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发表于 2007-12-12 19:18:53
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全球卫星定位系统
GPS 概述： Global Positioning System，简称GPS，即全球卫星定位系统，近年来得到了越来越广泛的应
用，已经产生了可观的GPS 产品需求。并且随着科技水平的提高、应用方向的不断开拓，GPS 将会不容置疑的迅
速渗透到人们的日常生活中来。我们经常提到的GPS 定位系统由美国军方所设计、控制。除此之外，我国的北斗
双星定位系统正在默默地为我国的现代化建设做贡献；俄罗斯的GLONASS 系统也曾有过辉煌的历史；欧盟组织设
计的伽利略卫星定位系统兼容目前广泛应用的GPS 系统，在几年后将会给全球定位系统增添更加光彩的一页。
GPS 的工作：GPS 系统由三大部分组成：空间部分、控制部分和用户部分。空间部分是GPS 人造卫星的总称。
人造卫星的平均高度约20200Km，运行轨道是一个椭圆，地球位于该椭圆的一个焦点上；运行周期约12 小时。在
6 个倾角约55°的轨道面上不平均地分布着近30 颗导航卫星，部分为备用卫星，美国军方可通过地面控制部分调整
工作卫星的数目。在GPS 系统中，GPS 卫星是动态的已知点，用户端所有的导航定位信息都是依据这个动态已知
点发送的“星历”计算得到的。GPS 星历，实际上是一系列描述GPS 卫星运动及轨道的实时状态参数。民用GPS 模
块所接收到的广播星历是由GPS 卫星以扩频通信方式通过导航电文直接向用户播发的用于实时数据处理的预报星
历，在不同的载波上以不同的速率广播民用的伪随机码C/A 码星历和军用的P 码星历。
对于整个GPS 系统来说，实际上地面控制部分是整个系统的核心。所有的GPS 卫星所播发的用于导航定位的星历，
都是由分布在地面的5 个监控站提供的。地面系统负责监测GPS 信号、收集数据、计算并注入导航电文，状态诊
断、轨道修正等。正是有了地面监控系统的海量数据处理，才使得GPS 系统精确运转。
我们常说的GPS 定位模块称为用户部分，它像“收音机”一样接收、解调卫星的广播C/A 码信号，中以频率为
1575.42MHz。GPS 模块并不播发信号，属于被动定位。通过运算与每个卫星的伪距离，采用距离交会法求出接收
机的得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，特点是点位速度快，但误差大。初次定位的模块至少需要4
颗卫星参与计算，称为3D 定位，3 颗卫星即可实现2D 定位，但精度不佳。GPS 模块通过串行通信口不断输出NMEA
格式的定位信息及辅助信息，供接收者选择应用。
GPS 模块性能的评价指标主要有接收灵敏度、定位时间、位置精度、功耗、时间精度等。模块开机定位时间在不同
的启动模式下有很大不同。一般来说，冷启动时间是指模块内部没有保存任何有助于定位的数据的情况，包括星历、
时间等，一般标称在1 分钟以内；温启动时间是指模块内部有较新的卫星星历(一般不超过2 小时)，但时间偏差很
大，一般标称在45 秒以内；热启动时间是指关机不超过二十分钟，并且RTC 时间误差很小时的情况。一般标称在
10 秒以内；重新捕捉时间就如同汽车钻过了一个隧道，出隧道时重新捕捉卫星。一般标称在4 秒以内。
如果模块在定位后放的时间很久，或模块在定位后运输到几百公里以外的地方，这样模块内部有星历，但是这个星
历是错误的或不具有参考意义的。在这些情况下，定位时间可能要几分钟甚至更久的时间。所以一般GPS 模块出
厂时要将模块内部的星历等数据清掉，这样客户拿到模块后可以冷启动方式快速定位。
定位精度可在静态与动态情况下进行考察，且动态定位效果优于静态定位。GPS 模块所标称的定位参数是指在完全
开放的天空下，卫星信号优良的情况下测得。所以在常规的测试中很难达到标称的定位时间与定位精度。常见的水
平定位精度描述方式有两种：一是?m CEP，即圆概率误差，意指测出的点有50%的概率位于一个以真实坐标为圆
心，以?m 为半径的圆内；二是?m 2DRMS，即2 倍水平均方根误差，意指测出的点有约95.5%的概率位于一个以
真实坐标为圆心，以?m 为半径的圆内。
GPS 模块的定位精度取决于很多方面，比如来自于GPS 系统的卫星钟差及轨道差、可见GPS 卫星数量及几何分
布、太阳辐射、大气层、多径效应等。另外，同一个GPS 模块，还会因为天线及馈线质量、天线位置和方向、测
试时间段、开放天空范围及方向、天气、PCB 设计等原因产生不同的定位误差。即使是同一个厂家同一个型号的不
同GPS 模块使用天线分集器同时进行测试时，静态漂移量也会有差别。
GPS 模块在实际应用中经常作为时间基准，辅以模块内部的RTC，可获得非常高精度的时间参考，为产品的设计
提供了很大的方便。至于GPS 测速，只是在获得经纬度的基础上，进行简单的计算实现的一种扩展应用。
GPS 常见的天线是陶瓷平板天线，这种天线成本低，外部加有源放大电路，接收信号方向单一，增益比较高，所以
采用最多。但它的缺点是体积大，易受温度影响产生频率飘移。如果把陶瓷面积做小，会影响接收增益；如果做薄，
会影响接收天线接收带宽，还会受有源放大部分影响。目前使用效果很好的尺寸是25×25×4mm3。陶瓷片天线在实
际使用时垂直向上放置时的效果最好。
GPS 天线的信号传输线同样非常重要，包括外部馈线与PCB 走线。只有在阻抗匹配时输出功率才可能最大。因此
整个传输线要保证50Ω的高频阻抗，对于PCB 上如何设计RF 走线阻抗，有些小软件可以帮您很方便的计算。
作者：Stanley Zhang
完整的GPS
＋蓝牙接收系统解决方案
目前，以GPS 为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大
无线产业之一。随着技术的进步、应用需求的增加，GPS 以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独
具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS 成为继蜂窝移动通信
和互联网之后的全球第三个IT 经济新增长点。
图1：LEA-4H 的实物图。
目前，以GPS 为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。随着技术的进步、
应用需求的增加，GPS 以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测
量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS 成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个IT 经济
新增长点。
而蓝牙技术带给了人们一种全新的概念。可以说，任何应用只
要涉及到两个或多个设备间短距离和I/O 要求相对较低的无线
通信， 蓝牙都有用武之地。
主模块结构及主要功能
LEA-4H 是U-Blox 公司推出的GPS 模块，尺寸仅为17×22mm，
内置低噪声放大器，支持无源和有源天线。该模块硬件由ATR0600 RF
前端芯片、带ARM7TDMI 处理器的ATR0 芯片ATR0610 组成。采用在业界居于领先地位的ANTARIX GPS 技术，
可以在天空视野受限的区域，如建筑物密集的市区，为用户提供动态条件下的出色导航性能，可以在不降低精度的
情况下利用弱接收信号为用户提供高灵敏度的定位输出，并且支持DGPS 与多SBAS 系统，如WAAS 和EGNOS
定位。16 路并行通道与8192 时域/频域搜索位提供快速的启动时间。辅助功能又能进一步加速了启动时间。低功耗
与FixNow 节能模式使该产品实用于手持与电池供电类设备，LEA-4H 的实物图见图1，架构见图2。
CAT 模块是ISSC 公司推出的高集成度蓝牙模块。该模块完全兼容蓝牙V1.2 标准。该模块有电源检测和管理功能，
同时具体有高性能、低功耗、小尺寸和低成本等特点。CAT 模块实物见图3，架构见图4。
图3：CAT 蓝牙模块实物图。
方案特点:
丰宝电子的GPS＋蓝牙接收系统完整解决方案(架构见图5，实物见图6)由该公司基于自己代理的UBlox
的GPS 模块和ICCS 的蓝牙模块而设计，它可以将GPS 的定位信息接收下来通过蓝牙发送给
相应的设备。同时公司可以根据不同客户要求，进行可行性分析，设计满足客户要求的GPS＋蓝牙
接收系统。
该方案的其它一些特点如下：
1. 蓝牙支持的波特率为4,800-57,600bps；
图2：LEA-4H 的内部架构。
2. 电源管理；
3. 电池电量检查；
4. GPS 支持16 通道；
5. GPS 冷启动时间34 秒，热启动时间小于3.5 秒；
6. GPS 捕获灵敏度为-148dBm，跟踪灵敏度为-158dBm。
整体方案架构概述
1. 天线
GPS 的天线分为有源天线和无源天线两种，有源天线中加入了低噪声放大功能，对于接收到的信号，
在进入GPS 前已经进行了一次放大，主要用在车载定位导航系统中，而无源天线主要用在便携式产
品中。丰宝电子的这款方案使用的就是无源天线。无论有源天线还是无源天线，信号进入GPS RF 接
收脚之前的一段PCB 走线要求具有50 欧姆的阻抗匹配，同时，对于无源天线，它的中心频率与PCB
的大小以及产品的外壳有一定的关系。因此，在最终产品定型后，需再次进行无源天线的频率调整，
以达到最佳的接收效果。
图4：CAT 模块的架构图。
对于蓝牙的天线，使用市场上有售的产品即可。
2. 电源
通过RTI9501A、2SK3081、CAT 蓝牙模块的电源检测脚及GPIO 口控制整个系统的电源工作模式，以实现电池使
用效率最高。而整个方案采用可充电锂电池供电。
3. 输入
通过GPS 天线把GPS 信号接收下来，通过射频脚输入到GPS 模块中，GPS 模块根据接收的信号进行信号分析处
理。
图5：丰宝GPS+蓝牙系统组成简图。
图6：丰宝电子GPS+蓝牙接收系统实物图。
4. 输出
GPS 把信号分析处理后，得到当时的经纬度、时间、速度等信息，然后把这些信息通过串口送给蓝牙模块，蓝牙模
块将接收的信号经过处理后通过天线发送出去，以便与带蓝牙功能的PC、PDA 等设备通讯。
市场开拓部应用工程师
上海丰宝电子科技有限公司
低成本GPS
接收机的设计
在商用或专用无线应用中，全球定位卫星的L1 波段信号是最微弱的。在GPS 接收机天线处收到的信号功率通常都
淹没在热噪声基底中。为成功地恢复出这些微弱信号，接收机必须具有足够高的接收灵敏度，并能抑制带外干扰。
本文主要讨论在设计一个外围元件很少的低成本商用GPS 接收机时，应该考虑的主要系统参数。这种系统的目标
接收灵敏度为-139dBm。
全球定位系统(GPS)是一种精密的卫星导航系统，由美国国防部投资构建。该系统由24 颗绕地球旋转的卫星组成，
它们均匀分布在6 个轨道上，每个轨道有4 颗卫星。这些卫星连续不断地发送位置、时间信息，地面GPS 接收机
可接收5~12 颗卫星的信号。为实现地面定位功能，GPS 接收机至少需要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、海拔高度，第四个则提供同步校正时间。
如图1 所示，每个卫星都在两个载波上发送两个直接序列扩频(DSSS)信号。之所以要使用扩频技术，是因为它具
有很好的抗窄带干扰能力。第一个载波频率驻留在L1 波段(中心频率为1575.42MHz)，另一个载波频率驻留在L2
波段(中心频率为1227.6MHz)。L1 波段主要是民用，包含两种代码，一个为粗捕获码(C/A 码)，另一个为精测距码
(P 码)。L2 波段仅用于军事设备，它只有P 码。所有24 颗卫星的L1 波段卫星信号都能够占用相同频段而相互干扰，
因为在上变频和发射之前，它们都经由一种伪随机噪声(PRN)码(一共有32 种这样的PRN 码)扩频到2.046MHz 的
带宽上。
图1：L1 和L2 波段中P 码和C/A 码GPS 信号。
通过PRN 码扩频后的GPS 信号不但可以与其它信号区分开来，而且还具有抗干扰能力。抗干扰能力主要取决于系
统的处理增益，处理增益越高，GPS 信号就扩展得越宽。如果将信号扩展到很宽的频带上，那么只有小部分信号会
被窄带干扰破坏。信号经过解扩后，窄带干扰被扩展。对GPS 应用来说，每个PRN 码序列的长度为1023 位，
扩频速率为1.023Mbps，这样，处理增益被定义为：
处理增益=10log (码片率/数据速率)=43dB (1)
在本例中，码片率=1.023Mcps，数据速率=50bps。
解扩后GPS 信号的质量决定了GPS 接收机的精度，它由比特误码率(BER)来量化。假设要求基带处理器的BER
为10-5， 则用于BPSK 调制的相关器的Eb/N0 不小于9.5dB。Eb/N0 定义为每比特能量与噪声谱密度的比值。从所
要求的9.5dB 的相关器Eb/N0 中减去43dB 的处理增益，可得到相关器输入端的信噪比为-33.5dB。
假设软件GPS 的执行损耗为3.5dB，则量化器输入端的信噪比(SNRQUANTIZER)为-30dB。在整个2.046MHz 采样带
宽内，集成噪声功率(kTB，T=290K)近似为-111dBm。为获得-139dBm 的目标灵敏度，所需的接收机级联噪声系
数等于-28dB 的天线端信噪比(SNRANTENNA=-139dBm/-111dBm)与-30dB 的量化器输入端信噪比之差。
NF=SNRANTENNA /SNRQUANTIZER=-28dB-(-30dB)=2dB (2)
图2：MAX2741 与
Philip 推出的软件GPS 方案相结合，能实现成本低、外围元件少、灵敏度高达-139dBm 的商用GPS 接收机设计
用MAX2742
构建GPS
接收机
MAX2742 是CMOS、单芯片、GPS 前端下变频器。这款性能优异的器件只需消耗极低的功率(32mW，2.4V)，并
且不需要昂贵的IFSAW 滤波器和体积庞大的分立IFSAW 滤波器。MAX2742 片内集成了低噪声放大器(LNA)、混
频器、BPF、自动增益控制放大器(AGC)、本振合成器、时钟缓冲器和内部数字采样器。
该器件能够与许多商用GPS 基带IC 接口，适合多种应用，其中包括：汽车导航、远程信息处理、自动安全监控、
资产跟踪、定位服务(LBS)及其它消费类电子产品。用MAX2742 构成一个完整的GPSRF 解决方案只需少量的外部
元件。以下给出了系统框图。
MAX2742 工作于18.414MHz 晶体或TXCO，提供差分或单端IF 输出(1.023MHz)。总的信号变换增益为120dB，
噪声系数4.5dB。IF 信号以18.414MHz 的参考时钟频率进行采样。
图1 给示了Maxim 完整的GPSRF 方案的重要结构框图和特点。表1 给出了框图说明，表2 给出了级联特性。
图1：GPS RF 前端框图。
图3 给出了参考设计的实际PCB 布线图。这个完整的解决方案仅占用25x25mm 的PC 板空间
单芯片A-GPS
方案解决手机导航问题
图2：完整的GPS 接收机框图。
位置服务的灵感来源于英飞凌和其美国合作伙伴Global Locate 共同开发的名为“A-GPS 硬件/软件系统解决方案
">Hammerhead”的PMB2520 单芯片辅助全球卫星定位系统(A-GPS)解决
方案。A-GPS 定位指使用全球卫星定位系统，并接收来自蜂窝移动电话
网络的“辅助信息”来进行定位。A-GPS 可以在不到一秒钟的时间内对用户
进行精确定位，其定位精度高达几米。其高灵敏度意味着无论是在建筑物
内还是在很深的郊区峡谷内，它都可以可靠地工作。
A-GPS
基本原理
由于GPS 系统的性质，对卫星信号中的数据进行核对是一项既复杂又耗
时的工作，但在自主操作中又是无法避免的。直接从手机移动网络接收辅助定位信息后，由于无须从卫星信号中对
该数据进行核对，从而可以大幅减少GPS 接收机的工作量。根据信号强度，这样做可以将首次定位时间(TTFF)缩
减到几秒钟，反过来又可以大幅减少每次定位所需要的可观的能量损耗，从而实现了较长的待机和通话时间，而这
正是移动通信装置最重要的特性之一。
即使A-GPS 的信号比一般“开放天空”的GPS 信号更弱1,000 倍时，它仍然能够实现可靠的定位，这就意味着A-GPS
系统无论是在室内、很深的峡谷内或是在移动的交通工具上都可以正常工作。甚至在带有强反射信号的较差接收条
件下，复杂的算法也能够使该系统实现对信号的精确定位(智能化多径干扰抑制技术)。
该系统在使用辅助信息时基本上有两种不同的操作模式，即移动装置主模式和移动装置辅助模式。在移动装置主模
式下，手机向网络要求辅助信息，并在长达几个小时的时间内使用该数据集，第一次和随后的定位所需要的计算均
在手机内进行。该模式可以实现最快的定位，但要求移动装置具有一定的计算能力。在移动装置辅助模式下，手机
向网络请求用于每次定位的独立辅助信息，并将GPS 数据发回基站进行进一步的处理。在这种模式下，网络需要
完成的工作量大于在移动装置主模式下的工作量，因此，每次定位所需要的时间也长一些，但对移动装置的计算能
力没有什么要求。
在手机移动网络上进行所有A-GPS 相关数据交换的协议可以基于一种或两种不同的概念，即控制面(Control Plane)
或用户面(User Plane)。较早的控制面结构使用无线和核心网的专用信令通路，这种方法需要对现有网络基础设施
进行改进，这当然不利于网络运营者。在用户面(又叫安全用户面，SUPL)架构中，移动通信设备与使用IP 链接的
定位服务器进行通信，而现有的移动通信网络基础设施保持不变。数据连接可以通过常规的GPRS 连接，如利用
网络中现有的接口和协议来完成。Hammerhead 与这两种概念完全兼容。
但Hammerhead 并非总是依赖于单独从网络接收辅助导航信息。由于采用了高灵敏度.......................................... |
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IP卡
狗仔卡
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
显身卡