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新型GPS技术方案与芯片及其应用

2009年01月08日 ?? 收藏0

  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。

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。


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GPS? 射频? 嵌入式?

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