GPS-чипсет от STMicroelectronicsА. Русак
GPS (Глобальная Система Позиционирования) неуклонно входит в нашу повседневную жизнь. Морская и авианавигация, навигация на суше, позиционирование грузовых перевозок, охранные системы, туризм, геологоразведка, топография на местности, системы хронометрии событий вот неполный список областей применения системы GPS. Согласно прогнозу фирмы Dataquest, число индивидуальных автомобильных GPS-навигационных систем, в 1997 г. насчитывавшее 1,8 млн., уже в 2001 г. вырастет до 11,3 млн. единиц.
Фирма STMicroelectronics (в прошлом SGS-Thomson), выпустившая первый в мире двухчиповый GPS-комплект, предлагает сегодня каждому, умеющему обращаться с компьютером и знающему азы техники, попробовать и самому испытать работу GPS.
Как работает GPS
GPS-приемник принимает сигналы от нескольких из 24 спутников системы NAVSTAR, развернутой по заказу Министерства обороны США и исторически предназначавшейся исключительно для определения координат боевых единиц американской армии на суше, море и в воздухе.
Оставаясь по-прежнему военной, система в наши дни все больше используется в мирной жизни. Главный принцип, лежащий в основе системы GPS, прост и давно используется в навигации и ориентировании: если точно известны координаты двух или более реперных ориентиров, то, зная точно расстояние до них, можно начертить окружности (а в трехмерном случае сферы), пересечение которых даст ваше точное место нахождения.
В случае с GPS, роль реперных ориентиров играют спутники, местоположение которых на орбите постоянно уточняется с земли, передается на соответсвующий спутник, а оттуда на приемник GPS. Кроме этого, в пакете информации, передаваемом на GPS-приемник со спутника, содержится информация о точном времени, считываемом с атомных бортовых часов. Получив разницу отсчетов собственных электронных часов и бортовых часов спутника, GPS-приемник по известной формуле определяет расстояние до спутника (скорость распространения сигнала равна скорости света). Имея расстояние до двух спутников и их координаты, процессор GPS-приемника вычисляет широту и долготу своего местоположения.
Однако, из-за неточности собственных часов, GPS-приемник должен принимать информацию не от двух, а от трех спутников для стабильного определения своих координат. В самом деле, неточность хода собственных часов всего лишь на 1 мс приводила бы к ошибке в 250 км. Произведя вычисления по трем спутникам, процессор GPS-приемника в итоге получает не точку пересечения, а треугольник. Центр треугольника является относительно стабильным, поэтому в нем и находятся ваши точные координаты. Итак, точность определения вашего местоположения возрастает с увеличением числа принимаемых сигналов от различных спутников системы. Принимая сигналы четырех и более спутников, можно определить высоту объекта над уровнем моря, его курс и скорость.
Точность системы
Поскольку система GPS оплачивается и находится под контролем военных, зарезервировавших высокую точность позиционирования исключительно для своих целей, передаваемое спутником точное время кодируется специальным Р-кодом, известным только армии США. Остальные пользователи получают бортовое время со случайной преднамеренно вводимой в код ошибкой.
Так, например, точность определения при приеме некодированного сигнала составляет 30 м и лучше, а в случае с кодированным сигналом 50150 м. Однако, этого обычно хватает для нормального ориентирования на местности.
По заявлению президента США Б. Клинтона с 1 мая 2000 г. гражданский (кодированный) режим работы системы отменен. В результате, точность определения координат (при использовании дифференциальных GPS-приемников) повышена до 3 м. Подробности http://gps.hotmail.ru/news/msg-00155.htm (прим. редакции).
В настоящее время выпускается различное оборудование для приема GPS как стационарное, так и мобильное, с возможностью отображения карты местности на экране и просто с выводом координат в виде чисел. Наиболее "продвинутой" в этом плане считается американская компания Trimble. Среди мобильных телефонов с GPS можно отметить новый "Benefon-b". По точностным характеристикам все аппараты разные и, конечно, лучшим считается тот, который обрабатывает большее число сигналов от спутников, причем одновременно, то есть имеет большее число каналов приема. В самом деле, если GPS-приемник имеет только один канал, то он должен хранить текущее положение уже принятых спутников в своей памяти, и для приема четырех сигналов ему потребуется намного больше времени, чем у 12-канального аппарата. Да и координаты объекта уже изменятся.
А что же наша отечественная система навигации "ГЛОНАСС"?
Первые спутники системы были выведены на орбиту еще в 1982 году. К завершению строительства системы, на ее орбитах должно было вращаться 24 навигационных спутника, обеспечивающих заветную точность "не хуже 30 м". Беда в том, что развертывание системы совпало с "перестройкой".
Как всегда, не хватило средств на поддержание системы в работоспособном состоянии, и как результат из 20 выведенных спутников к 2000 году осталось всего 9. Система потеряла свою глобальность, поэтому ни одна серьезная фирма, производящая GPS-оборудование, пока что не учитывает возможность приема сигналов от "ГЛОНАСС".
Схемотехническое решение от STMicroelectronics
Первое техническое предложение от SGS-Thomson в области GPS было выдвинуто в 1993-1994 годах. Комплект состоял из DSP, CPU и 8 чипов памяти. В 1996 году комплект от SGS-Thomson включал в себя CPU с интегрированным DSP и всего 3 чипа памяти.
Сегодня чипсет от STMicro-electronics состоит всего из двух чипов: ST20GP6 процессора GPS и STB5600 полного радио-чипа (RF-front-end) для GPS. Никаких других чипов для работы этого комплекта не требуется.
Архитектура
Радио-чип STB5600 выпускается по биполярной технологии предприятием STMicroelectronics в Катании (Италия). Архитектура чипа (рис. 1) использует двухступенчатое понижающее преобразование частоты с 1,575 ГГц до 20 и 4 МГц, нуждается во внешнем транзисторном генераторе и фильтре промежуточной чатоты первого смесителя. Второй смеситель, генератор и фильтр ПЧ выполнены цифровым способом (смеситель и генератор в STB5600, цифровой фильтр ПЧ непосредственно в ST20GP6).
Рис. 1
Чип имеет единственное напряжение питания 5 В с диапазоном изменений от 3,3 до 5,9 В. Номинальный ток потребления схемы 20 мА.
GPS-процессор ST20GP6 (рис. 2) включает в себя 12-канальный DSP, где происходит начальная обработка сигналов, приходящих от максимум 12 спутников одновременно, а именно качественная низкочастотная фильтрация сигналов для подачи их непосредственно в CPU.
Рис. 2
GPU в ST20GP6 выполнен по 0,35-мкм технологии. Использование его применительно к GPS требует тактовой частоты 33 МГц, однако, в зависимости от решаемой задачи, тактовая частота может быть снижена до 16 МГц или повышена до 50 МГц. Например, наличие встроенной статической памяти требует более быстрого доступа к ней. Проще говоря, если вместе с GPS-программой в CPU будет загружено какое-либо параллельное приложение, нужно будет использовать тактовую частоту 50 МГц.
Встроенная память
ST20GP6 содержит в себе 64 Кбайт статической памяти, которая доступна в каждом машинном цикле (20 нс при частоте 50 МГц) 32-бит словами. Нижние 16К имеют отдельное питание могут быть запитаны от внешней батареи. Внутренняя масочная память размером 128 Кбайт, имеющая ту же скорость и организацию доступа, что и статическая память, используется для закладки программ пользователей, выпускающих свою продукцию в больших объемах (более 100 тыс. чипов). Имеется возможность подключения внешнего ППЗУ, но при этом заведомо снижается производительность системы, так как внутренний RISC-процессор оперирует с встроенным ПЗУ 32-бит словами.
Учитывая последнее обстоятельство, чтобы удовлетворить как малообъемный, так и высокообъемный рынок, STMicroelectronics в кооперации с одной из крупных ОЕМ-компаний наладила выпуск готового GPS-модуля SGM5608P, спроектированного на базе двух вышеназванных чипов, продаваемых в розницу и выполняющих полностью все функции GPS. Модуль имеет размеры 89x33x8 мм, антенный вход типа BNC и SIMM-разъем для подключения к компьютеру по RS-232.
На входном BNC-разъеме имеется постоянное напряжение, необходимое в случае подключения на вход активной антенны.
Выполняемые функции характеризуются следующими параметрами:
- 12-канальный GPS-коррелятор;
- поддержка RTCA- SC159 / WAAS / EGNOS;
- точность не более 30 м для не-закодированных сигналов и 50150 м для кодированных. Разрешение в режиме наблюдения не хуже 1 см. Модуль имеет напряжение питания 5 В.
Формат данных на выходе модуля соответствует спецификации NMEA 0183 (National Marine Electronics Association NMEA 0183 Standard for Interfacing Marine Electronics Devices). Сообщения передаются в символьном виде (формат ASCII). Формат сообщений из порта 0 приведен в таблице.
Таблица
| Поле | Описание | Формат |
| Фиксированное время | UTC - время от GPS | hhmmss.sss |
| Широта | Широта GPS | ddmm.mmm |
| Знак Широты | Север или Юг | N или S |
| Долгота | Долгота GPS | dddmm.mmm |
| Знак долготы | Востк или Запад | Е или W |
| Количество GPS | Нет фиксации Нормальная фиксация Дифференциальная фиксация |
0 1 2 |
| Число спутников | Число спутников, для которых имеется фиксация | хх |
| HDOP | Горизонтальное ослабление четкости | х.х |
| Уровень моря | Положение анетенны над средним уровнем моря, м | хххх.х,М |
| Геоидальное разобщение | Разница (offset) между средним уровнем моря и уровнем математического геоида (WGS-84 - земного эллипсоида) в точке позиционирования, м | хххх.х,М |
Кроме данных фиксации, существует еще ряд сообщений, показывающих информацию о спутниках, курсе и скорости объекта позиционирования.
Компания для большего удобства заказчиков выпустила специальный стартовый комплект призванный облегчить труд инженеров-разработчиков при создании того или иного схемотехнического решения как с использованием целого модуля GPS, так и его компонентов обособленно. Комплект состоит непосредственно из модуля GPS, активной антенны, напоминающей внешне "антирадар" с клипсовым креплением к стеклу автомобиля, устройство сопряжения модуля с компьютером, блока питания и стартового CD-ROM.
Таким образом заказчик, приобретший комплект GPS, сам решает, в зависимости от стоящих перед ним задач, либо покупать небольшими партиями модули GPS, либо, развернув большую финансовую программу, покупать комплект микросхем.
Тел.: (812) 324 6350, 324 6351
E-mail: semicond@pit.spb.ru
| Ваш комментарий к статье | ||||
