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在包括機器人、自主駕駛車(chē)輛、工業(yè)自動(dòng)化、物流和資產(chǎn)跟蹤、無(wú)人機以及農業(yè)和重型建筑設備的廣泛應用中，越來(lái)越多地通過(guò)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(lái)使用各種基于位置的功能。使用多星座 GNSS 接收器的優(yōu)勢在于：更好地提供定位、導航、定時(shí) (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(kāi)發(fā)是一項復雜、耗時(shí)的工作，其中包括：優(yōu)化 L 波段天線(xiàn)；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(jìn)行編碼，以便從基帶的每個(gè)通道提取 PNT 數據并使用這些信息實(shí)現系統功能。設計者還必須選擇合適的天線(xiàn)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(kāi)發(fā)環(huán)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(kāi)發(fā)。有些 GNSS 模塊還包括天線(xiàn)。 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(xiàn)版本）以及相關(guān)的評估板之前，探討在 GNSS 模塊中集成天線(xiàn)的利弊。設計者可以利用這些模塊經(jīng)濟地高效地開(kāi)發(fā)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(guān)的概念。GNSS 衛星是 PNT 信號的最常見(jiàn)來(lái)源。GNSS 衛星本質(zhì)上是高度精確的同步時(shí)鐘，不斷廣播其 PNT 信息。GNSS 模塊接收來(lái)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(shí)，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(shí)電路的時(shí)鐘漂移 · 預測 GNSS 衛星準確軌道位置的 誤差 · 整個(gè)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(guò)電離層和對流層時(shí)發(fā)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(shù)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(huì )帶來(lái)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(shí)時(shí)運動(dòng)學(xué) (RTK) 和精密單點(diǎn)定位 (PPP) 是采用地面參考基站對 GNSS 進(jìn)行校正的最成熟方法。近來(lái)又出現了 RTK-PPP 混合方法。 
圖 1：GNSS 用戶(hù)接收器可以從參考網(wǎng)絡(luò )中獲取大氣、時(shí)鐘和軌道誤差信息，以提高定位精度。（圖片來(lái)源：Septentrio） RTK 依靠單一基站或本地參考網(wǎng)絡(luò )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(dòng)學(xué) (PPK) 是 RTK 的一個(gè)變種技術(shù)，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(shí)鐘誤差被用來(lái)進(jìn)行 PPP 校正。這些誤差是衛星特有的誤差，與用戶(hù)位置無(wú)關(guān)，這就限制了所需參考基站的數量。然而，PPP 沒(méi)有考慮與大氣有關(guān)的誤差，因此相對于 RTK 來(lái)說(shuō)精度較低。此外，PPP 校正的初始化時(shí)間可能達到 20 分鐘左右。較長(cháng)的初始化時(shí)間和較低的精度使 PPP 技術(shù)在許多應用中無(wú)法使用。 對于那些要求接近 RTK 精度和快速初始化時(shí)間的應用來(lái)說(shuō)，通常采用最新的 GNSS 校正服務(wù)，即 RTK-PPP（有時(shí)稱(chēng)為狀態(tài)空間表示法 (SSR) ）。這種技術(shù)采用一個(gè)參考網(wǎng)絡(luò )，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(wǎng)絡(luò )使用互聯(lián)網(wǎng)、衛星或移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )向用戶(hù)發(fā)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(shí)會(huì )涉及到一系列的設計權衡，開(kāi)發(fā)者需要進(jìn)行審核，以選出適合具體應用情況的最佳解決方案。（圖 2）。
圖 2：三種常見(jiàn) GNSS 校正方法的優(yōu)缺點(diǎn)。（圖片來(lái)源：Septentrio） 衛星增強系統 (SBAS) 正開(kāi)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(lái)測量 GNSS 誤差，但這些地面站分布在各個(gè)洲。測量的誤差在某個(gè)中心位置進(jìn)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(guān)校正值的可用性和精度。高性能 GNSS 接收器在多個(gè)頻率下跟蹤 GNSS 信號，并使用多個(gè) GNSS 星座和各種校正方法來(lái)提供所需的精度和恢復能力。由此產(chǎn)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(shí)也是如此。設計者可以從各種 GNSS 精度和冗余能力中進(jìn)行選擇（圖 3）。
圖 3：GNSS 精度等級與相應的校正方法和選定的應用。（圖片來(lái)源：Septentrio） GNSS 模塊：集成天線(xiàn)與外部天線(xiàn) 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(chǎn)品上市，降低成本并確保性能。也就是說(shuō)，設計者需要考慮使用內部天線(xiàn)還是選擇位于 GNSS 模塊外部的天線(xiàn)。對于那些需要優(yōu)先考慮上市時(shí)間和成本的應用來(lái)說(shuō)，集成天線(xiàn)可能是更好的選擇，因為這種天線(xiàn)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(xiàn)的模塊也能加快認證過(guò)程。然而，這樣會(huì )增加解決方案的尺寸，而且集成天線(xiàn)解決方案的靈活性有限。 外部天線(xiàn)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(xiàn)或者較小的低性能天線(xiàn)。此外，相對于 GNSS 模塊的位置，天線(xiàn)的放置更加靈活，這將進(jìn)一步提高設計靈活性。由于放置靈活，因此外部天線(xiàn)可確保 GNSS 可靠工作。然而，天線(xiàn)放置和連接布線(xiàn)既復雜又耗時(shí)，需要特殊的專(zhuān)業(yè)知識，這可能會(huì )增加成本并延緩上市時(shí)間。 用于空間受限設計的微型 GNSS 模塊 對于那些具備天線(xiàn)放置和布線(xiàn)方面專(zhuān)業(yè)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(xiàn)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(dòng)和熱啟動(dòng)的首次定位時(shí)間（TTFF）分別低至 32 s 和 1.5 s 以?xún)龋℅PS、格洛納斯）。該器件的待機功耗為 17 μW，跟蹤功耗為 75 mW。
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(xiàn)。（圖片資料來(lái)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(zhuān)用的 32 kHz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC) 振蕩器能夠縮短首次定位時(shí)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(guò) 16 Mb 嵌入式閃存實(shí)現的。 適合 Tesco-LIV3F 的應用包括保險、物流、無(wú)人機、收費、防盜系統、人員和寵物定位、車(chē)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(shí)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(kāi)發(fā)，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(shí)，評估包可以支持采集、跟蹤、導航和數據輸出功能，而無(wú)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(chē)應用的開(kāi)發(fā)。 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(gè) UART、以太網(wǎng)、USB、SDIO 和兩個(gè)用戶(hù)可編程 GPIO。 mosaic-X5 專(zhuān)為機器人、自主系統和其他大眾市場(chǎng)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(lái)的信號并與 PPP、SSR、RTK 和 SBAS 校正兼容。該模塊的 TTFF 在冷啟動(dòng)時(shí)少于 45 s，在熱啟動(dòng)時(shí)少于 20 s。 mosaic-X5 采用了多項 Septentrio 專(zhuān)利技術(shù)，包括 AIM+。這是一種板載干擾抑制技術(shù)，可抑制各種干擾——從簡(jiǎn)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(huì )完整地記錄下來(lái)。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(kāi)發(fā)套件使設計者能夠探索、評估和開(kāi)發(fā)能夠充分發(fā)揮 mosaic-X5 功能的原型（圖 5）。
圖 5：設計者可以使用 410331P3161 mosaic-X5 開(kāi)發(fā)套件創(chuàng )建一個(gè)原型，可以使用包括以太網(wǎng)、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(lái)源：Septentrio） 該套件使用 mosaic-X5 的直觀(guān)網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)界面，便于操作和監視，讓設計者能夠從任何移動(dòng)設備或計算機對接收模塊進(jìn)行控制。網(wǎng)絡(luò )界面使用易于閱讀的質(zhì)量指標來(lái)監視接收器的運行情況。 設計者可以通過(guò)使用以下任何一種連接方式整合 mosaic 開(kāi)發(fā)套件來(lái)構建原型：以太網(wǎng)、COM 端口、USB 2.0、SD 存儲卡。 采用集成天線(xiàn)的 GNSS 模塊 針對那些能夠充分發(fā)揮帶有集成天線(xiàn)的 GNSS 模塊優(yōu)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(xiàn)，能夠簡(jiǎn)化硬件集成，縮短上市時(shí)間。該模塊（包括集成天線(xiàn)）的尺寸為 18 mm x 18 mm。
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(xiàn)。（圖片來(lái)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(lái)連接 EVB 和 PC。通過(guò)多針連接器，設計者能夠訪(fǎng)問(wèn) GNSS 模塊的所有針腳。
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(xiàn)）也作為參考設計。（圖片來(lái)源：Würth Elektronik） Würth Elektronik 導航和衛星軟件 (WENSS) 是一個(gè)簡(jiǎn)單的 PC 工具，通過(guò) UART 接口與 Erinome-I GNSS 模塊互動(dòng)。該軟件支持： · 控制 EVB 運行 · 與 Erinome-I 模塊雙向通信 · 評價(jià) Erinome-I 的特點(diǎn)和能力 · 熟悉 Erinome-I 協(xié)議、句子和指令 · 在不了解協(xié)議的情況下配置 Erinome-I · 對 Erinome-I 使用的句子和指令進(jìn)行解析 沒(méi)有高級知識，使用 WENSS 也能輕松評估定位應用。有經(jīng)驗的開(kāi)發(fā)者也可以使用 WENSS 進(jìn)行更高級的配置。 總結 實(shí)現準確、可靠定位功能的最好方法是使用多個(gè)星座及相關(guān)的校正技術(shù)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(guān)的開(kāi)發(fā)套件和環(huán)境，快速有效地比較各種選項并實(shí)施基于位置的功能和服務(wù)。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
