GPS芯片

定義

　　GPS芯片即包含了RF射頻芯片，基帶芯片及微處理器的芯片組。

作用

　　GPS芯片是GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，核心芯片的優(yōu)劣在很大程度上決定了不同GPS產(chǎn)品的性能差異，決定著接受終端的實(shí)際使用性能表現(xiàn)如何，可以說GPS核心芯片直接關(guān)系到GPS產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和未來發(fā)展走向。隨著GPS市場(chǎng)的不斷增容使得芯片產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展，目前已有十余家廠商推出了GPS芯片。

種類介紹

　　非獨(dú)立式GPS筆記本電腦使用的GPS接收機(jī)有藍(lán)牙、CF（CompactFlash）、USB等3種接口，配合PDA使用的還有SDIO接口的。這些GPS沒有顯示屏，不能獨(dú)立使用，通過NMEA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)將定位信息提供給計(jì)算設(shè)備。這些非獨(dú)立式GPS的制造商大多是新興的電子設(shè)備制造商，很多知名制造商都來自臺(tái)灣，如長天科技（Holux）、麗臺(tái)科技（LeadTek）等。

　　GPSMouseUSB接口的GPS接收機(jī)也被稱為GPSMouse，價(jià)格最便宜。GPSMouse把GPS模塊、天線和串口/USB口轉(zhuǎn)換芯片集成在一起，通過一段1～1.5m的線纜連接到筆記本電腦的USB口。USB接口既可以傳遞GPS定位信息，也可以向GPS模塊供電。GPSMouse非常適合筆記本電腦車輛導(dǎo)航，但是不適合步行時(shí)使用。在車輛導(dǎo)航時(shí)，GPSMouse可以放到車外并吸附到車頂上，最大限度地接收GPS信號(hào)（優(yōu)質(zhì)的汽車玻璃含有金屬成分以抵擋紫外線，會(huì)降低GPS信號(hào)強(qiáng)度）。 細(xì)心的讀者也許從前面的介紹中注意到，GPSMouse中有一個(gè)串口/USB口轉(zhuǎn)換芯片，這豈不是畫蛇添足，直接把GPS模塊設(shè)計(jì)成USB接口不就完了？這一“畫蛇添足”的設(shè)計(jì)起因在于GPS數(shù)據(jù)接口協(xié)議NMEA-0183，這一協(xié)議把GPS的數(shù)據(jù)接口定義為4800bps的串行數(shù)據(jù)總線。絕大多數(shù)的電子地圖軟件都通過NMEAV2.0以上標(biāo)準(zhǔn)讀取串口上的GPS信息。如果GPS直接設(shè)計(jì)成USB口，就會(huì)有兼容性問題，而通過串口/USB口轉(zhuǎn)換芯片，在計(jì)算設(shè)備上再安裝驅(qū)動(dòng)程序，就可以把USB口模擬成串口，兼容性非常好。事實(shí)上，CF口和藍(lán)牙的GPS接收機(jī)也都要模擬成串口，才能被電子地圖軟件識(shí)別。 除了NMEA數(shù)據(jù)接口協(xié)議外，最為知名的是Garmin公司GPS的專用Garmin協(xié)議。Garmin自己的地圖軟件都只支持Garmin協(xié)議，另外GoogleEarthPro/Plus和OziExplorer當(dāng)前也支持Garmin協(xié)議。

　　CF口GPSCF口GPS主要是為PDA設(shè)計(jì)的，不過當(dāng)下的PDA越做越小，已經(jīng)逐漸放棄CF口而改用SD口。CF口通過轉(zhuǎn)接卡可以接入筆記本電腦的PCMCIA接口，因?yàn)闆]有線纜連接，使用起來比USB接口更為方便，優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在步行使用中。在車用導(dǎo)航時(shí)，CF口GPS可以通過外接天線實(shí)現(xiàn)GPSMouse靈活擺放的特性（通過把天線擺放到合適的位置以接收到足夠強(qiáng)的GPS衛(wèi)星信號(hào)）。當(dāng)然，CF口GPS的價(jià)格也略高，一般在500～600元。 由于CF口GPS最初主要面向PDA設(shè)計(jì)，留給我們的后遺癥就是部分產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)程序和筆記本電腦上的操作系統(tǒng)兼容性不好，甚至根本不能安裝，用戶在購買時(shí)最好先安裝調(diào)試再付款。

　　藍(lán)牙GPS藍(lán)牙GPS接收機(jī)是2005年的明星，通過無線連接筆記本電腦、PDA甚至智能手機(jī)都非常方便，又可以實(shí)現(xiàn)靈活擺放的特點(diǎn)，因此受到了用戶普遍歡迎。由于藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)本身就有模擬串口的功能，所以在電子地圖兼容性方面也比較好，不過有時(shí)也有不兼容問題。 藍(lán)牙GPS的缺點(diǎn)是需要配備電池并經(jīng)常充電，而且很多用戶不熟悉藍(lán)牙設(shè)備的軟件設(shè)置方法。加之價(jià)格略高（800元上下），應(yīng)用還不夠普遍。不過，隨著越來越多的筆記本電腦集成藍(lán)牙功能，藍(lán)牙GPS有望成為市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。

　　獨(dú)立式GPS其實(shí)，最早的民用GPS都是可以獨(dú)立使用的GPS設(shè)備。這類設(shè)備又可以分為手持式、車載式，有獨(dú)立顯示屏用于顯示地圖或航點(diǎn)航跡信息，大部分有集成的電子地圖功能（俗稱地圖機(jī)），體積一般也比較大，價(jià)格從1000～9000元不等，功能差異很大。獨(dú)立式民用GPS最著名的2家供應(yīng)商都來自美國，分別是高明（Garmin）和麥哲倫（Magellan），在國內(nèi)可以買到他們的產(chǎn)品。此外還有歐洲的TomTom在車載GPS領(lǐng)域中比較著名。 獨(dú)立式GPS一般也具有數(shù)據(jù)接口和筆記本電腦進(jìn)行連接，接口大多為串口，部分采用USB口或藍(lán)牙接口。這些接口的主要目的并不是為了把定位信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給計(jì)算設(shè)備，而是為在GPS設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間復(fù)制航跡和地圖等信息，因此在連接筆記本電腦傳遞定位信息時(shí)都不太方便。筆記本電腦已經(jīng)很少配備串口，因此連接串口需要串口/USB口轉(zhuǎn)換器，并安裝驅(qū)動(dòng)程序把USB接口模擬成串口。 獨(dú)立式GPS一般不會(huì)連接筆記本電腦一起使用，除非不是地圖機(jī)，或者沒有特定地區(qū)的GPS地圖。在配合筆記本電腦使用為主的應(yīng)用模式下，我們也不推薦使用獨(dú)立式GPS。 

發(fā)展和展望

　　2003年以后GPS芯片產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般呈現(xiàn)出一種蓬勃發(fā)展的局面。當(dāng)下設(shè)計(jì)生產(chǎn)GPS芯片的廠家超過10家，包括美國SiRF(瑟孚)、Garmin(高明)、摩托羅拉、索尼、富士通、飛利浦、Nemerix、uNav、uBlox等。

　　2005年SiRF收購了摩托羅拉的GPS芯片業(yè)務(wù)，未來將合作在摩托羅拉的智能手機(jī)中集成GPS功能。無獨(dú)有偶，高通公司在增強(qiáng)型3G手機(jī)芯片CDMA2000 EV-DO中也設(shè)計(jì)了集成的GPS功能。Nextel公司也在使用SiRF的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其手機(jī)中的GPS功能。

　　美國已經(jīng)通過了法律，要求移動(dòng)電話制造商在2007年必須把GPS接收機(jī)集成到產(chǎn)品中去，以提供定位和緊急呼叫功能，2007年已經(jīng)是3G的時(shí)代。可見，盡管如今集成GPS功能的手機(jī)尚未進(jìn)入主流市場(chǎng)，但是將來3G手機(jī)的中高端機(jī)型會(huì)普遍集成GPS功能。

　　盡管廠商林立，如今在非獨(dú)立式GPS領(lǐng)域中SiRF的地位就如同PC產(chǎn)業(yè)中的英特爾，主流產(chǎn)品幾乎全部采用SiRF芯片。因此，讀者只要了解SiRF芯片的幾個(gè)主要型號(hào)就可以了解非獨(dú)立式GPS的核心技術(shù)差異。

　　另外，Garmin在獨(dú)立式GPS設(shè)備市場(chǎng)中占有半壁江山，主要采用Garmin自己的芯片產(chǎn)品。Garmin公司很像IT領(lǐng)域中的IBM，從地圖軟件到GPS設(shè)備、到核心芯片，是一個(gè)產(chǎn)業(yè)垂直集成的公司。在一些非獨(dú)立式GPS領(lǐng)域，Garmin也使用SiRF的芯片。

　　新興的GPS芯片公司幾乎在原有市場(chǎng)中都很難有立足之地，他們把目光主要瞄準(zhǔn)了未來集成GPS的各種IT設(shè)備，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA、筆記本電腦，甚至U盤。

三代芯片

　　關(guān)于GPS“三代芯片”

　　在GPS中有不少關(guān)于“三代芯片”的提法。但商家沒有給以明確的說明，而大多數(shù)使用者也不知道所謂的“第三代芯片”與“第二代”的實(shí)質(zhì)差別，導(dǎo)致出現(xiàn)了一些誤解。

　　當(dāng)前國際上常見到的GPS芯片主要是美國SIRF（Sirf ）

　　SiRF最新的第三代芯片SiRFstar III（GSW 3.0/3.1），采用20萬次/頻率的相關(guān)器提高了靈敏度，冷開機(jī)42秒，暖開機(jī)38秒，熱開機(jī)8秒，可以同時(shí)追蹤20個(gè)衛(wèi)星信道。

　　我國的北京東方聯(lián)星科技有限公司在08年上半年自主設(shè)計(jì)、開發(fā)出了當(dāng)今世界啟動(dòng)速度最快的衛(wèi)星導(dǎo)航芯片。冷開機(jī)35秒，暖開機(jī)30秒，熱開機(jī)1秒，小于1秒的重捕獲時(shí)間，可以同時(shí)追蹤32個(gè)衛(wèi)星信道。

三代芯片的核心

　　芯片硬件大同小異，只是內(nèi)部軟件起主要作用。所謂三代的核心技術(shù)只是在2代的基礎(chǔ)上提高改進(jìn)了軟件的算法，就好比初、高中物理課上計(jì)算加速度/速度用的公式，但到了大學(xué)高等數(shù)學(xué)中導(dǎo)數(shù)、積分來計(jì)算同一道加速度/速度的物理題，方法（算法）不同，所用時(shí)間大不一樣，體現(xiàn)了中學(xué)和大學(xué)的區(qū)別，就好像2代和3代一樣。其次是硬件也提供了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

　　三代芯片軟件主要功能：

　　三代芯片軟件提高升級(jí)：

　?。?）算法改進(jìn)提高搜星/定位速度時(shí)間。

　?。?）通過軟件濾波器提高抗干擾性能、信噪比及接收有效星顆數(shù)。

　?。?）有的芯片實(shí)現(xiàn)軟件DR航跡（轉(zhuǎn)跡）推算，提高抗高樓、樹蔭、橋下遮擋及隧道功能。

　　（4）軟通道搜索，搜索提高可視衛(wèi)星的通道數(shù)（可以12—24顆），人員、車輛、上下坡、姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)、飛機(jī)、船舶星歷狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)仍能繼續(xù)定位。

三代芯片硬件改進(jìn)

　　（1） 芯片功耗降低，體積減少（與2代比）。

　?。?） 提高抗干擾能力，全屏蔽或雙芯片分開。

　　三代產(chǎn)品明顯優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)（實(shí)際效果）：

　?。?） 定位時(shí)間快：無論冷啟動(dòng)、溫啟、熱啟，重捕時(shí)間均快5-30秒鐘（與二代相比）。

　?。?） 高感度：即在高樓、樹蔭、橋下、遮檔、遂洞、窗口、車內(nèi)，甚至車底盤下仍可很快定位收4顆以上衛(wèi)星。常說：有點(diǎn)天空就可定位（單星定位），也就是《給點(diǎn)陽光就燦爛》。

　?。?） 抗干擾性能：高壓線、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、高速動(dòng)態(tài)、微波、手機(jī)，同頻干擾的環(huán)境下仍能正常工作。

　?。?） 功耗低、省電：降低了功耗，甚至有睡眠狀態(tài)（靜態(tài)不工作），可以節(jié)電，提高產(chǎn)品待機(jī)時(shí)間。

　?。?） 體積小，性能價(jià)格比好：體積小，重量輕，這是社會(huì)的需求和發(fā)展趨勢(shì)，可以擴(kuò)大更多的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。

　　結(jié)論：總之，了解關(guān)注三代芯片，切勿神話三代芯片，“不管黑貓、白貓抓住老鼠就是好貓”，理論聯(lián)系實(shí)際，適合自己的就是最好的。

三代芯片優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

　　使用者只要對(duì)三代芯片具體技術(shù)指標(biāo)一般了解即可，而更主要比較觀察是否有以下特征。

　　（1）定位時(shí)間快：沒有論冷啟動(dòng)、溫啟、熱啟，重捕時(shí)間均快5-30秒（同二代相比），實(shí)際上大部使用者也不差這十幾秒鐘。

　?。?）高感度：即在高樓、樹蔭、橋下、遮檔、遂洞、窗口、車內(nèi)，甚至車的底盤下仍可很快定位收4顆以上衛(wèi)星。常說：有點(diǎn)天空就可以定位（單星定位），即《給點(diǎn)陽光就燦爛》。

　　（3）抗干擾性能：高壓線、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、高速動(dòng)態(tài)、微波、手機(jī)，同頻干擾環(huán)境下仍能正常工作。

　　（4）功耗低、省電：降低功耗，甚至睡眠狀態(tài)（靜態(tài)不工作），可以節(jié)省電量，提高產(chǎn)品待機(jī)的時(shí)間。

　　（5）體積小，性價(jià)比好：體積小，重量輕，這是社會(huì)需求和發(fā)展的趨勢(shì)，可以擴(kuò)大更多應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。 

用途

　　2008年6月24日，Databeans發(fā)布的一份研究報(bào)告表示，全球定位系統(tǒng)（GPS）IC的需求在上升。芯片價(jià)格大幅下跌，并且開始在手機(jī)市場(chǎng)、以及成熟的PND和汽車市場(chǎng)尋求更多的機(jī)會(huì)。

　　GPS設(shè)備利用的是多年前發(fā)射的一個(gè)基于軍事目的開發(fā)的美國衛(wèi)星系統(tǒng)。我們?cè)诘孛嬗媒邮掌鹘邮諄碜孕l(wèi)星的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。接收裝置與這些衛(wèi)星互相傳送信號(hào)，確定接收器所在的位置，并且計(jì)算出經(jīng)度、緯度、甚至高度。憑借不斷地與衛(wèi)星進(jìn)的信號(hào)傳遞，接收器能夠在設(shè)定時(shí)間內(nèi)采集數(shù)據(jù)，并計(jì)算出速度、距離和達(dá)到預(yù)設(shè)點(diǎn)的預(yù)計(jì)時(shí)間。

　　GPS技術(shù)的應(yīng)用曾受到成本的影響，但如今芯片價(jià)格大幅降低，越來越多的手機(jī)和汽車都配備了GPS功能，而且技術(shù)不斷在消費(fèi)者領(lǐng)域得到普及。GPS電子設(shè)備的出貨量在2007年達(dá)到一億兩千六百萬臺(tái)，年度復(fù)合增長率達(dá)到20%，2013年將達(dá)到5億臺(tái)。 

工作原理

　　GPS芯片的工作原理主要基于衛(wèi)星定位原理，通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理和計(jì)算，最終得到定位結(jié)果。以下是GPS芯片工作原理的詳細(xì)解釋：

一、核心組成部分及功能

　　GPS接收器：這是GPS芯片中最重要的部分，負(fù)責(zé)接收來自衛(wèi)星的信號(hào)。這些信號(hào)包含衛(wèi)星的位置信息和時(shí)間信息。

　　天線：用于接收衛(wèi)星信號(hào)并將其傳輸?shù)紾PS接收器。不同種類的天線對(duì)GPS定位的精度和靈敏度有不同的影響。

　　基帶處理器：主要用于解碼GPS接收器接收到的衛(wèi)星信號(hào)，通過內(nèi)置的算法計(jì)算接收器所處的位置坐標(biāo)。這些算法能夠不斷計(jì)算接收器位置坐標(biāo)，并更新數(shù)據(jù)，確保定位的準(zhǔn)確性。

二、工作原理步驟

　　1、信號(hào)接收：GPS芯片通過天線接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。這些信號(hào)是衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí)，連續(xù)發(fā)送的帶有運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘的改正參數(shù)、電離層延遲修正參數(shù)及衛(wèi)星的工作狀態(tài)等信息的二進(jìn)制碼導(dǎo)航電文。

　　2、信號(hào)處理：接收到衛(wèi)星信號(hào)后，GPS芯片內(nèi)部的處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼和計(jì)算。這一過程包括提取衛(wèi)星的位置信息和時(shí)間信息，以及處理任何必要的改正數(shù)（如電離層和對(duì)流層的折射改正，衛(wèi)星時(shí)鐘和接收機(jī)時(shí)鐘的鐘差改正等）。

　　3、位置計(jì)算：基于提取的衛(wèi)星位置信息和時(shí)間信息，以及處理器中的算法，GPS芯片計(jì)算出接收設(shè)備的位置信息。這通常包括經(jīng)度、緯度、高度、速度和時(shí)間等。

三、定位精度與影響因素

　　天線品質(zhì)：天線的性能直接影響接收到的衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而影響定位精度。

　　芯片性能：GPS芯片的處理速度和算法優(yōu)化程度也會(huì)影響定位速度和精度。

　　衛(wèi)星數(shù)量和分布：為了獲得準(zhǔn)確的定位結(jié)果，通常需要至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)。衛(wèi)星的數(shù)量和分布越廣泛，定位精度通常越高。

　　環(huán)境因素：如大氣層（電離層和對(duì)流層）的折射、多路徑效應(yīng)等也會(huì)影響定位精度。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

　　GPS芯片廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車導(dǎo)航、物流運(yùn)輸、智能手機(jī)、電子手表等多個(gè)領(lǐng)域。它使得這些設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和導(dǎo)航功能，為人們的生活和工作帶來了極大的便利。

　　綜上所述，GPS芯片的工作原理是一個(gè)涉及信號(hào)接收、信號(hào)處理和位置計(jì)算的復(fù)雜過程。通過不斷優(yōu)化芯片性能、改進(jìn)算法以及提高天線的品質(zhì)，可以進(jìn)一步提高GPS芯片的定位精度和可靠性。