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)指標和未來發(fā)展走向。隨著GPS市場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

　　非獨立式GPS筆記本電腦使用的GPS接收機有藍牙、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，不能獨立使用，通過NMEA協(xié)議標準將定位信息提供給計算設備。這些非獨立式GPS的制造商大多是新興的電子設備制造商，很多知名制造商都來自臺灣，如長天科技（Holux）、麗臺科技（LeadTek）等。

　　GPSMouseUSB接口的GPS接收機也被稱為GPSMouse，價格最便宜。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航，但是不適合步行時使用。在車輛導航時，GPSMouse可以放到車外并吸附到車頂上，最大限度地接收GPS信號（優(yōu)質(zhì)的汽車玻璃含有金屬成分以抵擋紫外線，會降低GPS信號強度）。 細心的讀者也許從前面的介紹中注意到，GPSMouse中有一個串口/USB口轉(zhuǎn)換芯片，這豈不是畫蛇添足，直接把GPS模塊設計成USB接口不就完了？這一“畫蛇添足”的設計起因在于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以上標準讀取串口上的GPS信息。如果GPS直接設計成USB口，就會有兼容性問題，而通過串口/USB口轉(zhuǎn)換芯片，在計算設備上再安裝驅(qū)動程序，就可以把USB口模擬成串口，兼容性非常好。事實上，CF口和藍牙的GPS接收機也都要模擬成串口，才能被電子地圖軟件識別。 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當前也支持Garmin協(xié)議。

　　CF口GPSCF口GPS主要是為PDA設計的，不過當下的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，因為沒有線纜連接，使用起來比USB接口更為方便，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在步行使用中。在車用導航時，CF口GPS可以通過外接天線實現(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的GPS衛(wèi)星信號）。當然，CF口GPS的價格也略高，一般在500～600元。 由于CF口GPS最初主要面向PDA設計，留給我們的后遺癥就是部分產(chǎn)品的驅(qū)動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，用戶在購買時最好先安裝調(diào)試再付款。

　　藍牙GPS藍牙GPS接收機是2005年的明星，通過無線連接筆記本電腦、PDA甚至智能手機都非常方便，又可以實現(xiàn)靈活擺放的特點，因此受到了用戶普遍歡迎。由于藍牙標準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，不過有時也有不兼容問題。 藍牙GPS的缺點是需要配備電池并經(jīng)常充電，而且很多用戶不熟悉藍牙設備的軟件設置方法。加之價格略高（800元上下），應用還不夠普遍。不過，隨著越來越多的筆記本電腦集成藍牙功能，藍牙GPS有望成為市場上的主流產(chǎn)品。

　　獨立式GPS其實，最早的民用GPS都是可以獨立使用的GPS設備。這類設備又可以分為手持式、車載式，有獨立顯示屏用于顯示地圖或航點航跡信息，大部分有集成的電子地圖功能（俗稱地圖機），體積一般也比較大，價格從1000～9000元不等，功能差異很大。獨立式民用GPS最著名的2家供應商都來自美國，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。 獨立式GPS一般也具有數(shù)據(jù)接口和筆記本電腦進行連接，接口大多為串口，部分采用USB口或藍牙接口。這些接口的主要目的并不是為了把定位信號實時傳遞給計算設備，而是為在GPS設備和計算機之間復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)動程序把USB接口模擬成串口。 獨立式GPS一般不會連接筆記本電腦一起使用，除非不是地圖機，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用模式下，我們也不推薦使用獨立式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。當下設計生產(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，未來將合作在摩托羅拉的智能手機中集成GPS功能。無獨有偶，高通公司在增強型3G手機芯片CDMA2000 EV-DO中也設計了集成的GPS功能。Nextel公司也在使用SiRF的技術(shù)來實現(xiàn)其手機中的GPS功能。

　　美國已經(jīng)通過了法律，要求移動電話制造商在2007年必須把GPS接收機集成到產(chǎn)品中去，以提供定位和緊急呼叫功能，2007年已經(jīng)是3G的時代?？梢姡M管如今集成GPS功能的手機尚未進入主流市場，但是將來3G手機的中高端機型會普遍集成GPS功能。

　　盡管廠商林立，如今在非獨立式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芯片的幾個主要型號就可以了解非獨立式GPS的核心技術(shù)差異。

　　另外，Garmin在獨立式GPS設備市場中占有半壁江山，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設備、到核心芯片，是一個產(chǎn)業(yè)垂直集成的公司。在一些非獨立式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中都很難有立足之地，他們把目光主要瞄準了未來集成GPS的各種IT設備，如手機、數(shù)碼相機、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”的實質(zhì)差別，導致出現(xiàn)了一些誤解。

　　當前國際上常見到的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42秒，暖開機38秒，熱開機8秒，可以同時追蹤20個衛(wèi)星信道。

　　我國的北京東方聯(lián)星科技有限公司在08年上半年自主設計、開發(fā)出了當今世界啟動速度最快的衛(wèi)星導航芯片。冷開機35秒，暖開機30秒，熱開機1秒，小于1秒的重捕獲時間，可以同時追蹤32個衛(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代的基礎上提高改進了軟件的算法，就好比初、高中物理課上計算加速度/速度用的公式，但到了大學高等數(shù)學中導數(shù)、積分來計算同一道加速度/速度的物理題，方法（算法）不同，所用時間大不一樣，體現(xiàn)了中學和大學的區(qū)別，就好像2代和3代一樣。其次是硬件也提供了質(zhì)量標準。

　　三代芯片軟件主要功能：

　　三代芯片軟件提高升級：

　?。?）算法改進提高搜星/定位速度時間。

　　（2）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。

　?。?）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、飛機、船舶星歷狀態(tài)發(fā)生變化時仍能繼續(xù)定位。

三代芯片硬件改進

　?。?） 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)勢特點（實際效果）：

　?。?） 定位時間快：無論冷啟動、溫啟、熱啟，重捕時間均快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：有點天空就可定位（單星定位），也就是《給點陽光就燦爛》。

　?。?） 抗干擾性能：高壓線、電場、磁場、高速動態(tài)、微波、手機，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)品待機時間。

　?。?） 體積小，性能價格比好：體積小，重量輕，這是社會的需求和發(fā)展趨勢，可以擴大更多的應用范圍和領(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)系實際，適合自己的就是最好的。

三代芯片優(yōu)勢特點

　　使用者只要對三代芯片具體技術(shù)指標一般了解即可，而更主要比較觀察是否有以下特征。

　?。?）定位時間快：沒有論冷啟動、溫啟、熱啟，重捕時間均快5-30秒（同二代相比），實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：有點天空就可以定位（單星定位），即《給點陽光就燦爛》。

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

　?。?）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)品待機的時間。

　?。?）體積小，性價比好：體積小，重量輕，這是社會需求和發(fā)展的趨勢，可以擴大更多應用范圍和領(lǐng)域。 

用途

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

　　GPS設備利用的是多年前發(fā)射的一個基于軍事目的開發(fā)的美國衛(wèi)星系統(tǒng)。我們在地面用接收器接收來自衛(wèi)星的坐標數(shù)據(jù)。接收裝置與這些衛(wèi)星互相傳送信號，確定接收器所在的位置，并且計算出經(jīng)度、緯度、甚至高度。憑借不斷地與衛(wèi)星進的信號傳遞，接收器能夠在設定時間內(nèi)采集數(shù)據(jù)，并計算出速度、距離和達到預設點的預計時間。

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

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，進行信號處理和計算，最終得到定位結(jié)果。以下是GPS芯片工作原理的詳細解釋：

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，負責接收來自衛(wèi)星的信號。這些信號包含衛(wèi)星的位置信息和時間信息。

　　天線：用于接收衛(wèi)星信號并將其傳輸?shù)紾PS接收器。不同種類的天線對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，通過內(nèi)置的算法計算接收器所處的位置坐標。這些算法能夠不斷計算接收器位置坐標，并更新數(shù)據(jù)，確保定位的準確性。

二、工作原理步驟

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

　　2、信號處理：接收到衛(wèi)星信號后，GPS芯片內(nèi)部的處理器對信號進行解碼和計算。這一過程包括提取衛(wèi)星的位置信息和時間信息，以及處理任何必要的改正數(shù)（如電離層和對流層的折射改正，衛(wèi)星時鐘和接收機時鐘的鐘差改正等）。

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

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)星信號的強度和穩(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)化程度也會影響定位速度和精度。

　　衛(wèi)星數(shù)量和分布：為了獲得準確的定位結(jié)果，通常需要至少四顆衛(wèi)星的信號。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（電離層和對流層）的折射、多路徑效應等也會影響定位精度。

四、應用領(lǐng)域

　　GPS芯片廣泛應用于航空航天、汽車導航、物流運輸、智能手機、電子手表等多個領(lǐng)域。它使得這些設備能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和導航功能，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涉及信號接收、信號處理和位置計算的復雜過程。通過不斷優(yōu)化芯片性能、改進算法以及提高天線的品質(zhì)，可以進一步提高GPS芯片的定位精度和可靠性。