GPS模組

GPS模組是集成了RF射頻晶片、基帶晶片和核心CPU，並加上相關外圍電路而組成的一個積體電路。

目前GPS模組的GPS晶片大部分採用全球市占率第一的SiRFIII系列為主。由於GPS模組採用的晶片組不一樣，性能和價格也有區別，採用SIRF三代晶片組的GPS模組性能最優，價格也要比採用MTK或者MSTAR等GPS晶片組的貴很多。現階段也持續在晶片升級，比方sirf4，然後又是sirf5，總體靈敏度提高了不少，縮短了定位時間，同時也幫助了客戶快速的進入了定位套用狀態。

基本介紹

• 中文名：GPS模組
• 速度精度 ：< 0.01米/秒
• 溫度範圍 ：-45 oC to +100 oC
• 電源輸入：3.3伏

常見問題

1。GPS模組的20通道是什麼含義？

GPS模組有一個通道數量的參數，例如20通道，它表示該模組最大可以同時和20顆衛星建立通訊，3顆衛星是2D定位，數據不穩定，模組只有同時收到3顆以上衛星信號後，經過複雜運算後才能獲得正確的定位數據，如果同時通訊的衛星顆數越多，模組就能越快越準確地獲得定位數據，在地球表面上一般的城市環境下通常可以同時和4～11顆衛星同時通訊。

2。GPS模組為什麼開機後很長時間才能獲得定位數據？

GPS模組有冷啟動，熱啟動和暖啟動（現在的技術基本上已經將該冷啟動和暖啟動兩模式參數做得非常接近，從而就逐步取消了暖啟動）三個參數，如果GPS模組初次通電，或者移動超過500公里後通電時，模組要重新計算一次星曆數據，一般正常情況下的GPS模組只需要30多秒鐘就能正常定位（這就是冷啟動），S-87具有內置紐扣電池，可以將星曆數據存儲在模組內部，當下次模組工作的時候可以很快速的定位，一般像S-87隻需要1~3秒就可以實現新的定位，那這種定位就叫做熱啟動，如果模組斷電時間超過4小時，內部RTC沒有實時供電，那么再一次的開機也相當於冷啟動。

3。如果出現長時間無法冷啟動定位時怎么辦？

那么就需要檢查GPS天線擺放位置是否在一個開闊的環境下，能否讀取到GPS模組輸出的GPS數據？GPS數據中的GSV語句裡面可以觀測到GPS衛星信號狀態？從這些方面就可以判斷具體問題在什麼地方！模組可以每秒輸出一次：$GPGGA $GPGSA $GPGSV $GPRMC的定位數據，我們通常用$GPRMC精簡數據輸出這條信息，這條信息包含了目標的：經度、緯度、速度（海里/小時）、運動方向角、年份、月份、時、分、秒、毫秒、定位數據是有效的還是無效的這些重要信息，　GPS模組的晶片大部分還是採用全球市占率第一的SiRFIII系列為主，SiRFIII晶片是20通道，實時解算能力強。該部分模組市面上很常見：環天，達伽馬，Ublox等等

4.天線狀態監測怎么辦？

當天線開短路的時候，需要怎么處理呢？這個最好的辦法是GPS模組能輸出天線開短路狀態的語句來提示客戶做這方面的查驗，這樣的好處就是可以讓客戶很方便的查看問題點，同時保護模組不受到大電流衝擊，市面上很多這樣的套用，比方S-87、S-90、S-93和UBLOX一些模組也具有這樣的功能，但是區別點就是Ublox的需要搭外圍器件來實現這個功能，達伽馬的是不用任何外圍器件，好像這個功能只能flash版本的才能實現，rom版本的不能配置IO口，這個功能就沒辦法實現。

規格書

系列GPS模組整合靈敏度高，功耗低，GPS晶片組解決方案，在緊湊的設計里。可將同時追蹤多達20顆衛星，並迅速確定，1 Hz導航更新。廣泛套用於如掌上電腦，個人數字助理，導航器，手機，電腦或其它的電池操作的導航系統。

基本參數

接收 全球定位系統接收器類型20個頻道， L1的頻率，1.023兆赫晶片速度， C / A碼1.023兆赫晶片速度

水平定位精度 < 2.5m ，< 2.0m (WAAS)，（ 50 % ， 24小時靜態的， - 130dbm ）

速度精度 < 0.01米/秒（高速）<0.01° (heading)，（ 50 % @ 30米/秒）

時間精度 1微秒同步GPS時間

ttff （時間先定）熱起動 1S的（ 50 % ， - 130dbm ，自動的）的熱啟動，暖啟動35s，冷啟動： 42s

靈敏度跟蹤 - 159dbm

動態條件 海拔高度< 1.8萬米（ 60,000英尺）

速度 < 515米/秒（ 1000海里），加速度< 4g

技術參數

電力 主電源輸入3.3伏直流電,電源電流< 80毫安

支持協定訊息 NMEA - 0183 ，SIRF二進制

默認的NMEA gga ， GSA的， gsv (GLL, VTG, and ZDA optional)

波特率 4800名波特率（其他速率可選）

環境特徵 操作溫度範圍-40 oC to +85 oC，

儲存溫度範圍 -45 oC to +100 oC

外觀參數

尺寸 13 × 15 × 2.4立方毫米

體重 < 4克

性能描述

高靈敏度GPS晶片組

高性能接收機軌多達20顆衛星

TTL輸出用於GPS指揮界面

低功率消耗

平均冷啟動時間在35秒

1 MB 的晶片SRAM存儲器

重新獲得信息時間0.1秒

支持準確1pps輸出信號接軌GPS校準

支持標準的NMEA - 0183和SIRF二進制協定

多路徑減緩硬體

易於集成到手持式設備

GPS模組

GPS模組

一、 NMEA0183標準語句

1、 Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh<CR><LF>

<1> UTC時間，hhmmss（時分秒）格式

<2> 緯度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸）

<3> 緯度半球N（北半球）或S（南半球）

<4> 經度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸）

<5> 經度半球E（東經）或W（西經）

<6> GPS狀態：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算

<7> 正在使用解算位置的衛星數量（00~12）（前面的0也將被傳輸）

<8> HDOP水平精度因子（0.5~99.9）

<9> 海拔高度（-9999.9~99999.9）

<10> 地球橢球面相對大地水準面的高度

<11> 差分時間（從最近一次接收到差分信號開始的秒數，如果不是差分定位將為空）

<12> 差分站ID號0000~1023（前面的0也將被傳輸，如果不是差分定位將為空）

2、 GPS DOP and Active Satellites（GSA）當前衛星信息

$GPGSA,<1>,<2>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh<CR><LF>

<1> 模式，M=手動，A=自動

<2> 定位類型，1=沒有定位，2=2D定位，3=3D定位

<3> PRN碼（偽隨機噪聲碼），正在用於解算位置的衛星號（01~32，前面的0也將被傳輸）。

<4> PDOP位置精度因子（0.5~99.9）

<5> HDOP水平精度因子（0.5~99.9）

<6> VDOP垂直精度因子（0.5~99.9）

3、 GPS Satellites in View（GSV）可見衛星信息

$GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,…<4>,<5>,<6>,<7>*hh<CR><LF>

<1> GSV語句的總數

<2> 本句GSV的編號

<3> 可見衛星的總數（00~12，前面的0也將被傳輸）

<4> PRN碼（偽隨機噪聲碼）（01~32，前面的0也將被傳輸）

<5> 衛星仰角（00~90度，前面的0也將被傳輸）

<6> 衛星方位角（000~359度，前面的0也將被傳輸）

<7> 信噪比（00~99dB，沒有跟蹤到衛星時為空，前面的0也將被傳輸）

註：<4>,<5>,<6>,<7>信息將按照每顆衛星進行循環顯示，每條GSV語句最多可以顯示4顆衛星的信息。其他衛星信息將在下一序列的NMEA0183語句中輸出。

4、 Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推薦定位信息

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<CR><LF>

<1> UTC時間，hhmmss（時分秒）格式

<2> 定位狀態，A=有效定位，V=無效定位

<3> 緯度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸）

<4> 緯度半球N（北半球）或S（南半球）

<5> 經度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸）

<6> 經度半球E（東經）或W（西經）

<7> 地面速率（000.0~999.9節，前面的0也將被傳輸）

<8> 地面航向（000.0~359.9度，以真北為參考基準，前面的0也將被傳輸）

<9> UTC日期，ddmmyy（日月年）格式

<10> 磁偏角（000.0~180.0度，前面的0也將被傳輸）

<11> 磁偏角方向，E（東）或W（西）

<12> 模式指示（僅NMEA0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數據無效）

5、 Track Made Good and Ground Speed（VTG）地面速度信息

$GPVTG,<1>,T,<2>,M,<3>,N,<4>,K,<5>*hh<CR><LF>

<1> 以真北為參考基準的地面航向（000~359度，前面的0也將被傳輸）

<2> 以磁北為參考基準的地面航向（000~359度，前面的0也將被傳輸）

<3> 地面速率（000.0~999.9節，前面的0也將被傳輸）

<4> 地面速率（0000.0~1851.8公里/小時，前面的0也將被傳輸）

<5> 模式指示（僅NMEA0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數據無效）

6、 Geographic Position（GLL）定位地理信息

$GPGLL,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>*hh<CR><LF>

<1> 緯度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸）

<2> 緯度半球N（北半球）或S（南半球）

<3> 經度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸）

<4> 經度半球E（東經）或W（西經）

<5> UTC時間，hhmmss（時分秒）格式

<6> 定位狀態，A=有效定位，V=無效定位

<7> 模式指示（僅NMEA0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數據無效）

二、 GARMIN定義的語句

7、 Estimated Error Information（PGRME）估計誤差信息

$PGRME,<1>,M,<2>,M,<3>,M*hh<CR><LF>

<1> HPE（水平估計誤差），0.0~999.9米

<2> VPE（垂直估計誤差），0.0~999.9米

<3> EPE（位置估計誤差），0.0~999.9米

8、 GPS Fix Data Sentence（PGRMF）GPS定位信息

$PGRMF,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>,<14>,<15>*hh<CR><LF>

<1> GPS周數（0~1023）

<2> GPS秒數（0~604799）

<3> UTC日期，ddmmyy（日月年）格式

<4> UTC時間，hhmmss（時分秒）格式

<5> GPS跳秒數

<6> 緯度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸）

<7> 緯度半球N（北半球）或S（南半球）

<8> 經度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸）

<9> 經度半球E（東經）或W（西經）

<10> 模式，M=手動，A=自動

<11> 定位類型，0=沒有定位，1=2D定位，2=3D定位

<12> 地面速率（0~1851公里/小時）

<13> 地面航向（000~359度，以真北為參考基準）

<14> PDOP位置精度因子（0~9，四捨五入取整）

<15> TDOP時間精度因子（0~9，四捨五入取整）

9、 Map Datum（PGRMM）坐標系統信息

$PGRMM,<1>*hh<CR><LF>

<1> 當前使用的坐標系名稱（數據長度可變，如“WGS 84”）

註：該信息在與MapSource進行實時連線的時候使用。

10、 Sensor Status Information（PGRMT）工作狀態信息

$PGRMT,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>*hh<CR><LF>

<1> 產品型號和軟體版本（數據長度可變，如“GPS 15L/15H VER 2.05”）

<2> ROM校驗測試，P=通過，F=失敗

<3> 接收機不連續故障，P=通過，F=失敗

<4> 存儲的數據，R=保持，L=丟失

<5> 時鐘的信息，R=保持，L=丟失

<6> 振盪器不連續漂移，P=通過，F=檢測到過度漂移

<7> 數據不連續採集，C=正在採集，如果沒有採集則為空

<8> GPS接收機溫度，單位為攝氏度

<9> GPS接收機配置數據，R=保持，L=丟失

註：本語句每分鐘傳送一次，與所選擇的波特率無關。

11、 3D velocity Information（PGRMV）三維速度信息

$PGRMV,<1>,<2>,<3>*hh<CR><LF>

<1> 東向速度，514.4~514.4米/秒

<2> 北向速度，514.4~514.4米/秒

<3> 上向速度，999.9~9999.9米/秒

12、 DGPS Beacon Information（PGRMB）信標差分信息

$PGRMB,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,K,<6>,<7>,<8>*hh<CR><LF>

<1> 信標站頻率（0.0，283.5~325.0kHz，間隔為0.5kHz）

<2> 信標比特率（0，25，50，100或200bps）

<3> SNR信標信號信噪比（0~31）

<4> 信標數據質量（0~100）

<5> 與信標站的距離，單位為公里

<6> 信標接收機的通訊狀態，0=檢查接線，1=無信號，2=正在調諧，3=正在接收，4=正在掃描

<7> 差分源，R=RTCM，W=WAAS，N=非差分定位

<8> 差分狀態，A=自動，W=僅為WAAS，R=僅為RTCM，N=不接收差分信號

介紹

我們常說的GPS定位模組稱為用戶部分，它像“收音機”一樣接收、解調衛星的廣播C/A碼信號，中心頻率為1575.42MHz。GPS模組並不播發信號，屬於被動定位。通過運算與每個衛星的偽距離，採用距離交會法求出接收機的得出經度、緯度、高度和時間修正量這四個參數，特點是點位速度快，但誤差大。初次定位的模組至少需要4顆衛星參與計算，稱為3D定位，3顆衛星即可實現2D定位，但精度不佳。GPS模組通過串列通信口不斷輸出NMEA格式的定位信息及輔助信息，供接收者選擇套用。

GPS模組性能的*價指標主要有接收靈敏度、定位時間、位置精度、功耗、時間精度等。模組開機定位時間在不同的啟動模式下有很大不同。一般來說，冷啟動時間是指模組內部沒有保存任何有助於定位的數據的情況，包括星曆、時間等，一般標稱在1分鐘以內;溫啟動時間是指模組內部有較新的衛星星曆(一般不超過2小時)，但時間偏差很大，一般標稱在45秒以內;熱啟動時間是指關機不超過二十分鐘，並且RTC時間誤差很小時的情況。一般標稱在10秒以內;重新捕捉時間就如同汽車鑽過了一個隧道，出隧道時重新捕捉衛星。一般標稱在4秒以內。

如果模組在定位後放的時間很久，或模組在定位後運輸到幾百公里以外的地方，這樣模組內部有星曆，但是這個星曆是錯誤的或不具有參考意義的。在這些情況下，定位時間可能要幾分鐘甚至更久的時間。所以一般GPS模組出廠時要將模組內部的星曆等數據清掉，這樣客戶拿到模組後可以冷啟動方式快速定位。

定位精度可在靜態與動態情況下進行考察，且動態定位效果優於靜態定位。GPS模組所標稱的定位參數是指在完全開放的天空下，衛星信號優良的情況下測得。所以在常規的測試中很難達到標稱的定位時間與定位精度。常見的水平定位精度描述方式有兩種：一是?mCEP，即圓機率誤差，意指測出的點有50%的機率位於一個以真實坐標為圓心，以?m為半徑的圓內;二是?m2DRMS，即2倍水平均方根誤差，意指測出的點有約95.5%的機率位於一個以真實坐標為圓心，以?m為半徑的圓內。

精確度

GPS模組的定位精度取決於很多方面，比如來自於GPS系統的衛星鐘差及軌道差、可見GPS衛星數量及幾何分布、太陽輻射、大氣層、多徑效應等。另外，同一個GPS模組，還會因為天線及饋線質量、天線位置和方向、測試時間段、開放天空範圍及方向、天氣、PCB設計等原因產生不同的定位誤差。即使是同一個廠家同一個型號的不同GPS模組使用天線分集器同時進行測試時，靜態漂移量也會有差別。

GPS模組在實際套用中經常作為時間基準，輔以模組內部的RTC，可獲得非常高精度的時間參考，為產品的設計提供了很大的方便。至於GPS測速，只是在獲得經緯度的基礎上，進行簡單的計算實現的一種擴展套用。

GPS常見的天線是陶瓷平板天線，這種天線成本低，外部加有源放大電路，接收信號方向單一，增益比較高，所以採用最多。但它的缺點是體積大，易受溫度影響產生頻率飄移。如果把陶瓷面積做小，會影響接收增益;如果做薄，會影響接收天線接收頻寬，還會受有源放大部分影響。目前使用效果很好的尺寸是25×25×4mm3。陶瓷片天線在實際使用時垂直向上放置時的效果最好。

GPS天線的信號傳輸線同樣非常重要，包括外部饋線與PCB走線。只有在阻抗匹配時輸出功率才可能最大。因此整個傳輸線要保證50Ω的高頻阻抗，對於PCB上如何設計RF走線阻抗，有些小軟體可以幫您很方便的計算。

問題分析

1. GPS模組的16通道是什麼含義？
   GPS模組有一個通道數量的參數，例如最新型的為16通道，它表示該模組最大可以同時和16顆衛星建立通訊，模組只有同時收到3顆以上衛星信號後，經過複雜運算後才能獲得正確的定位數據，如果同時通訊的衛星顆數越多，模組就能越快越準確地獲得定位數據，在地球表面只有在地理條件特別理想的條件下才可能同時和16顆衛星通訊，一般的城市環境下通常可以同時和4～8顆衛星同時通訊。
2. GPS模組為什麼開機後很長時間才能獲得定位數據？
   GPS模組有冷開機和熱開機兩個參數，如果GPS模組初次通電，或者移動超過1000公里後通電時，模組要重新計算一次星曆數據，一般需要1～5分鐘，然後將星曆數據存儲在模組內部，靠模組內部的鋰電池保存數據，這叫冷開機，需要較長的時間。如果下次開機，因為鋰電池已經保存了有效的星曆數據，所以能快速定位，一般在30秒以內，所以叫熱開機，如果模組斷電時間超過10小時，鋰電池放電放光，那么再開機也相當於冷開機。
3. 如果出現長時間無法冷開機時怎么辦？
   只有在極少數情況下會出現超過15分鐘無法冷開機，這時一般只要將模組重新斷電開機或者將GPS天線移動一段距離再開機就能解決問題，當然GPS天線必須放到室外較為空曠的地方才能收到衛星！這是GPS模組剛開機沒有獲得有效定位數據時輸出的數據GPS模組每秒輸出一次：$GPGGA $GPGSA $GPGSV $GPRMC的定位數據，我們通常用$GPRMC精簡數據輸出這條信息，這條信息包含了目標的：經度、緯度、速度（海里/小時）、運動方向角、年份、月份、時、分、秒、毫秒、定位數據是有效的還是無效的這些重要信息，上圖顯示的是沒有定位成功，所以數據無效。
4. GPS 和GPRS 有什麼不同：
   GPS是由美國開發的全球衛星定位系統。就像我國的北斗、俄羅斯的格洛納斯、歐洲的伽利略一樣都是定位用的
   GPRS它是GSM行動電話用戶可用的一種移動數據業務，俗稱2.5代通信系統。

主要故障

NO.1 第一種現象故障是模組完全沒有工作
這種情況有很多方面的原因都會出現,首先要測量管腳電壓,這是最容易也是最簡單的判斷方法,如果電壓有異常,則又要分開檢查,是否是供電電路的問題,還是模組焊接的時候有短路,如果是來路不明的模組要考慮是否內部短路損壞,比如如果是從飛揚科技採購的u-blox的樣品,有防靜電的包裝,不用考慮這些影響,而從網上來路不明的渠道採購的模組則要考慮是否是壞品等可能,這也要作為一個考慮的重點.

一般來講,如果懷疑質量問題,名牌元器件的正規代理機構的可能性會比較小,但如果是從電子市場買回來的產品則首先要考慮貨源的情況,這種情況下做實驗無異於雪上加霜.

如果是短路情況,可以採取測電流的方式,如果不方便測試電流,則要摸PCB的底板是否哪個元器件或模組有發熱的跡象,對於發熱的部分,要仔細分析可能性.

u-blox的產品在實驗當中的焊接過程中,可能會出現手工焊接的模組底部短路卻又無法肉眼觀察的現象,這個時候要仔細用萬能表來測試是否兩個鄰近腳之間短路現象,如果有這種情況,則該部分也會發熱,當然也要先排隊外圍沒有短路的情況,這個時候應該用烙鐵再次加溫對該部分重新加助焊劑進行焊接,有的時候短路在底部,焊錫可能太多,這個時候需要用熱風槍從底部拆卸模組並對拆下來的模組進行焊錫整理,再進行重新的再次焊接,在焊接中一定要嚴格注意各種溫度控制,模組的最大溫度不能超過250度10秒,要切記所有的操作流程都要正確,才能讓模組在實驗當中的損壞率儘可能低.

一般來說如果電路本身成熟,則重點要考慮上述提到的底部短路焊接問題,換完之後如果各腳電壓正確,原則上來說通過的可能性就會大.

NO.2 第二種現象故障是模組電壓正常卻沒有NMEA碼輸出
這種情況的原因是可能是TTL電平的VCC供應端沒有加3V的電壓,先測試管腳接線是否正常,一般來講都和TTL電平的電路有關係.

NO.3 第三種現象是模組電壓正常有NMEA輸出卻沒有定位信息
這種情況分很多種情況,但以下的情況是測試時機器置於室外,不考慮信號強度問題.
如果是無源天線,則在室外使用時要注意是否外圍線路正確
如果使用的是外置有源天線,則一定要考慮RF[_]IN腳是否有3V的供電電壓,如果沒有,則是RF部分3V的供電電路沒有提供,重點檢查RF部分的電源供電部分.

NO.4 第三種現象是模組電壓正常有NMEA輸出卻不能使用USB接口來通訊
這種情況主要考慮模組的USB的供電端是否正常,DP+/DP-的數據線是否接反,還有一種情況就是它的保護管子鉗位或是損壞,在緊急情況下可以先拆除保護二極體先進行通訊操作,以後再具體實驗.