关键字：卫星 接收 定位 控制 网络 轨道 参数 传输
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。
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。
3、例举新技术GPS方案的应用
3。1应用信息娱乐系统中现有的应用处理器完成GPS／Galileo功能
独特的基于软件的GPS方案，无需改动的硬件即可完成GPS／GalileoGa升级.与全球定位系统（GPS)类似，Galileo是欧洲太空总署正在开发的欧洲导航系统Galileo.预计在几年之内完全运转起来。向GPS卫星系统中加入Galileo导航系统,与仅仅具有GPS的系统相比,将会使性能得到极大地改善.由于汽车市场具有较长的设计周期，当今制造商们正在为这项新技术的应用做积极的准备。GPS／Galileo（GNSS）技术利用系统主处理器来执行所需的GNSS定位计算，无需价格昂贵而又庞大的基带IC。因此将GNSS的整个硬件物料清单缩减为只需RF前端电路.这项新的技术所提供的性能与传统的硬件连线多芯片GPS方案相当，
但成本却是当前业界最低的，尺寸也最为纤小。该GNSS方案可为信息娱乐系统提供无与伦比的灵活性。软件提供单机模式和援助模式，并可为满足您的汽车导航需求而进行优化。图2为传统的GPS方案与新型基于软件GPS方案比较示意框图。
图2
3.2将UMPC或膝上型电脑变为一个功能完备的GPS导航系统
独特的软件GPS,成本和尺寸削减50％。全球定位系统（GPS)技术利用系统主处理器来执行所需的GPS计算，无需价格昂贵而又庞大的GPS基带IC.此外，高度集成和极为灵活的RFIC(如MAX274l)，可以最大程度的再利用其它系统资源,例如参考时钟。并且，这种基于软件的GPS只需要元件数较少的BOM表,进一步削减了GPS方案的尺寸和成本。GPS方案提供无与伦比的灵活性,可拓宽超级移动PC（UMPC)、膝上型电脑、PDA和智能电话中基于位置的应用功能.提供独立及辅助GPS模式和不同大小的软件，并可针对不同的应用进行优化，例如汽车导航、个人导航或单点位置校正应用。其示意图与图2相同。
4、核心芯片是GPS系统的关键部分之-
核心芯片的优劣在很大程度上决定了不同GPS产品的性能差异，芯片技术直接关系到GPS产品的技术指标和未来发展走向。
GPS芯片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。
这可以由嵌入式CPS导航系统的核心技术来看，以三星ARM9系列中的16／32位RISC处理器S3C2410A芯片为例，该芯片强大的实时处理能力和丰富的外围接门非常适合嵌入式系统的开发.而该系统就是基于该芯片的这些特点而设计的.该系统以SC2410A微处理器为核心,与2片32M的SDRAM（HY57V561620CT)和64M的NANDFlash（K9F1208UOB）整合为最小的一套系统；另外,就是在系统外部加装可用于收GPS信号的GPS模块，用于显示的液晶面板,以及LJDAl341TS的语音芯片系统。
而ST公司提供完整的GPS解决方案,包括GPS基带控制器以及RF接收器。ST的STA2051采用ARM7TDMI内核，增加了一个专用APB和12通道的GPS相关器,内部B256K+16K的FL
ASH存储器和6K的SRAM，以及标准STR710的所有外设资源。ST配合STA2051发布基于ST专有嵌入式操作系统OS的完整的软件运行库实现,实现GPS完整解决方案同时可提供开放的ARM和外设资源给用户,在功耗和成本上更具优势。
STA2051产品家族包括TQFP64的汽车级的STA201和消费级的STA2051GO，以及TQFPl44的更多I／O资源的STA2051E。
汽车gps导航系统 STA2051主要特性：0.18um工艺，3.3V单电源工作,低功耗；ARM 7TDMI，32位RISC引擎，Debug接口，JTAG；内嵌256k字节+16k字节FLASH，64k字节SRAM;EMI（External Memory Interface）扩展存储器接口（仅TQFPl44），分为4区,最大可扩展至64M字节;12通道GPS硬件相关器(STMicroelectronics IP）;独立的RTC（Real—Time—Clock)带唤醒功能；CAN控制器（CAN Protocol rev．2。0partA and B）高达1 Mbit／s；四路16-位多功能定时器（捕捉,比较,计数，PWM）;四路UARTS，双SPI，双I2C和USB(仅144 PIN）等串口通信;智能卡（1S0 7816—3 incl．Clock generation)；看门狗及唤醒控制（RTC或外部触发);HDLC控制（incl．NRZI,FM0 and Manchester encoder)；4通道12位ADC变换器（Sigma-Delta);片上电压稳压器为CPU及核心逻辑；工作温度：—40℃～+85℃。
50通道LEA—5 GPS模組，可提供超越现有水平的速度、灵敏度及整合方便性。
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