А. Русак

GPS-чипсет от STMicroelectronics

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-приёмник принимает сигналы от нескольких из 24 спутников системы NAVSTAR, развёрнутой 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 всё 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 трёхмерном 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, передаётся на соответсвующий спутник, а оттуда — на приёмник GPS. Кроме этого, в пакете информации, передаваемом на GPS-приёмник со спутника, содержится информация о точном времени, считываемом с атомных бортовых часов. Получив разницу отсчётов собственных электронных часов и бортовых часов спутника, GPS-приёмник по известной формуле определяет расстояние до спутника (скорость распространения сигнала равна скорости света). Имея расстояние до двух спутников и их координаты, процессор GPS-приёмника вычисляет широту и долготу своего местоположения.

Однако, из-за неточности собственных часов, GPS-приёмник должен принимать информацию не от двух, а от трёх 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 трём спутникам, процессор GPS-приёмника в итоге получает не точку пересечения, а треугольник. Центр треугольника является относительно стабильным, поэтому в нём и находятся ваши точные координаты. Итак, точность определения вашего местоположения возрастает с увеличением числа принимаемых сигналов от различных спутников системы. Принимая сигналы четырёх 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 приёме некодированного сигнала составляет 30 м и лучше, а в случае с кодированным сигналом — 50–150 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 отменён. В результате, точность определения координат (при использовании дифференциальных GPS-приёмников) повышена до 3 м. Подробности — http://gps.hotmail.ru/news/msg-00155.htm (прим. редакции).

В настоящее время выпускается различное оборудование для приёма 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, причём одновременно, то есть имеет большее число каналов приёма. В самом деле, если GPS-приёмник имеет только один канал, то он должен хранить текущее положение уже принятых спутников в своей памяти, и для приёма четырёх 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 ещё в 1982 году. К завершению строительства системы, на её орбитах должно было вращаться 24 навигационных спутника, обеспечивающих заветную точность “не хуже 30 м”. Беда в том, что развёртывание 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 серьёзная фирма, производящая GPS-оборудование, пока что не учитывает возможность приёма 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 объёмах (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 малообъёмный, так и высокообъёмный 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-разъём для подключения к компьютеру по RS-232.

На входном BNC-разъёме 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 50–150 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 приведён в таблице.

Таблица

Кроме данных фиксации, существует ещё 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