在包括機(jī)器人、自主駕駛車輛、工業(yè)自動(dòng)化、物流和資產(chǎn)跟蹤、無(wú)人機(jī)以及農(nóng)業(yè)和重型建筑設(shè)備的廣泛應(yīng)用中，越來(lái)越多地通過(guò)歐洲伽利略、美國(guó)全球定位系統(tǒng) (GPS)、俄羅斯格洛納斯、中國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)和日本 QZSS 的多星座全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (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(shì)在于：更好地提供定位、導(dǎo)航、定時(shí) (PNT) 信號(hào)，提高準(zhǔn)確性、完整性并改善應(yīng)用的穩(wěn)健性。

但是，多星座接收器開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜、耗時(shí)的工作，其中包括：優(yōu)化 L 波段天線；設(shè)計(jì)射頻 (RF) 前端；整合基帶信號(hào)處理算法以獲取、跟蹤和應(yīng)用各種 PNT 信號(hào)的修正；對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)并使用這些信息實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者可以轉(zhuǎn)向預(yù)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(tǒng)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(yīng)用處理軟件的開(kāi)發(fā)。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(guān)的評(píng)估板之前，探討在 GNSS 模塊中集成天線的利弊。設(shè)計(jì)者可以利用這些模塊經(jīng)濟(jì)地高效地開(kāi)發(fā)基于位置的準(zhǔn)確、穩(wěn)健的應(yīng)用。

什么是 GNSS 和 PNT？

GNSS 和 PNT 是密切相關(guān)的概念。GNSS 衛(wèi)星是 PNT 信號(hào)的最常見(jiàn)來(lái)源。GNSS 衛(wèi)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(wèi)星的 PNT 信號(hào)并計(jì)算其與該衛(wèi)星的距離。當(dāng)接收器知道與至少四顆衛(wèi)星的距離時(shí)，就可以估計(jì)其本身的位置。然而，位置估計(jì)的準(zhǔn)確性受到各種誤差源的影響，具體包括：

• GNSS衛(wèi)星中計(jì)時(shí)電路的時(shí)鐘漂移
• 預(yù)測(cè) GNSS 衛(wèi)星準(zhǔn)確軌道位置的 誤差
• 整個(gè)衛(wèi)星設(shè)備相對(duì)于其他衛(wèi)星的一般性能漂移，也就是所謂的衛(wèi)星偏移
• 信號(hào)在通過(guò)電離層和對(duì)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(shè)計(jì)者可以采用各種不同技術(shù)校正基于衛(wèi)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(yīng)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?yàn)檫@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(yùn)動(dòng)學(xué) (RTK) 和精密單點(diǎn)定位 (PPP) 是采用地面參考基站對(duì) GNSS 進(jìn)行校正的最成熟方法。近來(lái)又出現(xiàn)了 RTK-PPP 混合方法。

圖 1：GNSS 用戶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(shù)據(jù)，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(yùn)動(dòng)學(xué) (PPK) 是 RTK 的一個(gè)變種技術(shù)，被廣泛用于測(cè)繪，以獲得高精度定位數(shù)據(jù)或厘米級(jí)精度。

只有軌道和衛(wèi)星時(shí)鐘誤差被用來(lái)進(jìn)行 PPP 校正。這些誤差是衛(wèi)星特有的誤差，與用戶位置無(wú)關(guān)，這就限制了所需參考基站的數(shù)量。然而，PPP 沒(méi)有考慮與大氣有關(guān)的誤差，因此相對(duì)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(dá)到 20 分鐘左右。較長(zhǎng)的初始化時(shí)間和較低的精度使 PPP 技術(shù)在許多應(yīng)用中無(wú)法使用。

對(duì)于那些要求接近 RTK 精度和快速初始化時(shí)間的應(yīng)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(shù)據(jù)并計(jì)算衛(wèi)星和大氣的綜合校正值。參考網(wǎng)絡(luò)使用互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星或移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)送校正數(shù)據(jù)。使用 RTK-PPP 的 GNSS 接收器能夠達(dá)到亞厘米級(jí)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(shè)計(jì)權(quán)衡，開(kāi)發(fā)者需要進(jìn)行審核，以選出適合具體應(yīng)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(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng) (SBAS) 正開(kāi)始在區(qū)域范圍內(nèi)得以運(yùn)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(cè)量 GNSS 誤差，但這些地面站分布在各個(gè)洲。測(cè)量的誤差在某個(gè)中心位置進(jìn)行處理，在那里計(jì)算出校正值并傳送到所覆蓋地區(qū)的地球同步衛(wèi)星。校正數(shù)據(jù)從衛(wèi)星上播出，作為原始 GNSS 數(shù)據(jù)的疊加或增加。

GNSS 的精度取決于衛(wèi)星測(cè)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(hào)，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(fù)能力。由此產(chǎn)生的冗余可使性能穩(wěn)定，即使有些衛(wèi)星測(cè)量和數(shù)據(jù)遇到干擾時(shí)也是如此。設(shè)計(jì)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(jí)與相應(yīng)的校正方法和選定的應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Septentrio）

GNSS 模塊：集成天線與外部天線

由于多星座定位的復(fù)雜性，采用供應(yīng)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(shè)計(jì)者需要考慮使用內(nèi)部天線還是選擇位于 GNSS 模塊外部的天線。對(duì)于那些需要優(yōu)先考慮上市時(shí)間和成本的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，集成天線可能是更好的選擇，因?yàn)檫@種天線所涉及的工程量要小得多。對(duì)于需要 FCC 或 CE 認(rèn)證的應(yīng)用，使用帶集成天線的模塊也能加快認(rèn)證過(guò)程。然而，這樣會(huì)增加解決方案的尺寸，而且集成天線解決方案的靈活性有限。

外部天線為設(shè)計(jì)者提供了更多的性能和布局選擇。設(shè)計(jì)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(duì)于 GNSS 模塊的位置，天線的放置更加靈活，這將進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)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(fù)雜又耗時(shí)，需要特殊的專業(yè)知識(shí)，這可能會(huì)增加成本并延緩上市時(shí)間。

用于空間受限設(shè)計(jì)的微型 GNSS 模塊

對(duì)于那些具備天線放置和布線方面專業(yè)知識(shí)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，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(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 以內(nèi)（GPS、格洛納斯）。該器件的待機(jī)功耗為 17 μW，跟蹤功耗為 75 mW。

圖 4：Tesco-LIV3F GNSS 模塊包括 GNSS 內(nèi)核和子系統(tǒng)，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(lái)源：STMicroelectronics）

Tesco-LIV3F 的板載 26 MHz 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器 (TCXO) 有助于確保高精度，而專用的 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(shù)據(jù)記錄、七天自主輔助 GNSS、固件 (FW) 可重新配置以及 FW 升級(jí)等功能，都是通過(guò) 16 Mb 嵌入式閃存實(shí)現(xiàn)的。

適合 Tesco-LIV3F 的應(yīng)用包括保險(xiǎn)、物流、無(wú)人機(jī)、收費(fèi)、防盜系統(tǒng)、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(yù)認(rèn)證解決方案，可以縮短最終應(yīng)用的上市時(shí)間。該器件的工作溫度范 -40℃ 至 +85℃。

為了測(cè)試該模塊并加速應(yīng)用開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)者可以使用 AEK-COM-GNSST31 評(píng)估板。當(dāng)與 X-CUBE-GNSS1 固件搭配使用時(shí)，評(píng)估包可以支持采集、跟蹤、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)輸出功能，而無(wú)需外部存儲(chǔ)器。該 EVB 也需要與 SPC5 微控制器搭配使用，用于汽車應(yīng)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(shè)計(jì)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)用戶可編程 GPIO。

mosaic-X5 專為機(jī)器人、自主系統(tǒng)和其他大眾市場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，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(dāng)前和未來(lái)的信號(hào)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(xiàng) Septentrio 專利技術(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(xù)窄帶信號(hào)到復(fù)雜的寬帶和脈沖干擾。

這些模塊的接口、指令和數(shù)據(jù)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(jiān)視，以及記錄、分析數(shù)據(jù)。

Septentrio 的 410331P3161 mosaic-X5 開(kāi)發(fā)套件使設(shè)計(jì)者能夠探索、評(píng)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(shè)計(jì)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(nèi)的各種連接，或者使用 SD 存儲(chǔ)卡完成此項(xiàng)工作。（圖片來(lái)源：Septentrio）

該套件使用 mosaic-X5 的直觀網(wǎng)絡(luò)用戶界面，便于操作和監(jiān)視，讓設(shè)計(jì)者能夠從任何移動(dòng)設(shè)備或計(jì)算機(jī)對(duì)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(biāo)來(lái)監(jiān)視接收器的運(yùn)行情況。

設(shè)計(jì)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(gòu)建原型：以太網(wǎng)、COM 端口、USB 2.0、SD 存儲(chǔ)卡。

采用集成天線的 GNSS 模塊

針對(duì)那些能夠充分發(fā)揮帶有集成天線的 GNSS 模塊優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)者，Würth Elektronik 推出采用高性能片上系統(tǒng) (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?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座，并在頂部配備了集成天線，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）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。（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(píng)估板 (EVB)（圖 7）。EVB 也可以作為在應(yīng)用中集成 GNSS 模塊的參考設(shè)計(jì)。其中，USB 端口可用來(lái)連接 EVB 和 PC。通過(guò)多針連接器，設(shè)計(jì)者能夠訪問(wèn) GNSS 模塊的所有針腳。

圖 7：用于 Erinome-I 的 2614019037001評(píng)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(shè)計(jì)。（圖片來(lái)源：Würth Elektronik）

Würth Elektronik 導(dǎo)航和衛(wèi)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(yùn)行
• 與 Erinome-I 模塊雙向通信
• 評(píng)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(duì) Erinome-I 使用的句子和指令進(jìn)行解析

沒(méi)有高級(jí)知識(shí)，使用 WENSS 也能輕松評(píng)估定位應(yīng)用。有經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)者也可以使用 WENSS 進(jìn)行更高級(jí)的配置。

總結(jié)

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(fù)雜的系統(tǒng)，但設(shè)計(jì)者可以求助于預(yù)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(xiàng)并實(shí)施基于位置的功能和服務(wù)。

編輯：fqj