简单的，例如：

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

为标准消息的消息ID开始于NMEA '讲话者' ID： “$ GP”表示GPS，“$ GL”表示GLONASS，“$ GN”表示全球导航。所述GNSS模块通常相呼应的命令回给已被执行的命令后的主机处理器。

“$ GPZDA，183746.000,22,08,2017 * 56 ”，例如，是一个详细说明通用时间和日期的GPS消息（2017年8月22日18：37：46.0）。

许多模块制造商，如Telit，都选择专有的命令方案。 （“$ P ...”表示这是一个专有的方案，以及“... STM ...”是制造商的ID，在这种情况下在Telit的木星JF2 GNSS模块使用的意法半导体芯片。）

命令ID描述$ PSTMINITGPS初始化GPS位置和时间$ PSTMINITTIME 1 Intialize GPS时间$ PSTMCLREPHS清除所有的星历数据$ PSTMDUMPEPHEMS转储emphemeris数据$ PSTMEPH负载的星历数据$ PSTMNMEAONOFF切换NMBA输出ON和OFF $ PSTMCOLD执行冷启动$ PSTMWARM执行热启动$ PSTMHOT执行热启动$ PSTMSRR执行系统重置$ PSTMGPSRESET重置GPS引擎$ PSTMGETSWVER获取GNSS库版本$ PSTMSBASONOFF切换SBAS功能ON和OFF $ PSTMSBASSAT选择SBAS卫星PRN码$ PSTMSETCONSTMASK设置GNSS星座掩码

例如：

“$ PSTMCOLD，0x02 ”执行冷启动并（可选）清除星历数据;和“$ PSTMINITTIME，23,02， 2018,09,44,12 “将当前的GPS通用时间初始化为2018年2月23日的9:44:12。

模块制造商通过提供评估套件简化了开发过程如果模块具有内置天线，则包含GNSS模块并包括天线或天线调谐。例如，Antenova提供M20048 RF模块评估板，Linx Technologies为TM系列提供MDEV-GNSS-TM开发套件。在评估模块时，评估模块都不需要微处理器，因为评估套件直接连接到PC的USB端口，PC随后提供输入消息和监控操作（图6）。

图6：Antenova的M20048评估套件包括一个微型USB接口，可通过PC进行控制和配置。 （图像来源：Antenova）

正确供电GNSS模块至关重要

由于需要检测微弱的RF信号，GNSS模块需要干净，稳定的电源以确保高信号噪声比（SNR）。规格根据所选的GNSS模块而有所不同，但一般来说，峰值噪声应保持在20毫伏（mV）以下以避免出现问题。

虽然一些GNSS模块包含一个板载稳压器，但它是建议使用外部主调节器为模块供电。如果选择开关模式电压调节器来提高效率并延长电池寿命，设计人员应考虑将器件与低压差（LDO）线性稳压器结合使用，以限制GNSS模块电压输入的噪声。

如果效率不是一个挑战，单独使用LDO稳压器是一个不错的选择，因为材料清单降低了，并且稳压输出比开关稳压器更清洁。无论电压调节器选择如何，采用滤波器电路来清理输入电压也是一种很好的设计实践。

GNSS模块（例如，M20050）通常包括两个电压输入，一个用于为主数字电源供电和处理电路以及第二个为RAM和时钟提供备份。

除了控制和配置GNSS模块外，主机微处理器还管理电源模式以帮助延长电池寿命。例如，M20050模块支持三种这样的模式：备用，备份和定期。待机关闭模块的RF部分并使处理器处于待机状态。时钟和RAM保持供电以维持模块配置。

主电压输入关闭时进入备份模式。当模块从省电（休眠）模式唤醒时，此模式用于辅助快速TTFF，因为历史星历数据保留在模块的RAM中。

周期模式通过短时间唤醒模块来降低电流消耗重新建立卫星修复，然后返回睡眠模式。此模式对于加速TTFF非常有用，因为星历数据会定期刷新而不是仅保留（图7）。

图7：周期模式可以频繁刷新星历数据，以确保激活GNSS模块时的快速TTFF。 （图片来源：Antenova）

结论

国际卫星导航系统的激增增加了GNSS对精确位置跟踪的可访问性和准确性。虽然GNSS系统的设计并不容易，但GNSS模块通过提供经过组装，测试和验证的资产跟踪解决方案，大大简化了问题。