Existen diferentes diseños de antenas para el mercado GPS. Las señales GPS son polarizadas circularmente en sentido derecho.

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1 ARTICULO TECNICO. Autor: Jesús Santos Sánchez-Crespo. MATRIX ELECTRONICA, SL Julio 2003 Título: Aspectos de integración de módulos receptores GPS En este artículo se tratan distintos aspectos a la hora de diseñar e integrar un receptor GPS, para obtener unos óptimos resultados de posicionamiento y navegación. Hay que tener en cuenta que estos módulos reciben una señal muy débil de alta frecuencia procedente de los 24 satélites que rotan la tierra y que hay muchos factores a tener en cuenta para su correcta recepción. Aspectos de integración. Las señales GPS son muy débiles, unos 15dB por debajo del ruido termal del suelo. Para diseñar un sistema fiable GPS, se deben tener en cuenta una serie de parámetros en la fase de diseño: Antena Poca ganancia de la antena Mala orientación de la antena hacia el cielo Mala adaptación de impedancias entre antena, cable y módulo Pobre rechazo al ruido en el amplificador de antena o bloque amplificación interno Ambiente eléctrico Interferencias de señales externas Interferencias creadas por el mismo receptor Efectos relacionados con el sistema GPS Obstrucción por edificios, follaje, cubiertas, nieve... Efectos Multi-Path DOP Aspectos de integración. Elección de la antena Existen diferentes diseños de antenas para el mercado GPS. Las señales GPS son polarizadas circularmente en sentido derecho. Existen dos tipos de antenas, dependiendo de si conlleva amplificación interna o no. Las antenas pasivas solo tienen el elemento de radiación, mientras que las activas incorporan un amplificador operacional de bajo ruido (LNA). Antena Pasiva. Cerámica o helicoidal No consume corriente El cable hacia el receptor debe ser menor de 10 cm Antena Activa Conlleva un Amplificador de Bajo Ruido (LNA) Las pérdidas del cable son compensados. Ganancia= Ganancia elemento pasivo (en dbic) + Ganancia LNA (db) Cuidado con no saturar el receptor si éste integra el LNA. <26 db

2 Tipo de elemento de radiación: Existen dos diseños en el elemento de radiación: Tipo Cerámica Patch y Helicoidal. Las tipo Patch Cerámicas son ideales en aplicaciones donde esté situada en superficies planas, como el techo de un vehículo. Dan una alta ganancia cuando están montadas en un gran plano de masa. Las dimensiones rondan de los 25 x 25 mm 2 a 12 x 12 mm 2. La otra estructura de antena son las helicoidales. Estas no necesitan de un plano de masa para funcionar. El tamaño de estas antenas es reducido gracias a la elección del dieléctrico. También ofrecen la caracterísitica de omnidireccionalidad, y que las señales GPS no son atenuadas por el cuerpo humano, siendo utilizadas en terminales portátiles y de mano. Sarantel, Ltd es un fabricante de este tipo de antenas helicoidales PowerHelix, ofreciendo varios tipos de antenas con distinto factor de amplificación, desde antenas pasivas, hasta activas a 24 dbic. Basadas en la tecnología patentada PowerHelix, estas antenas ofrecen las ventajas derivadas de su pequeño tamaño, su excepcional ángulo de radiación de más de 120 grados y baja afección de campos cercanos. Cuando, por ejemplo, son utilizadas en un dispositivo receptor GPS portátil, se capturan mayor número de satélites, no es necesario un plano de masa, y su reacción frente a la proximidad de conductores, otras antenas o el contacto humano, es predecible. El modelo GEOHELIX S es una antena GPS activa a 3.3 V de ganacia típica 24 dbic que resulta ideal para integrar por su pequeño tamaño. Su diseño reduce la afección de campos externos y favorece el filtrado de ruidos. Posee un ancho campo de radiación con un ángulo superior a los 120 grados, puede montarse interna o externamente, en montaje superficial o con un conector RF de distintos tipos, con o sin cable. Aspectos de integración. Posición de la antena Los errores Multi path son el efecto de la señal GPS que llega a la antena por múltiples caminos, debido a la reflexión de la señal por la Tierra u objetos cercanos, como p.ej. edificios. El efecto Multi-path distorsiona los datos modulados en la portadora así como la fase de la señal. Para subsanar el multi-path el lugar de disposición de la antena es crucial. Esta debería estar situada en lo más alto del equipo para evitar reflexiones.

3 Otra manera de atajar esta acción es usa una máscara de elevación razonable que bloquee las señales cercanas al horizonte. Aspectos de integración. Ruidos e interferencias Un receptor GPS tiene un muy bajo rango dinámico. Esto es porque la antena debe sólo ver el ruido térmico en las frecuencia GPS, unos 15dB por encima del ruido térmico del suelo. Dependiendo de los filtros en la antena y en la etapa pre-amplificadora del receptor GPS, podemos tener problemas si la interferencia de la señal supera el ruido témico de suelo y el ancho de banda es sobre 100 MHz. Las fuentes de ruido pueden darse por dos causas: -Otros transmisores cercanos a la frecuencia GPS, p.ej. PCS a 1710 Mhz y radar a 1300 Mhz. -Armónicos de la frecuencia de reloj emitidos por la circuitería digital. Para eliminar fuentes de ruido en general se pueden utilizar las siguientes recomendaciones: -Planos de masa. Utilizar planos sólidos de alimentación y masa, aunque la PCB resulte en 4 capas. Se recomienda que el plano de masa sea algo mayor que los demás planos, o que se añada un pequeño apantallamiento el los bordes del PCB. -Líneas RF lo mas cortas posibles y apantalladas. Además de cuidar la terminación activa o pasiva con resistencias para reducir las radiaciones producidos por los flancos de subida y bajada de la señal. -Uso de capacidades de desacoplo. Siempre es conveniente usar una gran cantidad condensadores de desacoplo de pequeña capacidad en paralelo con los puntos de alimentación y masa.

4 La figura muestra como apantallar el receptor TIM de u-blox, con su plano de masa apantallado y taladrado. Este receptor no lleva conector de antena, evitando el uso de los costosos latiguillos. El conector es colocado en el circuito impreso y se debe unir mediante una linea Micro Strip. El diseñador del circuito impreso debe tener en cuenta los siguientes datos: -La longitud de esta línea debe ser lo más corta posible, menor de 5 cm. -La distancia entre la línea Micro Strip y el área de masa en el Top Layer debe ser al menos el ancho del dieléctrico. -Se debe evitar rutear pistas cerca de esta conexión RF. -Se debe evitar ángulos bruscos en la pista para evitar reflexiones de la señal. -No es recomendable rutear pistas por debajo del esta conexión de antena para evitar desajuste de impedancias en la pista -Por último, es recomendable que también el área debajo del TIM esté cubierto de plano de masa, sin ruteado de pistas. Efectos relacionados con el sistema GPS Existe la posibilidad que en algunos escenarios, las señales GPS puedan ser bloqueadas o muy débiles para ser recogidas con exactitud por un receptor GPS, como son los túneles, las ciudades con altos edificios o alto follaje, parkings.... En este caso, lo mejor es utilizar una mezcla de las señales de satélite y de los sensores externos, como son un giroscopio y un odómetro. UBLOX ha desarrollado el receptor GPS modelo SBR-LS, basado en sensores, que lleva un algoritmo de cálculo de perdidas (dead reckoning), un algoritmo de navegación procedente del sensor de giro (giroscopio) y del cuentakilómetros para que el receptor GPS calcule la posición del vehículo sin señal GPS. Cuando los satélites son visibles de nuevo, el rápido tiempo de adquisición del SBR-LS, en menos de 1 segundo recoge de nuevo las señales GPS.

5 Máscaras de Señal y Elevación La máscaras de Señal y Elevación dan a usuario la posibilidad de filtrar satélites que podrían seguirse pero darían cierta cantidad de error. Los satélites con poca elevación tienen más errores atmosféricos en sus señales, pudiendo dar un error de una posición más lejana a la real. Una máscara de elevación significa que el receptor podría seguir un satélite más cerca del horizonte como sea posible, pero no usar sus datos hasta que la elevación del satélite supere el valor de la máscara. La máscara de señal valida sólo los datos cuando la relación señal/ruido supera un cierto límite. Se deben superar ambas máscaras para una solución válida. TIEMPOS DE ARRANQUE Existen varios grados de información del receptor posee que afecta al tiempo en dar la primera posición fija al encenderlo. Este tiempo se llama Time To First Fix (TTFF). Si un receptor no tiene batería de backup conectada, o si se conecta por primera vez, no tiene ningún dato de referencia y necesita buscar los satélites desde cero. Si una batería de backup está conectada, el receptor puede almacenar y recordar algunos datos desde que se eliminó la alimentación. Cuando la alimentación vuelve, esta información se usará para mejorar los tiempos de arranque. Cold Start. El receptor no tiene información alguna sobre su posición, tiempo, almanac o información de ephemeris. Esta es la peor situación para el receptor, que no tiene ni idea de qué satélites pueden ser visible, y necesita buscar sobre todo el rango de frecuencia por satélites.

6 Para mejorar este tiempo, se dedican TODOS los canales a buscar un satélite, y entonces mover al próximo satélite (que ya tiene en su lista) hasta encontrarlo. Una vez que el receptor tiene un satélite, se calibra el reloj interno y oscilador, y los demás canales se dedican a buscar satélites. Warm Start. El receptor ha sido apagado pero tiene conectado una batería de backup. Entonces los datos anteriormente usados pueden ser útiles para conseguir un completo y válido almanac de los satélites. Si el receptor ha sido apagado por varias horas o días, pero mantiene el tiempo y almanac en memoria, Y, no se ha movido significativamente desde el apagado (>1000km), se puede realizar un arranque WARM. Un warm start necesita un conocimiento del tiempo, dentro de unos minutos, una apreciación de la posición en medio grado y un almanaque válido. -Con esta información, el receptor tiene una indicación de los satélites que podrían estar visibles y hacer su seguimiento rápidamente en señales GPS. -El tiempo de arranque es consiguientemente mejorado. Hot Start. Si el receptor ha sido desconectado por menos de 2 horas, y el receptor tiene conectado la batería de backup los datos de efeméresis previamente son todavía válidos y pueden usarse para calcular la posición inmediatamente. Un Hot Start necesita un conocimiento del tiempo, una aproximación de la posición de menos de 0,5 grados y un válido Almanac y Ephemeris. Con esta información el receptor tiene una indicación de donde están los satélites y cómo hacer su seguimiento, porque no necesita decodificar los datos de ephemeris, usando las señales para dar una posición. Cold Start TTFF < 45 sec Warm Start TTFF < 38 sec Hot Start TTFF < 8 sec Ephemeris < 2hrs No Disponible No Disponible Necesario antigüedad Almanac < 6 mths old. No Disponible Necesario Necesario Variación Posición No Disponible Necesario Necesario menor 0.5 grados. Tiempo no superior a varios segundos UTC No Disponible Necesario Necesario Matrix Electrónica ofrece de ublox una serie de módulos receptores GPS basados en tecnología SIRFII y la innovadora tecnología ANTARIS. Existe una serie de kits de evaluación y desarrollo, que facilitan la programación de estos módulos y su integración con el software de la aplicación final. En Matrix Electrónica le ayudaremos con su elección del receptor y de los accesorios relativos: conectores, antenas... y de sus posibles complementos: módulos GSM-GPRS, microcontroladores y módulos transceptores RF y Bluetooth. Para más información, contacte con nosotros: MATRIX ELECTRONICA Belmonte de Tajo 76, 3ºB Madrid matrix@matrix.es