資產跟蹤是一項重大業務。隨時了解貴重物品的高度準確性可提高生產率，增強安全性并降低成本。然而，資產跟蹤僅限于高價值物品，因為高質量的全球導航衛星系統（GNSS）接收器可能難以設計和實施，昂貴且耗電。

模塊化GNSS解決方案的引入通過提供緊湊，相對便宜和低功耗的替代方案，專門設計用于將資產跟蹤擴展到更廣泛的應用程序，更容易實現。盡管如此，仍有許多模塊可供選擇，它們都對電源質量敏感。此外，電池供電的終端產品需要特別注意模塊的低功耗模式。

本文介紹了一些GNSS模塊，并解釋了如何將它們用作實時定位系統（RTLS）的基礎。文章介紹了如何設置模塊以獲得最大靈敏度，與主機微控制器的通信，快速衛星采集以及最佳功率效率。

GNSS的基礎

GNSS RF接收器采用衛星星座的優勢，如美國的GPS，俄羅斯的GLONASS或歐洲的伽利略，可以讓室外移動資產的精確度達到幾米或更高。

GNSS通過提升工作來自軌道星座中至少三顆衛星的獨特導航信號。衛星和接收器之間的同步使得能夠確定來自衛星的相應信號傳播延遲（并因此確定距離）。衛星的信號球（半徑等于計算的距離）和地球的球體的交點確定了接收器的精確位置。

每顆衛星發射低功率射頻信號，包括衛星識別，星歷數據（詳細說明衛星當前和未來的軌道位置及其狀態。

接收機精度取決于其與衛星時鐘同步的準確性; 1納秒（ns）的誤差可能導致30厘米（cm）的位置誤差。

接收器的關鍵操作參數是首次定位時間（TTFF）。冷啟動TTFF，接收器啟動時沒有信號或先前的位置信息，可能需要一分鐘。如果接收器由于關閉而沒有移動，并且仍然具有板載存儲器中的先前位置信息，則它可以執行熱啟動，這導致大約25到30秒的TTFF。當接收器在其存儲器中具有最近的位置信息時可以進行熱啟動，因此可以準確地預測衛星位置并且僅產生1秒的TTFF。

因為GNSS衛星傳輸很弱，所以接收器靈敏度高重要。一旦接收器定位了衛星，信號采集時間就會改善，因為如果信號被阻擋，接收器可以預測衛星的下一個位置重新獲得信號，而不必掃描大片天空。

新模塊易于使用設計

從頭開始設計GNSS系統是一項復雜的工作。如果開發人員具備專業知識，那么這樣的策略可能會在成本，尺寸和性能方面產生更加差異化的最終產品，但對于經驗較少的模塊而言，通常是更明智的選擇。模塊經過組裝，包裝，測試，并且（通常）經過驗證的單元可以放入最終產品中。設計復雜性得到了緩解，因為模塊消除了工程師從頭開發復雜RF電路的需要。

更好的是，新一代GNSS模塊設計用于針對以前不切實際的應用類型，因為傳統GNSS解決方案的缺點。示例包括可穿戴設備，智能手表以及價值相對較低的物品的資產跟蹤。

設計人員在選擇模塊時應考慮的關鍵因素有：

價格：根據體積和其他因素而變化。

位置精度：更好的位置精度依賴在一個優越的時鐘。設計人員應將精度與應用要求相匹配。

TTFF：獲取衛星信號并計算模塊首次激活時的位置所需的時間。有些模塊擁有預測未來一個月衛星軌道位置的算法，大大縮短了冷啟動時的TTFF。

尺寸：緊湊的尺寸允許將模塊整合到小尺寸中。

功耗：資產跟蹤等應用的解決方案通常采用小型電池供電。低功耗將延長電池壽命。

RF靈敏度：要求在冷啟動期間獲取相對較弱的GNSS信號，需要較高的初始靈敏度。一旦衛星被采集并被接收器跟蹤，靈敏度就會提高。

射頻干擾抗擾度：根據主機系統的不同，GNSS工作在1176.45到1602.0 MHz范圍內，與GSM頻率分配相鄰。需要良好的GSM頻帶抑制以確保良好接收GNSS信號。

Antenova的Radionova M20050模塊是新一代GNSS模塊的一個很好的例子（圖1）。該模塊是一個插入式GNSS接收器，工作頻率為1.575 GHz，尺寸為13.8 x 9.5 x 1.8 mm，可同時在三個不同的GNSS系統上運行，以提高TTFF和定位精度。該模塊采用2.8至4.2伏電源供電，具有多種低功耗模式，可延長電池壽命。冷啟動后TTFF小于35秒，冷啟動靈敏度為-148 dBm（圖1）。

圖1：Antenova的Radionova M20050 GNSS模塊具有內置天線，工作頻率為1.575 GHz。 （圖片來源：Antenova）

該設備使用NMEA 0183數據輸出協議，這是一項由美國國家海洋電子協會控制的專有協議。該協議使用簡單的ASCII串行通信，在業界廣泛用于與GPS接收器的串行連接，并已被谷歌地圖和微軟MapPoint等導航軟件采用。 M20050通過UART接口以默認的9600波特率輸出位置數據。

Linx Technologies提供其TM系列GNSS接收器模塊。這些器件的工作電壓為1.575和1.602 GHz，電壓為3.0 V至4.3 V。冷啟動時TTFF小于33秒，冷啟動靈敏度為-147 dBm。該器件通過UART接口使用NMEA 0183協議，該接口的默認速率為9600波特。

器件的內核自動處理所有必要的初始化，跟蹤和計算，因此無需編程。 TM系列的RF部分針對低電平RF信號進行了優化，無需進行生產調整。

Telit還以Jupiter JF2的形式提供GNSS模塊解決方案。雖然該公司將該設備列為GNSS產品，但它僅支持美國的GPS系統，盡管也可以使用GLONASS設備。 Telit模塊基于SiRFstarIV?內核，采用1.8伏電源供電，采用11 x 11 x 2.6 mm封裝。 TTFF從冷啟動開始不到35秒，冷啟動靈敏度為-147 dBm。 Telit產品的一個關鍵優勢是它可與公司的蜂窩模塊互操作，從而更容易設計組合的GPS/蜂窩解決方案（圖2）。

圖2：Telit的Jupiter JF2模塊是最小的集成GNSS接收器之一，盡管它也結合了蜂窩功能。 （圖片來源：Telit）

雖然Antenova，Linx Technologies和Telit的模塊簡化了位置跟蹤系統的設計，但不是將模塊焊接到印刷電路板上，增加功率和等待第一次修復。工作系統所需的主要設計步驟是天線選擇（如果模塊具有內置天線，則進行天線調諧），電源，與適當的微處理器配對以及編程。

最大化靈敏度

某些模塊配有內置天線，但其他模塊則為開發人員提供了選擇。內置天線消除了另一個設計步驟，但不可避免地是一個“一刀切”的解決方案。將天線選擇留給設計人員可以更好地匹配天線與應用。

例如，如果模塊適用于手持設備，天線將以各種方向呈現在天空中，因此具有寬且均勻圖案的天線可以產生比具有更高增益但具有更窄光束的天線更好的整體性能。采用沒有內置天線的模塊，例如Linx Technologies的TM系列，可以進行實驗以匹配應用。

對于GNSS應用，天線需要良好的右旋圓極化特性以匹配極化衛星信號陶瓷貼片是最常用的天線類型，但有許多其他形狀，尺寸和樣式可供選擇。

GNSS應用可以采用無源或有源天線。有源型采用低噪聲放大器（LNA）工作，以提高靈敏度。使用有源天線時，最好添加300歐姆（Ω）鐵氧體磁珠，以將VOUT線連接到RFIN線。該磁珠阻擋來自電源的RF干擾，同時允許RF跡線上的DC電壓饋送天線。模塊內部的串聯電容可防止直流電壓影響模塊內部LNA的偏置。

確定良好RF電路的關鍵參數是阻抗（Z）。必須注意最終產品的印刷電路板布局在模塊和天線之間保持50Ω阻抗路徑。制造商通常在其模塊數據表中提供布局指南，以幫助匹配阻抗和天線板間隙，從而最大限度地提高靈敏度（圖3）。

圖3：天線由無痕跡的印刷電路板區域促成的間隙對于最大化靈敏度和改善TTFF非常重要。 （圖像來源：Antenova）

帶有內置天線的模塊，如Antenova的Radionova M20050設備，可能需要進行一些外部調整，以最大限度地提高靈敏度并加速TTFF。這并不是過于復雜，通常需要增加一些無源元件來補償由與模塊相鄰的電路板元件引起的輕微天線失諧。對于Radionova M20050模塊，Antenova通過在模塊上添加“AT1”和“AT2”輸入來簡化過程，可以連接相應的電阻和電感，以調諧內部天線（圖3，再次）。/p>

模塊控制

每個Antenova，Linx Technologies和Telit模塊必須連接到合適的微處理器進行控制和配置。微處理器要求通常適中，中檔16位器件可以勝任。大多數GNSS模塊通過串行GPIO或UART進行通信，因此請確保所選的微處理器具有一個或兩個。

微處理器通常使用前面提到的NMEA協議與GNSS模塊通信。該協議定義了三種類型的輸入/輸出：命令，寫和讀消息。模塊輸出每個輸入/輸出的響應。命令用于更改模塊的運行狀態。寫消息改變模塊的配置，讀消息詳細說明當前配置。

輸入在RX線上發送到接收器，輸出從TX線上的接收器發送。默認情況下，輸出消息每秒發送一次。該協議允許標準和專有輸入/輸出（圖4）。

圖4：微處理器通過GPIO或UART，TX和RX連接與GNSS模塊通信。注意，這里使用一個300Ω鐵氧體磁珠從電源到有源天線限制射頻干擾）（影像資料來源：領新技術）

的NMEA協議的消息結構是簡單的，例如：

“command-ID [，parameter1，parameter2，...，parameterN] ”用于命令;和“消息-ID， * <校驗> ”的消息

為標準消息的消息ID開始于NMEA '講話者' ID： “$ GP”表示GPS，“$ GL”表示GLONASS，“$ GN”表示全球導航。所述GNSS模塊通常相呼應的命令回給已被執行的命令后的主機處理器。

“$ GPZDA，183746.000,22,08,2017 * 56 ”，例如，是一個詳細說明通用時間和日期的GPS消息（2017年8月22日18：37：46.0）。

許多模塊制造商，如Telit，都選擇專有的命令方案。 （“$ P ...”表示這是一個專有的方案，以及“... STM ...”是制造商的ID，在這種情況下在Telit的木星JF2 GNSS模塊使用的意法半導體芯片。）

命令ID描述$ PSTMINITGPS初始化GPS位置和時間$ PSTMINITTIME 1 Intialize GPS時間$ PSTMCLREPHS清除所有的星歷數據$ PSTMDUMPEPHEMS轉儲emphemeris數據$ PSTMEPH負載的星歷數據$ PSTMNMEAONOFF切換NMBA輸出ON和OFF $ PSTMCOLD執行冷啟動$ PSTMWARM執行熱啟動$ PSTMHOT執行熱啟動$ PSTMSRR執行系統重置$ PSTMGPSRESET重置GPS引擎$ PSTMGETSWVER獲取GNSS庫版本$ PSTMSBASONOFF切換SBAS功能ON和OFF $ PSTMSBASSAT選擇SBAS衛星PRN碼$ PSTMSETCONSTMASK設置GNSS星座掩碼

例如：

“$ PSTMCOLD，0x02 ”執行冷啟動并（可選）清除星歷數據;和“$ PSTMINITTIME，23,02， 2018,09,44,12 “將當前的GPS通用時間初始化為2018年2月23日的9:44:12。

模塊制造商通過提供評估套件簡化了開發過程如果模塊具有內置天線，則包含GNSS模塊并包括天線或天線調諧。例如，Antenova提供M20048 RF模塊評估板，Linx Technologies為TM系列提供MDEV-GNSS-TM開發套件。在評估模塊時，評估模塊都不需要微處理器，因為評估套件直接連接到PC的USB端口，PC隨后提供輸入消息和監控操作（圖6）。

圖6：Antenova的M20048評估套件包括一個微型USB接口，可通過PC進行控制和配置。 （圖像來源：Antenova）

正確供電GNSS模塊至關重要

由于需要檢測微弱的RF信號，GNSS模塊需要干凈，穩定的電源以確保高信號噪聲比（SNR）。規格根據所選的GNSS模塊而有所不同，但一般來說，峰值噪聲應保持在20毫伏（mV）以下以避免出現問題。

雖然一些GNSS模塊包含一個板載穩壓器，但它是建議使用外部主調節器為模塊供電。如果選擇開關模式電壓調節器來提高效率并延長電池壽命，設計人員應考慮將器件與低壓差（LDO）線性穩壓器結合使用，以限制GNSS模塊電壓輸入的噪聲。

如果效率不是一個挑戰，單獨使用LDO穩壓器是一個不錯的選擇，因為材料清單降低了，并且穩壓輸出比開關穩壓器更清潔。無論電壓調節器選擇如何，采用濾波器電路來清理輸入電壓也是一種很好的設計實踐。

GNSS模塊（例如，M20050）通常包括兩個電壓輸入，一個用于為主數字電源供電和處理電路以及第二個為RAM和時鐘提供備份。

除了控制和配置GNSS模塊外，主機微處理器還管理電源模式以幫助延長電池壽命。例如，M20050模塊支持三種這樣的模式：備用，備份和定期。待機關閉模塊的RF部分并使處理器處于待機狀態。時鐘和RAM保持供電以維持模塊配置。

主電壓輸入關閉時進入備份模式。當模塊從省電（休眠）模式喚醒時，此模式用于輔助快速TTFF，因為歷史星歷數據保留在模塊的RAM中。

周期模式通過短時間喚醒模塊來降低電流消耗重新建立衛星修復，然后返回睡眠模式。此模式對于加速TTFF非常有用，因為星歷數據會定期刷新而不是僅保留（圖7）。

圖7：周期模式可以頻繁刷新星歷數據，以確保激活GNSS模塊時的快速TTFF。 （圖片來源：Antenova）

結論

國際衛星導航系統的激增增加了GNSS對精確位置跟蹤的可訪問性和準確性。雖然GNSS系統的設計并不容易，但GNSS模塊通過提供經過組裝，測試和驗證的資產跟蹤解決方案，大大簡化了問題。