GPS 設(shè)計與分析

1、東東 方方 拓拓 宇宇GPS 設(shè)計與分析Global Positioning System1. 系統(tǒng)介紹2. 硬件與軟件設(shè)計要求3. 量產(chǎn)要求4. 問題debug5. GPS co-clock(TMS)6. GPS 測試介紹7. 如何捉取與分析GPSLog8. GPS Filed Test 參數(shù)說明9. GPS SP META 測試各項指標的含義以及參考范圍Global Positioning System 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是美國國防部研制和維護的中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。該系統(tǒng)包括太空中的24顆GPS衛(wèi)星；地面

2、上1個主控站、3個數(shù)據(jù)注入站和5個監(jiān)測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中3顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來的位置就越精確。地區(qū)系統(tǒng)頻點衛(wèi)星美國GPS1575.42MHz24俄羅斯GLONASS1,602MHz+N*0.562524歐洲Galileo1563MHz-1591MHz30中國北斗1559.052MHz1591.788MHz35Satellite SystemPRN numbersNMEA/PMTK SVIDGPS1 321 32WAAS120 13833 64GLONASS1 2465 888996 reservedG

3、ALILEO1 5451104QZSS183 187193 197reserved193197BEIDOU130201230硬件設(shè)計要點 GPS在無輔助信息的條件下定位，需要捕獲到至少四顆衛(wèi)星，并且完整解調(diào)出其時間及星歷數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)定位（不同衛(wèi)星可以同時進行捕獲和解調(diào)信息）。 完整接收每顆衛(wèi)星的星歷至少需要18s，若錯過星歷子幀的起始或者其間有中斷（比如信號變?nèi)鯇?dǎo)致無法解調(diào)），那么都需要在下一幀（30s后）重新接收該不完整的子幀，這時定位時間將大大增加。在窄巷、高架橋下、車里等場景，信號較弱或時強時弱，GPS定位時間一般會比較長也正是這個緣故。 GPS硬件性能將決定整機自主定位的定位時間及其

4、弱信號下維持定位的能力，硬件性能的保證至關(guān)重要，而且需要在設(shè)計之初就考慮進去。針對各個chip的設(shè)計細節(jié)請參考相應(yīng)的Design note。指標決定因素影響改善措施傳導(dǎo)CNR RF trace、LNA衛(wèi)星信號CNR低會造成解調(diào)難，定位慢，容易丟失定位。RF trace 做50歐阻抗控制，走線越短越好且嚴格包地保護?？拷炀€端加LNA提升系統(tǒng)噪聲系數(shù)。天線效率 結(jié)構(gòu)、天線形狀天線效率低會造成接收衛(wèi)星信號強度低，從而造成CNR低。設(shè)計結(jié)構(gòu)之初就需要給GPS天線預(yù)留足夠的空間。clock statusclock走線、TCXO凈空、熱源與TCXO距離clock drift 太大會造成定位慢，clock

5、 drift rate太大會造成即使在強信號下定位時間也長甚至無法定位。TCXO要遠離2G/3G PA，且TCXO要留有足夠的凈空區(qū)以抵抗周圍PA等熱源因開關(guān)熱沖擊造成的 clock drift rate 超標。Clock走線嚴格包地保護。GPS desense干擾源離GPS天線和RF走線的距離干擾源工作時會造成GPS CNR下降。結(jié)構(gòu)上，Menory chip、T卡、Camera、LCD/CTP連接器及任何FPC遠離GPS天線，干擾 源要有良好屏蔽。layout上，GPS RF trace 包地保護，遠離任何數(shù)字信號線，遠離WIFI RF trace。指標spec備注傳導(dǎo)CNR40 dB-H

6、zGPS signal-130 dBm65 dB-HzCW signal-105dBm天線效率 40 %總效率 15%上半球效率clock drift0.5ppm/2ppm依據(jù)所使用晶體規(guī)格配置軟件Clock drift rate(26MHz晶振)2.5ppb/s無熱沖擊10ppb/sWIFI /2G/3G等PA 開關(guān)造成熱沖擊Clock drift rate(TMS Co-Clock)5ppb/s無熱沖擊120ppb/sWIFI /2G/3G等PA 開關(guān)造成熱沖擊GPS DesenseCNR drop35），但定位時間長甚至無法定位TCXO clock 不穩(wěn)定SW使用TCXO時，是否關(guān)閉co

7、-clock output量測co-clock輸出端是否有信號PCBTCXO和co-clock path是否同時貼件；直接check PCBTCXO凈空是否滿足MTK spec；TCXO與各PA距離是否滿足MTK推薦值；強信號下測量靜態(tài)clock status和各熱源工作時的clock statusco-clock TMS未校準或校準失敗debug log錄制debuglog，查看PMTKTSX語句的最后兩個字段是否為0（0表示未校準）重新進行校準，查看log確認校準參數(shù)在spec范圍內(nèi)GPS co-clock(TMS)MT6627/MT6625 GPS co-clock(TMS)方案是：MT

8、6166使用TMS(crystal+thermistor)，MT6627/MT6625省去TCXO，參考時鐘由MT6166提供。使用co-clock方案需要注意以下幾點：1.MT6572/MT6582使用MP版本芯片；2.MT6166使用TMS；3.SW修改成co-clock配置；4.使用前需要進行RF校準和co-clock校準；5.完全遵守TMS layout guide，26MHz clock全程保護。常見校準Fail原因：1.軟件修改不完全：從TCXO改成TMS，軟件總共有四處地方需要修改；2.校準步驟不完全：例如做RF/co-clock校準前沒有使用RF tool生成升溫參數(shù)并填入cf

9、g文件。3.Database文件與當(dāng)前l(fā)oad不配套；4.連續(xù)多次進行co-clock校準：連續(xù)多次校準后，cfg中的升溫參數(shù)已不適應(yīng)PCB當(dāng)前溫度狀況，導(dǎo)致校準參數(shù)C0/C1超出spec。GPS 測試-干擾測試GPS干擾主要是通過觀察接收載噪比（CNR）在待測干擾源有無工作時的變化量來判斷的。如果有GPS模擬器，則PC端可以利用MiniGPS實時顯示衛(wèi)星CNR情況，直觀地觀察干擾源開關(guān)的CNR變化。當(dāng)然，也可利用錄制debuglog的方式進行測試。GPS Field Test log 捉取如何分析GPSLogGPSLog有兩種類型的文件。文件內(nèi)部存儲的只是$GP開口的log，那么這種log稱

10、為NMEA log；文件內(nèi)部除了$GP的log，還有其他的一些log，例如$PMTK的log等等，這種log稱為GPS DebugLog。NMEA 分析方法GPGGA中可以得到UTC時間、經(jīng)緯度、當(dāng)前定位狀態(tài)、使用的衛(wèi)星數(shù)目、HDOP等等；GPGSA中可以得到定位類型、所使用到的衛(wèi)星ID；GPGSV中可以得到可視衛(wèi)星的數(shù)目，然后會一次列舉出每科可視衛(wèi)星的ID、方位角、仰角和信號強度；GPRMC中可以得到UTC時間、定位狀態(tài)、經(jīng)緯度、速度、UTC日期；GPACCURACY是MTK加入的獲取定位精度的語句。缺少哪些輔助資訊如果產(chǎn)看是否觸發(fā)AGPS，需要從GPS debug Log中分析，搜索PMT

11、K730這個語句，因為輔助數(shù)據(jù)主要是看時間、位置、星歷這三個。$PMTK730,0,0,0,1,0,1,1,0：從這個語句中的一個1表示缺少星歷、第二個1表示缺少位置、第三個1表示缺少時間。PMTK710表示獲取星歷輔助數(shù)據(jù)，PMTK712表示獲取時間輔助資訊，PMTK713表示缺少位置輔助資訊。 查看衛(wèi)星分布如何通過看GPGSV里的衛(wèi)星的方位角和仰角可以判斷衛(wèi)星的位置，通過判斷GPGSA里的衛(wèi)星可以知道當(dāng)前定位使用了哪些衛(wèi)星，這樣就可以知道當(dāng)前使用定位計算的這些衛(wèi)星的衛(wèi)星分布如何、信號強度如何。通過GPGGA里的HDOP來判斷當(dāng)前衛(wèi)星的分布如何，這個值越小越好。衛(wèi)星分布越好，越有可能產(chǎn)生的定

12、位精度越高。所以HDOP是定位精度的充分但非必要條件。當(dāng)前有哪些星歷被保存通過搜索GPS Debug Log文件中PMTKEPH，該關(guān)鍵詞會告訴你當(dāng)前有哪些衛(wèi)星是已經(jīng)解析下來輔助資訊的。例如PMTKEPH,3,12,15,18表示有3顆衛(wèi)星已經(jīng)解析下來了星歷數(shù)據(jù)，他們的衛(wèi)星ID 是12、15、18.如何判斷GPS已經(jīng)正常工作GPS工作起來首先會在GPS debug Log中打印出來PMTK010的字樣，所以通過判斷這個可以知道GPS是否有正常工作起來。星歷數(shù)據(jù)是來自EPO、HotStill還是實時解算如果知道當(dāng)前使用到的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)是來自實時接收解算下來的星歷、還是EPP,或者是HotStil

13、l，同樣也是通過判斷PMTKEPH。如果該關(guān)鍵字后面跟著的衛(wèi)星ID是正整數(shù)，那么是實時接收解算下來的星歷；如果是浮點數(shù)，而且是負數(shù)，但是小數(shù)點后都是0，表示的是EPO；如果是浮點數(shù)，而且是負數(shù)，但是小數(shù)點后的是非0，表示的是Hotstill；判斷AGPS/EPO/HotStill是否工作從GPS Debug log中搜索到wk，epo表示EPO有工作；從GPS debug log中搜索到wkbee表示Hotstill有工作；從GPS Debug log中搜索到wkssi表示AGPS有工作。H/W/C/F GPS Start通過從打開GPS的第一條GPGGA語句來確認是什么啟動方式，如果該語句中

14、的時間是235944，那么表示沒有時間輔助資訊，這是完全冷啟動；如果有時間信息，但是位置是8960.0000，N，0000.0000，E，這表示是冷啟動；如果既有時間也有位置，可以看第一條PMTKEPH中是幾顆有衛(wèi)星的星歷，如果一顆沒有，那么這是暖啟動；如果發(fā)現(xiàn)也有位置、時間、而且至少4顆以上的星歷，那么這是熱啟動。DESCRIPTIONGPS 搜星慢，信號弱，定位慢，定位漂移問題 SOLUTION1.若客戶有遇到該類GPS Performance issue，請到DCC上下載以下文檔，參考文檔進行檢查。MTK_GPS_Phone_SQC_Test_20120220_Sim.pdf。2.若確定

15、跟測試環(huán)境無關(guān)，仍有問題的話，請?zhí)峤籩service,并附上復(fù)現(xiàn)問題的gps debug log and mobile log.3.抓取gps debug log and mobile log的方法請到DCC上下載以下文檔。GPS-Logs-SOP.pptx.GPS Filed Test 參數(shù)說明CEP和RMS是GPS的定位精度單位，也是個概率單位。就拿5M CEP說吧，意思是以5M為半徑畫圓，有50%的點能打在圓內(nèi)，也就是說，GPS定位在5M精度的概率是50%，相應(yīng)的RMS（66.7%）2DRMS（95%）當(dāng)然很多商家愿意給出CEP，因為單位大了，前面的數(shù)就小了，好看。水平精度以圓概率誤差(

16、CEP) 意味著 50% 的結(jié)果在給出的圓直徑內(nèi)，50%的結(jié)果在圓外。RMS是1 sigma或1倍標準差，如果結(jié)果是無偏的，概率為67%。2dRMS是2 sigma或2倍標準差，概率為95%。他們的相互轉(zhuǎn)換可以按照下面的規(guī)則：CEP 乘以1.2能轉(zhuǎn)換為RMS，CEP 乘以2.4能轉(zhuǎn)換為2drms。GPS SP META 測試各項指標的含義以及參考范圍Phase Ratio測試信號鎖定的能力，檢驗TCXO的品質(zhì)，以-130 dBm的信號強度而言，Phase Ratio須在0.85以上 TCXO Offset測試TCXO的品質(zhì)，在-130 dBm信號強度，以0.5ppm 的16.368 MHz TCXO而言O(shè)ffset需在+/- 40.92 Hz之內(nèi)。 CNR Mean測試信號強度和穩(wěn)定性，以-130 dBm的信號強度而言，CNR須在40 dB/Hz TCXO Drift測試TCXO的品質(zhì)，在-130 dBm信號強度，以0.5ppm的16.368 MHz TCXO而言,Drift為