新一代GNSS模块为追踪应用添加快速采集和提高集成度

使用全球导航卫星系统（GNSS）进行跟踪的应用现在能够使用多个全球定位卫星星座，如美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧洲的伽利略或中国的北斗。多个系统的使用确保了更好的覆盖范围，更快的采集速度和更高的定位精度，但它增加了设备成本并增加了开发时间。

随着资产跟踪等GPS应用的增长，芯片供应商努力解决这些成本和开发时间问题，导致低成本模块化GNSS解决方案的发展。这些第一代模块为具有有限经验的设计人员提供了更具成本效益和更直接的GPS。但是，功能上的一些妥协是不可避免的。它们实施起来过于复杂，评估工具很少见。

现在出现了新一代GNSS模块，它解决了早期模块的缺点，并且成本最低。这些器件具有更高的采集速度和精度，并具有更高的集成度，可降低设计复杂性并减小解决方案尺寸。它们还带有评估平台，使开发人员可以更轻松地构建，测试和配置原型。

本文介绍了第二代设备的主要增强功能，并展示了如何使用现代设备GNSS模块评估板为设计原型。

GNSS模块的演变

从头开始设计GNSS系统是一项复杂的业务。这些困难促使廉价模块化解决方案的出现成本低于每单位50美元，具有合理的性能，紧凑的尺寸和低功耗。

然而，为了保持低价并加速商业化，存在一些缺点第一代模块化GNSS解决方案，包括：

低无线电灵敏度：灵敏度差，延长了接收机拾取固定其位置所需的三颗（至少）三颗卫星所需的时间。早期模块的低无线电灵敏度导致首次定位时间（TTFF）至少一分钟且通常更长。即使热启动，接收器自上次使用后仍未移动，并且仍然在板载内存中有先前的位置信息，可能需要30秒以上。

受限制的内存分配：低内存容量限制了星历数据的存储（有关卫星星座当前和未来轨道位置的信息）。如果GNSS模块长时间丢失卫星信号，则存储的星历信息会过时，重新采集可能需要几分钟。

缺乏定位精度：位置精度主要由时间同步决定与卫星时钟。 1纳秒的同步误差导致30厘米的位置误差。早期模块中的定时误差精度限制在±15米之内。

缺乏辅助和增强的GNSS：早期GNSS模块无法利用通过将GNSS信号参考基站信号来帮助定位精度的系统已知位置。

最小集成：第一代模块中不包括闪存，晶体和电源管理等关键组件，这使设计复杂化并增加了解决方案的尺寸。

缺乏评估工具包：在能够测试提议的设计之前，工程师被迫构建自己的硬件原型。

固件：早期模块提供的固件很少或没有提供重新配置或升级导致现场设备快速软件过时。

解决这些缺点的新一代GNSS模块现已进入市场。在提交到特定组件之前，工程师可以从几个高性能集成模块中进行选择并使用制造商的相关评估套件来尝试概念。

例如，Maxim Integrated的MAX2771ETI + GNSS接收器提供高度集成在一个5 x 5毫米（mm）的包装中。具体来说，该器件集成了完整的接收器链，包括双输入，低噪声放大器（LNA），混频器，滤波器，可编程增益放大器（PGA），多位模数转换器（ADC），分数N频率合成器和晶体振荡器。

值得注意的是，该器件通过实现片上单片器件来消除外部中频（IF）滤波器。结果是一个模块只需要几个外部元件就可以形成一个完整的，低成本的GNSS RF接收器解决方案（图1）。

图1：Maxim的MAX2771ETI +集成了完整，低成本GNSS RF接收器的关键元件，限制了所需的外部元件数量。 （图像来源：Maxim Integrated）

辅助GNSS和增强的位置精度

第二代GNSS模块还提供更快的卫星采集和更高的定位精度。获取卫星位置的部分改进是由于增加的存储器来存储更多的星历信息，以便在长时间的信号丢失期后更快地重新获取卫星。然而，即使使用大闪存，准确的星历数据对于GPS只有4小时有效，对于GLONASS则有效30分钟。

使用“辅助GNSS”，这是一种技术，模块通过另一个有线或无线连接从外部源获取星历信息，而不是直接从卫星获得星历信息。

例如，模块供应商u-blox提供的服务可以通过互联网连接的主机微处理器访问星历数据，并在启动时将其输入模块。该服务的离线版本也是可用的，其中下载最多35天的轨道数据并存储在主处理器和/或GNSS模块闪存中。此外，u-blox提供其“AssistNow”技术，该技术使用历史数据预测未来六天的卫星轨道位置。

辅助GNSS等技术可以从60秒左右开始改善冷启动TTFF生成GNSS模块到27秒（对于GPS和GLONASS星座），对于更新的模块，例如u-blox的EVA-M8M-0 GNSS模块。该解决方案提供-148 dBm的冷启动灵敏度，有助于在没有辅助GNSS的情况下加速TTFF。

基于卫星的增强系统（SBAS）也可用于显着提高成本的定位精度 - 有效的GNSS模块。这些系统利用来自广域差分GPS（WADGPS）等技术的附加区域或广域GNSS增强数据补充GNSS数据。 WADGPS使用来自已知位置的固定基站或地球静止卫星的信息，这些信息保持在相对于地球表面的固定位置。这些信息允许GNSS模块校正定时和位置误差，以提高定位精度。例如，EVA-M8M-0 GNSS模块可以使用SBAS提供±2.5 m的定位精度（图2）。

图2：第二代GNSS模块采用SBAS技术来提高定位精度。 SBAS使用地球静止卫星和固定基站来补偿由太阳活动和电离层影响引起的GNSS定时误差。 （图片来源：u-blox）

EVA-M8M-0是一种高度集成的设计，只需在大多数应用中添加外部GNSS天线。值得注意的是，该模块包括一个内部微处理器该模块还包括内部RAM和ROM，以及连接到外部闪存的串行四通道接口（SQI），以便在需要时进行额外的数据存储。还提供连接外部晶体以进一步提高定时精度。

通过长期建立的国家海洋电子协会（NMEA）协议或u-blox专有的UBX协议，与GNSS模块进行配置通信。通过I/O端口向接收器发送任何“UBX-CFG-XXX”消息，可以在正常操作期间更改配置。通过发送带有适当“saveMask”（“UBX-CFG-CFG/save”）的“UBX-CFG-CFG”消息，可以永久配置。

使用第二代GNSS模块进行设计

使用GNSS模块进行设计需要遵守既定的RF设计指南。天线选择，印刷电路板布局，晶体选择和调谐电路设计将对无线电灵敏度和性能因素（如TTFF和位置精度）产生重大影响。

此外，虽然一些GNSS模块具有嵌入式微处理器，但配置和应用控制通常需要单独的外部控制器。大多数GNSS模块通过串行GPIO，I 2 C端口或UART与外部微处理器通信。 （参见Digi-Key文章“快速使用GNSS模块的设计位置跟踪系统。”）

由于任何RF应用的硬件要求都很挑剔，因此测试一个入围模块的性能非常有用。构建硬件原型。第二代模块现在配有评估套件，使设计人员能够做到这一点。

例如，意法半导体提供其Teseo-LIV3F GNSS模块评估板。该板是Teseo-LIV3F GNSS模块的独立评估平台。该模块是一个完全集成的器件，包括一个基于嵌入式ARM ®微处理器的GNSS内核，晶体和实时时钟（RTC），电源管理，UART和I 2 C连接，以及16兆位（Mbits）的闪存。这些都集成在一个尺寸为9.7×10.1 mm的封装中（图3）。板载闪存允许长达7天的辅助GNSS，固件重新配置和固件升级。

图3：STMicroelectronics的Teseo-LIV3F GNSS模块高度集成。值得注意的是，该模块包含一个Arm微处理器和16 Mbits的闪存。 （图片来源：STMicroelectronics）

Teseo-LIV3F GNSS模块提供32秒冷启动TTFN，-147 dBm冷启动灵敏度和SBAS，可将定位精度提高到±1.5 m以内。

< p>配置Teseo-LIV3F GNSS模块评估板是通过连接电路板的“UART”输入来完成的。这实际上是USB型连接器，可以轻松连接到PC，但评估板包括FTDI的内部USB到UART桥，允许PC直接与模块通信。然后，GNSS模块的UART作为标准COM端口出现在PC的应用软件上，尽管PC和GNSS模块之间的实际数据传输是通过USB接口实现的（图4）。

图4：对于配置，STMicroelectronics评估板通过USB连接器连接到运行应用软件的PC。 USB信号通过FTDI的桥接器转换为GNSS模块使用的UART信号。 （图片来源：STMicroelectronics）

配置微处理器通常使用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，写消息和读消息。模块输出每个输入/输出的响应。命令用于改变模块的操作状态，写消息改变模块的配置，读消息提供当前配置。

输入从主机微处理器发送到UART上的GNSS接收器或I 2 C RX线，输出从TX线上的接收器发送。默认情况下，输出消息以每秒一个的速率发送。该协议允许标准和专有输入/输出（图5）。

图5：GNSS接收器和主机微处理器之间的通信是通过UART或I 2 C通道进行的，并使用NMEA协议。 （图片来源：STMicroelectronics）

NEMA协议的消息结构很简单，例如：

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

and

”message-ID， * “对于消息。

许多模块制造商选择专有的命令和消息方案。例如，意法半导体的NMEA命令采用“$ PSTM ...”的形式，表明指令采用公司专有（“P”）格式。

要配置Teseo-LIV3F GNSS模块评估板，请安装STMicroelectronics的Teseo Suite Light，这是一个基于PC的应用程序。按照程序的直观界面，可以直接将设备添加到配置列表并激活端口连接。

例如，一旦UART端口处于活动状态，设备就会开始运行，并且可以观察NMEA视图面板，检查从GNSS模块发送的消息和命令。

执行命令后，GNSS模块将回复预定义的消息，并将命令作为最终执行确认发送回主机。例如，为了测试STMicroelectronics的ST-AGNSS技术的效果，使用表1中所示的NMEA命令控制接收器。

语法说明 $ PSTMSTAGPSONOFF 打开/关闭STAGPS™引擎 $ PSTMSTAGPSINVALIDATE 清除STAGPS内部数据库中的数据 $ PSTMGETAGPSSTATUS 返回STAGPS内部处理的状态 $ PSTMSTAGPSSETCONSTMASK 在ST-AGNSS星座之间切换

ST-AGNSS是一种辅助GNSS，它向GNSS接收机提供星历数据的时间远远少于从TTFF卫星获取实际数据所需的时间。

结论

模块化GNSS技术将位置跟踪技术扩展到更广泛的应用。现在，集成，硬件，固件，辅助GNSS和增强定位方面的改进将第二代设备扩展到快速修复时间和增强位置精度至关重要的应用。新模块继承了其前代产品的尺寸，成本和功耗优势，但得到了评估板和基于PC的应用软件的支持，大大简化了设计过程。