新型GPS技术方案与芯片及其应用

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。

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，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

来源：GPS报