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Architettura di un ricevitore GPS

Architettura di un ricevitore GPS

GNSS (Global Navigation Satellite System – sistema satellitare di navigazione globale) è un nome comune per tutti i sistemi di posizionamento basati su satellite, che sono GPS (Global Positioning System – Sistema di posizionamento globale) dagli Stati Uniti, Galileo dall’Europa, GLONASS dalla Russia, e CNSS dalla Cina. Il GPS è il primo e più popolare tra questi sistemi.

Negli Stati Uniti, FCC ha ordinato atutti gli operatori di rete di seguire l’E911 act (Enhanced 911) per fornire l’indirizzo fisico di chiunque componga il numero per le chiamate di emergenza 911. Sempre più telefoni cellulari hanno incluso la caratteristica del GPS. Allo stesso tempo, i dispositivi di navigazione sono popolari grazie alla rapida crescita di automobili private e telefoni mobili negli stati emergenti. Grazie a Google, sempre più consumatori possono connettere i loro dispositivi GPS ai servizi web di Google per la navigazione, visite virtuali o per soddisfare la loro curiosità. Tutti questi servizi sono grautiti.

L’ispirazione di Google nel GPS

Google è un grande innovatore del web. Tutti conoscono Google Map e Google Earth. E i suoi avversari come Microsoft e Yahoo devono raggiungerlo. Tuttavia Google non è l’inventore del GIS web. Oramai il GIS web è disponibile da lungo tempo. Ciò non toglie che Google promuove il GIS web con la sua grande influenza su Internet, e inoltre fornisce i servizi free in un modo veloce ed elegante (AJAX). Sempre più compagnie e sviluppatori hanno identificato le opportunità di integrare le esistenti tecnologie per la navigazione e il GIS web. Le nuove storie di successo si diffondono nel mondo e ottengono le attenzioni di ingenti capitali. Come risultato, l’ecosistema del GPS diventa altamente competitivo ed eccitante.

Mercato GPS Competitivo

Una applicazione GPS di successo è fatta di terminali GPS, servizi sui dati della mappa e centri di servizio. Questo significa che le applicazioni GPS stanno fondendo commerci che coinvolgono Internet, terminali mobili, reti mobili, automobilismo ed elettronica di consumo. Sempre più industrie cercano nuove opportunità di affari nella navigazione. È un dato di fatto che le mapper e i servizi sono i fattori chiave del successo del business. Come al solito, i produttori di dispositivi devono combattere per la condivisione del mercato e per dispositivi più economici. Le compagnie che hanno iniziato per prime devono rilasciare prodotti con caratteristiche uniche. Alcuni fornitori offrono chipset di posizionamento satellitare dual mode o tri-mode per GPS, Galileo e CNSS. Alcuni vendors indipendenti RFIC si uniscono con i fornitori di software per promuovere soluzioni software GPS con costo BOM ridotto. Alcuni altri vendors promuovono il chip RFIC per tutte le caratteristiche RF inclusi Bluetooth, radio FM e GPS.

Google Map GPS

Architettura di un ricevitore GPS

Il GPS lavora effettuando misurazioni di distanza del ricevitore dai satelliti. Per arrivare ad un fix della posizione dobbiamo conoscere precisamente dove sono i satelliti e quanto lontano siamo da essi. Queste informazioni sono disponibili al ricevitore leggendo i messaggi inviati da ogni satellite che forniscono una precisa descrizione dell’orbita dei satelliti e informazioni sulla temporizzazione che sono usate per determinare quando il segnale è stato trasmesso dal satellite. Ogni satellite trasmette su due frequenze della banda L (L1 = 1575.42 MHz e L2 = 1227.6 MHz). Ogni satellite trasmette un unico codice CDMA (Code Division Multiple Access) su queste frequenze.

Alla base di questo il segnale è modulato con un messaggio a 50 Hz che fornisce precise informazioni sui parametri orbitali e sul timing. Una volta che il ricevitore conosc quale sequenza è assegnata ad ogni satellite esso capisce da quale satellite vengono trasmessi i dati. Il ricevitore crea una copia della sequenza e la collega o la integra il segnale ricevuto con questa copia per un periodo di tempo (nel nostro caso 1ms). La particolare sequenza trasmessa da ogni satellite viene scelta per ridurre le possibilità che un ricevitore possa tracciare un satellite che trasmette una sequenza PRN diversa. Per ulteriori dettagli sui correlatori cercate la documentazione sui chipset Zarlink o qualche altra referenza.

La figura allegata è una tipica architettura di un ricevitore GPS (della Zarlink).

GPS functional block

È costituito da un’antenna, una sezione RF/IF e un’unità di elaborazione a banda base, che generalmente ha dei correlatori ed un processore embedded. Il processore host comunica al processore embedded in un protocollo standard industriale chiamato NMEA (National Marine Electronics Association – Associazione Elettronica Marina Nazionale) o protocolli proprietari opzionali. I collegamenti fisici tra i processori possono essere UART, USB o Bluetooth. La comunicazione via USB e Bluetooth deve simulare una porta seriale virtuale per comunicare con le applicazioni software ad alto livello. Il baud rate standard di NMEA è di 4800bps, un valore più alto non ha senso.

Antenna GPS

A causa della miniaturizzazione e requisiti multifunzionali, il progettista incontra sempre più sfide nella progettazione dell’antenna. Questi fattori includono interferenza umana, rumori provenienti da processori embedded ed interferenze esterne. Per un ingegnere inesperto è meglio copiare il progetto di riferimento dalle note dell’applicazione. Tuttavia, progettare un’antenna GPS è più semplice di progettare un’antenna per telefoni cellulari. Come sappiamo, gli ultimi modelli di telefoni cellulari lavorano a frequenze di 800MHz, 900MHz e 1800MHz con PA e tengono testa al grande rumore interno.

Le antenne più comuni usate nei GPS sono le antenne Helix e le antenne patch. Queste ultime hanno una forte selettività direzionale, e sono usate in molti dei GPS esterni. Le antenne Helix sono preferite in dispositivi GPS handheld dato che offrono un più vasto angolo di antenna e lavorano meglio delle antenne patch quando sono vicine agli uomini.

Esistono ancora altri tipi di antenne disponibili sul mercato. Molte di esse sono antenne esterne che offrono prestazioni migliori.
Sarantel offre delle antenne GPS in pieno stile Balun, che godono di un angolo di ricezione di 360 gradi e un’alta selettività di frequenza, in modo da eliminare la maggior parte del rumore. Questa compagnia offre inoltre un’antenna ceramica che è la più piccola antenna del mondo.

Il Sig.Mark Kesauer offre delle antenne GPS molto economiche progettate su Circuit Cellar. Il documento pdf è disponibile qui. Questo design usa comunemente componenti e materiali reperibili.

RFIC
Le componenti RF di un GPS di diversi fornitori sono leggermente differenti ma molti di questi circuiti integrati hanno delle caratteristiche comuni. La sezione RF include LNA, un flitro, PLL e un demodulatore BPSK. Il MAX2769 della Maxim dimostra il generico circuito integrato RF per ricevitori GPS.

Repost: 19 Apr 2009

 

 

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ritratto di slovati

Precisione del sistema GPS

Come ben noto, il sistema GPS presenta un livello di precisione assai elevato, consentendo una precisa individuazione della posizione tramite le coordinate (latitudine, longitudine) con un errore minimo. Inizialmente, tuttavia, il Dipartimento della Difesa statunitense decise di non rendere disponibile questo elevato livello di precisione anche per gli usi civili, riservandolo per impieghi militari (Selective Availability). Cio' fu reso possibile aggiungendo un errore intenzionale nella misura di posizione per usi civili, una sorta di "jitter" della misura. A partire dall'anno 2000, tuttavia, questa limitazione e' stata rimossa, consentendo al GPS utilizzi di precisione per localizzatori da utilizzarsi nei sistemi di navigazione automotive, telefonia mobile, ecc. Resta la possibilita', comunque, di "oscurare" il segnale nelle zone interessate da un eventuale conflitto bellico, al fine di consentire la ricezione e l'utilizzo del segnale solo a quelle unita' dotate di apposite "chiavi" riconosciute dal sistema.

 

 

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