GPS-Chipsatz SiRFstarIII

Für die Anforderungen der nächsten Generation an GPS-Empfängern bietet SiRF jetzt den Chipsatz SiRFstarIII an und demonstrierte ihn auf der electronica. Seine Architektur eignet sich für empfindliche Indoor-Applikationen, für sehr schnelle Erfassungszeit TTFF bei geringem Eingangssignal, für Echtzeitnavigation in Lokalisierungsdiensten.

Der Chipsatz hat zur einfachen IP-Integration eine Interruptzeit von nur 100ms für Mikroprozessoren. Darüber hinaus demonstrierte die Firma SiRFDRive, eine Technologie für ein eng gekoppeltes GPS-Dead Reckoning (DR).

Die SiRFstarIII-Architektur gibt es nun in der dritten Generation, der 1995 gegründeten Firma. Die von der Firma gebotene Unterstützung führt den Kunden in kürzester Zeit zum fertigen Produkt, egal ob er IP oder den Chipsatz einsetzt. Dabei werden die Anforderungen der FCC E911 bei weitem übertroffen.

Der SiRFstarIII Digital-IC GSP3f, hergestellt in einem 0,13µm CMOS-Prozeß, verfügt nun über 200 000 effektive Korrelatoren für eine schnelle TTFF und die hochempfindliche Erfassung der GPS-Signale (Signalpegel bis –159dBm werden erfaßt). Es ist ein 20-Kanal-Empfänger mit 4Mbit Flash und dem ARM7TDMI CPU-Core (für 6, 12,5, 25 oder 49 MHz) mit 16 bit Datenbus für Anwender spezifische Aufgaben.

Umfangreich ist die GPS-Peripherie mit zwei UARTs, schnellem seriellem Bus, batteriegestütztem 1Mbit SRAM und 14 GPIOs. Der HF-IC GRF3w hat den LNA, eine PLL (Fraktional-N PLL für Eingangs-Frequenzen 13…26 MHz) und ein SPI-Interface auf dem Chip, der mit einer Corespannung von 1,5 V und mit 2,7…3,3V an den I/Os arbeitet. Der Chipsatz unterstützt folgende Standardprotokolle: NMEA, SiRF, Binär und AI3/F.

Der Anforderungen des Wireless-Markt zwingen GPS auf neue Leistungsebenen um diese zu erfüllen. Dabei wird der SiRFstarIII-Chipsatz in Konsumerapplikationen Einzug finden, da er hohe Empfindlichkeit auch im Zusammenspiel mit kleinen Antennen liefert. Applikationen in PDAs können dabei von dem Flashspeicher im GPS profitieren, da der GPS-Chipsatz direkt auf dem Motherboard des PDA untergebracht werden kann.

Durch die Verwendung des Chipsatzes sind auch schnelle Zugriffe innerhalb von Gebäuden möglich, ebenso führt er zu kleineren und leistungsfähigeren GPS-Produkten.

GPS und Dead Reckoning

Die Idee, GPS-Navigation durch die Integration zusätzlicher Bewegungs- und Positionsdaten zu ergänzen ist nicht neu, aber erst mit der Verfügbarkeit leistungsfähiger GPS-Lösungen und dem breiten Einsatz von Beschleunigungssensoren bzw. elektronischen Kreiseln (Gyroskop, Kreiselkompass) in Fahrzeugen lassen sich gekoppelte Navigationssysteme wirtschaftlich aufbauen.

Prinzipiell sind zwei Varianten denkbar. Einerseits ein System, bei dem bei kurzfristigem Ausfall der GPS-Signale, DR die Aufgabe der Positionsbestimmung übernimmt. Eine Erhöhung der Genauigkeit der GPS- oder der DR-Navigation lässt sich allerdings auf diesem Wege nicht erreichen. Erst bei der zweiten Variante, bei der GPS und DR zu einer kombinierten Lösung zusammengeführt werden, kommen die Vorzüge eines integrierten Systems voll zum Tragen.

SiRFDRive von SiRF Technology ist eine Lösung, mit der sich auf modularer Basis ein integriertes, eng gekoppeltes GPS/DR-System einfach entwickeln lässt.

Die enge Kopplung der GPS- und DR-Daten erfolgt dabei bereits im Kalman-Navigations-Filter. Mit Hilfe dieses Filters wird aus der letzten Positionsinformation und aktuellen GPS- und DR-Rohdaten durch Bewertung und Verknüpfung die nächste Position vorhergesagt (interpoliert).

Durch Verknüpfung des letzten Systemzustands mit aktuellen Variablen wird der neue Systemzustand in Echtzeit berechnet. Dieses rekursive Verfahren erfordert wenig Ressourcen, da keine Kenntnis der gesamten zurückgelegten Fahrtstrecke, sondern nur die letzte Position benötigt wird, ist allerdings mit einer Ungenauigkeit behaftet.

Der Kalman-Filter ermöglicht zusätzlich eine unterschiedliche Gewichtung der einfließenden Daten je nach Situation (bei gutem GPS-Empfang werden z.B. die GPS-Daten stärker berücksichtigt, bei langsamer Fahrt oder schlechter Satellitenverbindung beruht die Vorhersage mehr auf den DR-Daten). Dies führt zu einer Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung.

Die Architektur von SiRFDRrive sorgt zudem dafür, dass die GPS-Messungen für die automatische Kalibrierung der DR-Sensoren genutzt werden können. Umgekehrt fließen DR-Daten ein, um die Start-up-Zeit des GPS-Systems auf max. 3 Sekunden zu reduzieren. Auf eine Abgleichung der GPS-Daten mit Kartenmaterial (map-matching) oder die Verwendung teurer Gyroskope kann wegen der bereits gesteigerten Genauigkeit meist verzichtet werden.

Mit SiRFDRive lässt sich die GPS-Basis-Software für die SiRFstarIIt- und SiRFstarIIe/LP-Chipsätze um DR-Funktionen erweitern. Die Option erlaubt den Anschluss von Sensoren zur Anzeige des Vorwärts- bzw. Rückwärtsfahrens (Reverse Indicator), zur Anzeige des zurückgelegten Weges (Wheel Ticks) und eines Richtungsgebers (Heading Rate Sensor) also z.B. eines Drehratensensors, Winkelbeschleunigungssensor oder Gyroskops.

Da die Zahl der Impulse beim Tachometer herstellerabhängig sind und sich Abweichungen bei einem Radwechsel, Änderung des Reifendrucks ergeben können und auch die analogen Ausgabewerte des Drehratensensors durch Alterung und Temperaturdrift mit Fehlern behaftet sind, steigert die automatische Kalibrierung von SiRFDRive die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Navigationssystems nachhaltig.

Anwendungsgebiete

Die mit SiRFDRive erreichbare nahtlose und zuverlässige Positionsbestimmung ist für alle Einsatzgebiete geeignet, bei denen es auf Unterbrechungsfreiheit und Genauigkeit ankommt. Typische Anwendungsgebiet sind daher Navigationssysteme, Mauterhebungssysteme, Telematiklösungen oder Flottenmanagement.

SiRFstarIIt ist dann die bevorzugte Lösung, wenn das Hostsystem bereits über einen Prozessor verfügt, auf dem die Navigationsanwendung ausgeführt werden kann. Der On-Chip-A/D-Wandler zum Anschluss preisgünstiger Drehratensensoren und der integrierte Tick-Zähler tragen zu niedrigen Systemkosten bei.

Steht kein Hostprozessor für die SiRFDRive-Software zur Verfügung, bietet sich eine Lösung auf SiRFStarIIe/LP-Basis an. Dieser Prozessor verfügt über Leistungsreserven, die oft für die Ausführung der Endanwendung ausreichen.

Wesentliche Daten des SiRFstarIII

Erfassung* bei niedrigen Pegeln

Unterstützung Empfindlichkeit TTFF

GSM 15dB-Hz <20s

3G 15dB-Hz <20s

CDMA 15dB-Hz <16s

Hot Start freier Himmel <1s

Hot Start 15dB-Hz <18s

Cold Start 15dB-Hz <42s

Tracking Empfindlichkeit 13dB-Hz

Positionsgenauigkeit

Autonom <10m

SBAS <5m

*Die Empfindlichkeit ist spezifiziert am Korreletor an einem SiRFstarIIIf Eval. Empfänger mit Antenne, 15dB-Hz entspricht –155dBm. Die HF-Einfügungsdämpfung ist -4dB.