降低功耗噪声是GPS设计难题-DR技术实现无间断导航

降低功耗噪声是GPS设计难题-DR技术实现无间断导航

 车载GPS(全球定位系统)导航系统目前十分具有市场前景，但在服务与技术的不断融合中，也面临诸多挑战。GPS与通信系统更紧密的结合是未来的趋势之一，整合之后的系统可提供交通情况、旅游景点信息等移动位置服务。引入DR(方位推算技术)功能后，系统将可实现无间断定位导航。对于GPS接收器来说，降低功耗、抑制噪声和干扰成为设计关键。

   GPS与通信系统更紧密地结合是未来的趋势之一，整合之后的系统可提供交通情况、旅游景点信息等移动位置服务。引入DR功能后，系统将可实现无间断定位导航。

　　GPS服务内容不断增加

　　信息、通信和娱乐是电子技术发展最快的三大领域，汽车电子是十分具有发展前景的新兴市场，因此二者的结合必然能带来更大的利润空间。汽车电子领域发展迅速的资通娱乐系统即结合了信息、通信和娱乐三大领域最前沿的应用，已成为车体、传动及安全三大传统系统以外的第四大系统。
　　资通娱乐系统是新兴车载应用，其被称为Telematics，即集合了通信和信息两方面的功能。按使用场景的不同，Telematics在产品定位上可以分为可携式设备和车装式设备两种，这两类设备又可依据是否具备对外的通信功能，再进一步将Telematics市场分为四大块。其中车载GPS导航定位在Telematics系统中具有关键性的地位，其在车载系统中已逐渐成为必备的装置，而且不断发展出增值性的功能。
　　车载GPS系统除了可为驾驶提供导航信息等基本功能外，还在开发新的服务内容。GPS与无线通信技术结合便能为Telematics的服务供应商提供定位信息，当车辆遇到困难需要援助时，服务中心收到车辆的位置信息即可为车主提供道路救援；出租车或公交车、游览车也可运用GPS来发挥车队追踪及管控的功能；此外，车辆丢失后也可通过此功能减少损失。

　　DR技术实现无间断导航

　　DR即方位推算技术，主要用于GPS接收卫星信号有困难的场合。GPS系统需要接收卫星信号来实现定位和导航功能，而在信号不好或信号屏蔽较大的环境中，例如地下室、山洞、隧道、高楼林立的街巷等，GPS系统可能完全无法接收信号，此时就需要DR的帮助。
　　DR技术可作为GPS的补充性暂时导航工具，其原理是通过测量与计算距离与方向等影响位移的物理量来推算出车辆的相对位置改变。一般线性距离通过里程表或加速度传感器来测量；高度的变化需要气压计等装置；而罗盘、陀螺仪或差分里程计则用来测量转动角度。
　　由于DR采用计算的方式获得定位信息，因此虽然在短时间内其正确性相当高，甚至可以高于GPS；但较长时间后，由于累计误差的影响，其导航定位精度会大幅度下降。这时重新利用GPS系统找出绝对的位置，才能再次使用DR。DR和GPS是相辅相成的车载导航系统，而高准确度的定位不能单纯依靠DR。目前受DR传感器的准确度、成本以及与导航系统整合的算法开发等方面的影响，商品化的DR产品仍然不多。
　　里程表是车辆的基本配置，现代汽车电子技术可通过CAN(控制器局域网)总线来把里程表与GPS接收器相连接来实现辅助定位，但里程表的准确性会因为长时间的使用而降低。GPS与先进的MEMS(微型电机系统)技术的结合可克服精度差的缺点。加速度传感器和陀螺仪基于MEMS技术，具有很小的尺寸，十分容易集成到GPS系统，但要提升DR系统的精度，要时常进行在线传感器的校准，这时就需要GPS的定位信号来修正DR传感器的参数项目。另外，MEMS虽然可实现高精度，但由于其造价较高，由此造成的成本上升也不可避免。

　　降低功耗和噪声是设计难题

　　车载GPS的硬件系统主要由天线、RF（射频）、基带、处理器、内存、总线接口等模块构成。在系统构架上，这些模块可以采用集成或独立式，前者将多个单元整合为一颗系统单芯片、单封装或模块，以降低设计的难度及成本；后者采用各自独立的架构来实现设计上的高灵活性。当系统工程师在进行设计时，必须在性能、成本与灵活性三方面间进行权衡。
　　准确性、灵敏度、第一次定位时间及通道数量是GPS接收器性能方面的重要指标，同时实现这四个方面的要求必然会在处理器性能、相关器信道数量、内存容量及接口速度等方面提出极高的要求，大幅提高产品成本。因此，明智的做法是在四者之间做出取舍，以迎合市场对性能和价格的多方面要求。
　　功耗和噪声是常遇到的两个难题，对于GPS接收器来说，功耗的降低和噪声、干扰的抑制成为系统设计的关键。噪声主要是从高频转低频的过程中产生，因此噪声抑制机制必须在此环节实施。例如可通过在射频前端与相关器之间配置适当的电阻器来将SAMP CLK的信号谐波降到最小，以避免其混杂在中频链路当中，达成抑制噪音的目的。此外，各单元在电路上的布局和布线也需要进行妥善的规划，因为这些因素也会影响干扰的状况。
　　功耗的主要来源是相关器的运作，因此降低功耗需要能分别控制每个相关器通道，即当不需要启动所有信道的时候，系统能自动调整，仅启动所需的相关器通道。此外，使用备用电池能将电源电压降低，也有助于节省功耗。

　　GPS性能与天线密切相关

　　GPS系统的性能与天线密切相关。卫星信号的背景噪声一般为-136dBW，为避免干扰，国际电信法规规定卫星传送的信号不得大于-154dBW，如此微弱的GPS信号要求天线必须具有相当高的灵敏度。
　　GPS天线的灵敏度会受到其形状的极大影响，由于GPS的信号属于圆极化波，所以GPS接收天线也必须采用圆极化的工作方式。可用于GPS的天线种类包括片状、螺旋式和平面倒F型等，其中片状及螺旋式应用最多。
　　平板天线的成本较低，耐用性较强而且制作相对容易，但方向性是其明显的缺点。方向性使平板天线要面向天空才能有较好的接收效果，因此在应用上会受到极大限制。除此之外，平板天线的精度也不是很稳定，其虽然能顺利接收到正上方的卫星信号，但若不能获取低角度的卫星信息，误差也会相对较高。
　　四臂螺旋天线拥有360度接收能力，天线在任何方向都有3dB的增益，能让GPS接收器以各种角度摆放，而且能接收到很低角度的卫星信号，这是与平板天线相比的优势所在。此外，Balun(巴伦)电路设计是一种更好的做法，其优点是可有效地隔离天线周围的噪音，并容许各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干扰，这对于尺寸要求很高的手持设备天线设计十分适合，然而螺旋式天线与平板天线相比成本较高，这是其缺点之一。

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　　GPS系统架构

　　GPS定位系统的工作方式是利用卫星基本的三角定位原理，GPS接收装置先找到三颗以上卫星的所在位置，再计算每颗卫星与接收器之间的距离，就能得出接收器在三维空间中的坐标值。GPS系统的二十多颗卫星会传送L1及L2两种频率分别为1575.42MHz及1227.60MHz的信号。一般民用的GPS接收机只需接收L1，即1575.42MHz频率的信号。
　GPS接收端的控制功能由微处理器或微控制器实现。处理器可以是独立的单元，也可以和基带集成。目前低端GPS接收器产品通常采用ARM7作为核心；高端产品一般为ARM9。此外，这类组件也会具备微处理器支持功能，例如UART(通用异步接收/发送装置)和实时时钟(RTC)等。
　

  客户接收端的GPS装置会接收来自导航卫星的定位信号，它是一种单向的GPS信号接收器。首先，GPS天线会接收GPS卫星信号，再经由RF（射频）前端将高频信号转为中频、低频数字信号传送到GPS基带模块。基带的核心技术在于相关器的设计，相关器主要通过比对找出正确的卫星编号，进而比照取得多颗卫星的万年历和广播星历等资料。相关器的通道越多意味着越能更快速地找到卫星的位置，目前一般GPS接收器都至少提供12个通道的相关器，更高端的接收器则具有16甚至32个通道的相关器。