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GNSS相关

1、本章节的讨论，仅围绕Air8000A/AB/U/N/D/DB六款支持LuatOS二次开发且带有GNSS定位功能的Air8000系列模组进行讨论；

其中，Air8000D/DB与Air8000A/AB/U/N相比没有WiFi/BLE功能，其管脚图如下；

2、硬件管脚；

  • PIN62，GNSS_ANT，GNSS天线输入管脚；
  • PIN64，GNSS_VDD，3.3V电源，当外接有源GNSS天线时，可以使用该电源为有源GNSS天线供电；
  • PIN95，模组主控的UART2_RXD，连接内置GNSS芯片的GNSS_TXD，GNSS发，主控收；
  • PIN94，模组主控的UART2_TXD，连接内置GNSS芯片的GNSS_RXD，主控发，GNSS收；

一般来说，PIN94/95大家可以看作是NC管脚，用户既不可以拿来做通用UART使用，也不可以复用为其它功能；

但是，这两个管脚在实际的应用中，如果也需要用到Camera功能，那么这两个管脚就要灵活分时用作Camera信号：Camera_RX0/Camera_RX1；

基本的流程是：

之所以将这两个管脚标注出来，一是为了借此告诉大家内部主控芯片和GNSS芯片之间的关系，二是为了让大家留出测试点，以便在特殊情况下对GNSS芯片进行监测定位数据的输出(PIN28:GNSS_TXD)；

3、Air8000A/U/N/AB/D/DB六款型号都有内置GNSS和G-Sensor，相应的必然会暂用系统的部分管脚资源，比如GNSS的供电控制、4G主控与GNSS的UART通信、4G主控与G-Sensor的I2C通信、G-Sensor的供电控制，比如G-Sensor判断振动后的中断输入等，这些被占用的管脚，或者外部只能用作固定用途，比如I2C，或者外部无法再使用，比如UART和某些GPIO，以下是这些管脚的详细说明；

Air8000A Air8000U Air8000N Air8000D Air8000DB Air8000AB
GPIO25 内部用于主控芯片打开和关闭GNSS芯片
UART2 内部用于主控芯片与GNSS芯片通信用
GPIO24 内部用于G-Sensor和GNSS后备电池的供电控制，绝大多数场景下都需要默认常开
I2C0 内部用作I2C0，挂载了G-Sensor，因此外部只可作为I2C0使用，且不能与内部G-Sensor的I2C地址0x27冲突
WAKEUP2 内部用作G-Sensor振动时的中断输入，外部不可再用

4、对用户来说，GNSS功能在硬件上需要处理的就只有一个：天线；

  • GNSS天线有很多种分类方法，比如从材质上区分，可以分为陶瓷、PCB、FPC等；从信号有无增益放大上区分，可以分为无源天线和有源天线；

  • 无论有源GNSS天线还是无源GNSS天线，我们统一以陶瓷天线为例进行说明；

  • 无源GNSS陶瓷天线，也就是天线自身不带LNA信号放大电路的天线；

  • 有源GNSS陶瓷天线，也就是天线自身带LNA信号放大电路，需要外部供电才能工作的天线； LNA，Low Noise Amplifier, 低噪声功率放大器；

这种天线非常好区分，一般具有三个显著特点：

> a. 陶瓷天线底部包括一层PCB；

> b. PCB背部有屏蔽盖，屏蔽盖内部即为GNSS信号LNA放到电路；

> c. 带有小尾巴同轴连接线；

  • 无论有源天线还是无源天线，PCB走线都要做50Ω阻抗匹配； 如何做阻抗匹配，可以参考嘉立创提供的工具；

https://tools.jlc.com/jlcTools/index.html#/impedanceCalculatenew?spm=PCB.Homepage.functionbar.1003

  • 无源GNSS陶瓷天线参考设计； 无源GNSS陶瓷天线虽然预留了π型匹配电路供调试使用，但是无源GNSS陶瓷天线的匹配一般都是根据结构外壳以及天线所处的环境的影响，通过调整陶瓷天线顶部的银粉来实现的；

大家在taobao上随便购买的标准GNSS陶瓷天线实际是大概率不能工作在最佳信号接收状态的，只是凑巧用起来没问题；

建议大家务必找专业的天线供应商针对各自的主板和外壳进行专门的调试，以使天线达到可能的最佳效果；

一般来说，无源GNSS陶瓷天线比较适用于天线馈点与模组的天线管脚距离非常近、并且可以直接焊接在PCB上的场景下，这种场景下一般不需要天线信号放大，所以可以使用无源；

  • 有源GNSS陶瓷天线参考设计；

毫无疑问，有源GNSS陶瓷天线的效果肯定要比无源GNSS陶瓷天线的效果更好，非常简单的道理，有源GNSS陶瓷天线自带了一级LNA信号放大；

但有源天线也不是没有缺点，比如体积更大、带有同轴馈线等，更适合用于需要将GNSS天线引到外壳外面的场景之下，尤其是馈线"非常长"的有源GNSS天线；

有源GNSS天线的硬件参考设计如下；

说明！如果你采用的是需要5V供电的有源GNSS天线，这个时候PIN64:GNSS_VDD(3.3V)就不能使用了，需要自己外置5V电源实现；

5、与GNSS相关的LuatOS核心库、扩展库或者demo，下面文章描述的非常清楚，请务必查阅；

https://docs.openluat.com/air780egh/luatos/app/gnss/

6、最后，非常重要的一点，如果您现在正在使用Air780EG设计项目，请务必及时更换为Air780EGP、Air780EGG、Air780EGH、Air8000D、Air8000DB五款中的一款，Air780EG已经不适合再开发新项目，无论Flash和RAM的资源，还是GNSS的定位速度、精度和功耗，都远不如Air780EGP/Air780EGG/Air780EGH/Air8000D和Air8000DB这五款；

https://docs.openluat.com/air780egh/product/air780eghvsair780eg/

7、天线处的TVS对结电容要求较高，我们推荐的型号如下；

样品购买链接：

样品购买链接：天线管脚用,DFN1006-2封装,AR0511P1LV,应能微-淘宝网

XESD128N-5V0 Rev 0.1.pdf

PESDR05101P1A.pdf

8、关于GNSS的基础知识，随手搜了两篇感觉写得比较好的文章分享给大家；

  • GNSS定位基础知识

https://mp.weixin.qq.com/s/XMzUB7Kak1JtXm3kKy1YnA

一、GNSS全球定位系统介绍

全球卫星导航系统 (Global Navigation Satellite System - GNSS) 是手机射频无线通信系统之一，使用卫星信号来确定用户接收机位在地球上坐标。全球卫星导航系统主要有四个，分别是美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统和欧盟的Galileo系统，这四个全球定位系统都在运行。

除了上述四种卫全球卫星导航系统之外，还有区域卫星导航系统 ，通过发射只在特定区域上空运行的卫星，提高特定区域的卫星覆盖率，从而增加可见星的数目。区域卫星导航系统包括日本的准天顶卫星系统 (QZSS) 和印度的区域导航卫星系统 (Navic)。

二、卫星定位原理和信号格式

定位的原理其实很简单，空间中知道3颗卫星坐标就就可以确定地球上的位置，再加上一颗卫星用来校正传输时间误差，所以至少需要四颗卫星才能完成定位。

全球卫星星导航系统 GNSS 系统主要由以下三部分组成：空间段由卫星或航天器 (SV) 组成，用于传输包含卫星轨道、位置、传输时间的导航电文。

控制段指地面监测站和主控中心，用于跟踪卫星信号、收集伪距测量数据和大气层模型数据、提供导航信息更新、大气信息和校正信息以及进行卫星控制。用户段是指 GNSS 接收机。

以GPS系统为例学习其信号格式，其他导航定位系统也可以参考；

GPS信号：所有GPS信号都由一个基本频率 f0=10.23Mhz组成,发射功率为27W（44dBm）到达地球的功率约为-130dBm。GPS卫星发射的信号主要分为：载波、测距码和导航电文；

导航电文由一个含有 37500 比特的主帧组成，传输速率为 50 bps，电文的传送时间为 12.5 min。主帧分成 25 个页面或帧，每帧由 5 个子帧构成，包括时间和钟差改正数、卫星健康状况、当前卫星的星历或精密的轨道信息、以及一部分历书 (包含所有卫星粗略轨道信息)。

接收机接收每颗卫星的星历数据，来确定卫星的位置。它还需要传输时间和钟差改正数来计算伪距，进而确定接收机的位置。这些信息在前三个子帧中传输，接收机至少需要 18秒 (在最坏情况下是 30 秒) 来获取这些必要信息。

三、GNSS射频硬件设计

GNSS系统由天线、射频前端器件、Clock和基带信号处理部分；其中，CLK issue和RX desense是GNSS模块最容易出现的问题；

其中，CLK issue会涉及晶振物料、起振电路和产线校准等；RX desense问题需要在前期设计做好与各RF band的链路预算并选择合适SAW和eLNA物料，当然在堆叠和layout设计还要避开各种电源、数字走线和射频走线的干扰等。

就合宙的GNSS模组或通信定位二合一模组来说，大家只需要注意外围天线的设计即可，时钟CLK和RX desense问题模组自身已充分考虑并已处理好；

  • 终端GNSS性能测试

https://mp.weixin.qq.com/s/k_wP_ooxxCu-T0yMaFQnog

GNSS如何判断性能好坏，我们需要进行针对性的测试，一般来说，主要分为射频传导测试、天线OTA测试和外场(Field)测试三大类。

一、射频传导测试

传导射频测试主要是检验板端硬件设计性能是否正常；

测试手法：通过模拟卫星信号源播发GNSS调制信号（功率大小一般GPS L1：-130dBm）扣在终端射频测试座看终端的接收性能。测试连接图如下：

主要测试指标有：

C/N0：载波噪声密度C/N0(Carrier to Noise Density)，单位是dB-Hz，它是可以直观反映射频链路好坏的参数，GPS L1信号强度以-130dBm为参考值，射频座子进来有SAW的插损、走线的loss和LNA的NF,一般可以测到 40左右CN值是正常的。

  • Clock quality：时钟的质量对于GNSS定位性能至关重要，可以通过不同场景工作观测Clock Drift 和Clock Drift Rate判断clock性能好坏，特别是热敏晶体对于热源比较敏感。
  • Jamming Scan：通过做jamming scan生成带内频谱图，观测带内是否有干扰，排查PCB layout走线是否合理，如果有板端干扰需要从干扰源和干扰路径去排查。

Acquisition Sensitivity：捕获灵敏度，指GNSS接收机能定位接收的最小信号功率。

Tracking Sensitivity：追踪灵敏度，指在定位后逐渐降低GNSS信号强度直到无法定位时信号的功率。

我们以某一款GNSS芯片的规格书为例:

二、天线OTA测试

主要测试指标有：

TIS：Total Isotropic Sensitivity，总全向辐射灵敏度，它反映了手机整机的接收灵敏度情况，跟平台GNSS的传导灵敏度和天线的辐射性能有关，各家测试系统可能会有差异，有些是测试冷启动的捕获灵敏度，有些是测试定位后的追踪灵敏度。

De-sense（Decreasing Sensitivity）:即灵敏度恶化，指的是DUT其他工作场景干扰而出现的灵敏度剧烈降低的接收性能恶化问题。用衡量有无干扰前后CN0的下降情况来确定Desense程度，一般是以desense<1dB或者3dB作为标准。主要会有以下测试场景：

  • WiFi/蓝牙发射；
  • 4G大功率发射；

三、外场（Field）测试

外场测试是在真实用户场景下进行相关的测试，主要涉及开阔场地、高楼区、高架桥、隧道区等环境，外场测试一定要带上对比机，因为天空中卫星分布每时每刻都在变化导致信号强度不一，需要有一台对比机去排除环境的因素，同时场测的判断标准是性能不比同平台的对比机要差。

主要的测试指标有：

  • TTFF：Time To First Fix，首次定位时间，主要有两种启动方式，分别为cold start冷启动和hot start热启动。
  • Re-acquisition Time：重捕获时间，是指在GNSS模块短暂时间内完全丢失GNSS信号之后，重新获取GNSS信号的时间。用于模拟导航过程中经过隧道等短暂无GNSS信号情况下的测试。
  • Positioning Accuracy：定位精度也是GNSS测试中的重要指标。通过比对实际打点轨迹和高清地图，可以看出GNSS定位的漂移大小，定位漂移太大会严重影响用户端的体验。