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如何快速實現定位的多星座GNSS模塊,其原理是怎樣的

2021年10月20日 16:02 ? 次閱讀

在包括機器人、自主駕駛車輛、工業自動化、物流和資產跟蹤、無人機以及農業和重型建筑設備的廣泛應用中,越來越多地通過歐洲伽利略、美國全球定位系統 (GPS)、俄羅斯格洛納斯、中國北斗導航衛星系統和日本 QZSS 的多星座全球導航衛星系統 (GNSS) 接收器來使用各種基于位置的功能。使用多星座 GNSS 接收器的優勢在于:更好地提供定位、導航、定時 (PNT) 信號,提高準確性、完整性并改善應用的穩健性。

但是,多星座接收器開發是一項復雜、耗時的工作,其中包括:優化 L 波段天線;設計射頻 (RF) 前端;整合基帶信號處理算法以獲取、跟蹤和應用各種 PNT 信號的修正;對應用的處理軟件進行編碼,以便從基帶的每個通道提取 PNT 數據并使用這些信息實現系統功能。設計者還必須選擇合適的天線并將其正確放置。

可選的方法是,設計者可以轉向預制型 GNSS 模塊和開發環境,快速有效地將定位功能集成到系統中。這種 GNSS 模塊包括射頻前端、基帶處理和嵌入式固件,以便加快應用處理軟件的開發。有些 GNSS 模塊還包括天線。

本文將介紹 GNSS、PNT 和多星座 GNSS 接收器的基本工作原理。然后,在介紹 STMicroelectronics、Septentrio 和 Würth Elektronik 提供的幾款 GNSS 模塊(帶和不帶集成天線版本)以及相關的評估板之前,探討在 GNSS 模塊中集成天線的利弊。設計者可以利用這些模塊經濟地高效地開發基于位置的準確、穩健的應用。

什么是 GNSS 和 PNT?

GNSS 和 PNT 是密切相關的概念。GNSS 衛星是 PNT 信號的最常見來源。GNSS 衛星本質上是高度精確的同步時鐘,不斷廣播其 PNT 信息。GNSS 模塊接收來自特定衛星的 PNT 信號并計算其與該衛星的距離。當接收器知道與至少四顆衛星的距離時,就可以估計其本身的位置。然而,位置估計的準確性受到各種誤差源的影響,具體包括:

  • GNSS衛星中計時電路時鐘漂移
  • 預測 GNSS 衛星準確軌道位置的 誤差
  • 整個衛星設備相對于其他衛星的一般性能漂移,也就是所謂的衛星偏移
  • 信號在通過電離層和對流層時發生失真和延遲。
  • 多路徑反射和接收器中的可變性能和漂移

目前,設計者可以采用各種不同技術校正基于衛星和大氣的 GNSS 誤差。

提高 GNSS 性能

把源自 GNSS 接收器的誤差影響降至最低的最佳方法是:使用適合特定應用的成本和尺寸限制的最高性能接收器。但是,即使是高性能的接收器也不是完美的;在很大程度上其性能還可提升。了解這些校正方法非常重要,因為這些方法會帶來不同的性能,而且有些 GNSS 模塊不能使用所有的校正方法。

有幾種 GNSS 校正方法采用了地面參考基站(圖 1)。實時運動學 (RTK) 和精密單點定位 (PPP) 是采用地面參考基站對 GNSS 進行校正的最成熟方法。近來又出現了 RTK-PPP 混合方法。

GNSS 用戶接收器可以獲得有關大氣、時鐘和軌道誤差信息的圖

圖 1:GNSS 用戶接收器可以從參考網絡中獲取大氣、時鐘和軌道誤差信息,以提高定位精度。(圖片來源:Septentrio)

RTK 依靠單一基站或本地參考網絡獲得校正數據,可以消除大部分的 GNSS 誤差。RTK 假定基站和接收器的位置很近——最多相距 40 公里或 25 英里,因此基站和接收器遇到的誤差相同。后處理運動學 (PPK) 是 RTK 的一個變種技術,被廣泛用于測繪,以獲得高精度定位數據或厘米級精度。

只有軌道和衛星時鐘誤差被用來進行 PPP 校正。這些誤差是衛星特有的誤差,與用戶位置無關,這就限制了所需參考基站的數量。然而,PPP 沒有考慮與大氣有關的誤差,因此相對于 RTK 來說精度較低。此外,PPP 校正的初始化時間可能達到 20 分鐘左右。較長的初始化時間和較低的精度使 PPP 技術在許多應用中無法使用。

對于那些要求接近 RTK 精度和快速初始化時間的應用來說,通常采用最新的 GNSS 校正服務,即 RTK-PPP(有時稱為狀態空間表示法 (SSR) )。這種技術采用一個參考網絡,其基站間隔約為 100 km(65 英里),收集 GNSS 數據并計算衛星和大氣的綜合校正值。參考網絡使用互聯網、衛星或移動電話網絡向用戶發送校正數據。使用 RTK-PPP 的 GNSS 接收器能夠達到亞厘米級精度。在選擇使用 RTK、PPP 和 RTK-PPP 校正方法時會涉及到一系列的設計權衡,開發者需要進行審核,以選出適合具體應用情況的最佳解決方案。(圖 2)。

三種常見的 GNSS 校正方法的優缺點表

圖 2:三種常見 GNSS 校正方法的優缺點。(圖片來源:Septentrio)

衛星增強系統 (SBAS) 正開始在區域范圍內得以運用,以取代 RTK、PPP 和 RTK-PPP 的地面基站校正方法。SBAS 仍然使用地面站來測量 GNSS 誤差,但這些地面站分布在各個洲。測量的誤差在某個中心位置進行處理,在那里計算出校正值并傳送到所覆蓋地區的地球同步衛星。校正數據從衛星上播出,作為原始 GNSS 數據的疊加或增加。

GNSS 的精度取決于衛星測量和相關校正值的可用性和精度。高性能 GNSS 接收器在多個頻率下跟蹤 GNSS 信號,并使用多個 GNSS 星座和各種校正方法來提供所需的精度和恢復能力。由此產生的冗余可使性能穩定,即使有些衛星測量和數據遇到干擾時也是如此。設計者可以從各種 GNSS 精度和冗余能力中進行選擇(圖 3)。

GNSS 精度等級與相應的修正方法和選定的應用示意圖

圖 3:GNSS 精度等級與相應的校正方法和選定的應用。(圖片來源:Septentrio)

GNSS 模塊:集成天線與外部天線

由于多星座定位的復雜性,采用供應商提供的各種模塊有助于加快產品上市,降低成本并確保性能。也就是說,設計者需要考慮使用內部天線還是選擇位于 GNSS 模塊外部的天線。對于那些需要優先考慮上市時間和成本的應用來說,集成天線可能是更好的選擇,因為這種天線所涉及的工程量要小得多。對于需要 FCC 或 CE 認證的應用,使用帶集成天線的模塊也能加快認證過程。然而,這樣會增加解決方案的尺寸,而且集成天線解決方案的靈活性有限。

外部天線為設計者提供了更多的性能和布局選擇。設計者可選擇大型高性能天線或者較小的低性能天線。此外,相對于 GNSS 模塊的位置,天線的放置更加靈活,這將進一步提高設計靈活性。由于放置靈活,因此外部天線可確保 GNSS 可靠工作。然而,天線放置和連接布線既復雜又耗時,需要特殊的專業知識,這可能會增加成本并延緩上市時間。

用于空間受限設計的微型 GNSS 模塊

對于那些具備天線放置和布線方面專業知識的設計團隊,可以使用 STMicroelectronics 的 Teseo-LIV3F,這是一款使用外部天線的多星座(GPS/伽利略/格洛納斯/北斗/QZSS)GNSS 模塊(圖 4)。該模塊采用 LCC-18 封裝,大小為 9.7 mm × 10.1 mm,具有1.5 m 圓誤差概率 (CEP) 定位精度,冷啟動和熱啟動的首次定位時間(TTFF)分別低至 32 s 和 1.5 s 以內(GPS、格洛納斯)。該器件的待機功耗為 17 μW,跟蹤功耗為 75 mW。

Tesco-LIV3F GNSS 模塊包括 GNSS 內核和子系統的圖

圖 4:Tesco-LIV3F GNSS 模塊包括 GNSS 內核和子系統,以及所有必要的連接和電源管理功能,封裝尺寸為 9.7 x 10.1 mm。該器件需要采用外部天線。(圖片資料來源:STMicroelectronics)

Tesco-LIV3F 的板載 26 MHz 溫度補償晶體振蕩器 (TCXO) 有助于確保高精度,而專用的 32 kHz 實時時鐘 (RTC) 振蕩器能夠縮短首次定位時間 (TTFF)。諸如數據記錄、七天自主輔助 GNSS、固件 (FW) 可重新配置以及 FW 升級等功能,都是通過 16 Mb 嵌入式閃存實現的。

適合 Tesco-LIV3F 的應用包括保險、物流、無人機、收費、防盜系統、人員和寵物定位、車輛跟蹤和緊急呼叫。

Teseo-LIV3F 模塊作為一種預認證解決方案,可以縮短最終應用的上市時間。該器件的工作溫度范 -40℃ 至 +85℃。

為了測試該模塊并加速應用開發,設計者可以使用 AEK-COM-GNSST31 評估板。當與 X-CUBE-GNSS1 固件搭配使用時,評估包可以支持采集、跟蹤、導航和數據輸出功能,而無需外部存儲器。該 EVB 也需要與 SPC5 微控制器搭配使用,用于汽車應用的開發。

具有干擾抑制功能的 GNSS 模塊

Septentrio 的 410322 mosaic-X5 多星座 GNSS 接收器是一款低功耗、表面貼裝模塊,尺寸為 31 mm x 31 mm x 4 mm。該器件為設計者提供了一系列接口,包括四個 UART、以太網、USB、SDIO 和兩個用戶可編程 GPIO。

mosaic-X5 專為機器人、自主系統和其他大眾市場應用而設計,其刷新率為 100 Hz,延遲低于 10 ms,垂直和水平 RTK 定位精度分別為 0.6 cm 和 1 cm。該器件可以跟蹤所有的 GNSS 星座,支持當前和未來的信號并與 PPP、SSR、RTK 和 SBAS 校正兼容。該模塊的 TTFF 在冷啟動時少于 45 s,在熱啟動時少于 20 s。

mosaic-X5 采用了多項 Septentrio 專利技術,包括 AIM+。這是一種板載干擾抑制技術,可抑制各種干擾——從簡單的連續窄帶信號到復雜的寬帶和脈沖干擾。

這些模塊的接口、指令和數據信息都會完整地記錄下來。隨附的 RxTools 軟件允許接收器配置和監視,以及記錄、分析數據。

Septentrio 的 410331P3161 mosaic-X5 開發套件使設計者能夠探索、評估和開發能夠充分發揮 mosaic-X5 功能的原型(圖 5)。

Septentrio 410331P3161 mosaic-X5 開發套件的圖片

圖 5:設計者可以使用 410331P3161 mosaic-X5 開發套件創建一個原型,可以使用包括以太網、COM 端口或 USB 2.0 在內的各種連接,或者使用 SD 存儲卡完成此項工作。(圖片來源:Septentrio)

套件使用 mosaic-X5 的直觀網絡用戶界面,便于操作和監視,讓設計者能夠從任何移動設備或計算機對接收模塊進行控制。網絡界面使用易于閱讀的質量指標來監視接收器的運行情況。

設計者可以通過使用以下任何一種連接方式整合 mosaic 開發套件來構建原型:以太網、COM 端口、USB 2.0、SD 存儲卡。

采用集成天線的 GNSS 模塊

針對那些能夠充分發揮帶有集成天線的 GNSS 模塊優勢的設計者,Würth Elektronik 推出采用高性能片上系統 (SoC) 的 2614011037000 Erinome-I 模塊(圖 6)。該模塊支持 GPS、格洛納斯、伽利略和北斗全球導航衛星系統星座,并在頂部配備了集成天線,能夠簡化硬件集成,縮短上市時間。該模塊(包括集成天線)的尺寸為 18 mm x 18 mm。

Würth Elektronik 的 2614011037000 Erinome-I 是一款完整的 GNSS 模塊的圖。

圖 6:2614011037000 Erinome-I 是一款完整的 GNSS 模塊。該模塊采用了高性能 GNSS SoC 和集成天線。(圖片來源:Würth Elektronik)

該模塊還集成了 TCXO、射頻濾波器、低噪聲放大器 (LNA) 和串行閃存。

Würth 還為 Erinome-I 提供了 2614019037001 評估板 (EVB)(圖 7)。EVB 也可以作為在應用中集成 GNSS 模塊的參考設計。其中,USB 端口可用來連接 EVB 和 PC。通過多針連接器,設計者能夠訪問 GNSS 模塊的所有針腳。

Würth Elektronik 的 2614019037001評估板用于 Erinome-I 的圖。

圖 7:用于 Erinome-I 的 2614019037001評估板(靠近板中心的位置,在模塊中心部位可看到集成天線)也作為參考設計。(圖片來源:Würth Elektronik)

Würth Elektronik 導航和衛星軟件 (WENSS) 是一個簡單的 PC 工具,通過 UART 接口與 Erinome-I GNSS 模塊互動。該軟件支持:

  • 控制 EVB 運行
  • 與 Erinome-I 模塊雙向通信
  • 評價 Erinome-I 的特點和能力
  • 熟悉 Erinome-I 協議、句子和指令
  • 在不了解協議的情況下配置 Erinome-I
  • 對 Erinome-I 使用的句子和指令進行解析

沒有高級知識,使用 WENSS 也能輕松評估定位應用。有經驗的開發者也可以使用 WENSS 進行更高級的配置。

總結

實現準確、可靠定位功能的最好方法是使用多個星座及相關的校正技術支持。這些都是復雜的系統,但設計者可以求助于預制型 GNSS 模塊、相關的開發套件和環境,快速有效地比較各種選項并實施基于位置的功能和服務。

編輯:fqj

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