導(dǎo)航接收機(jī)功率控制參數(shù)優(yōu)化與性能分析

陳道偉,唐小妹,李柏渝,王飛雪

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)工程研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

近年來(lái)隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展和普及,各種類(lèi)型的便攜式導(dǎo)航信號(hào)接收設(shè)備得到了極大的推廣和應(yīng)用。以衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)為代表的導(dǎo)航終端產(chǎn)品,近年來(lái)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用,其功能越來(lái)越強(qiáng)大,定位精度也越來(lái)越高。但是隨著功能的逐漸增多,接收機(jī)算法的日趨復(fù)雜和先進(jìn),能量消耗也越來(lái)越大,而相應(yīng)的電池的電量卻并沒(méi)有得到顯著的提升。這對(duì)于接收機(jī)的可持續(xù)使用和低發(fā)熱量都存在很大的問(wèn)題,功耗問(wèn)題已成為接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

當(dāng)前國(guó)外相關(guān)導(dǎo)航芯片、模塊生產(chǎn)公司和研究機(jī)構(gòu),在低功耗控制技術(shù)方面擁有較為明顯的優(yōu)勢(shì),芯片功耗普遍在十幾毫瓦的級(jí)別,最低可低于10 mW.相比之下,國(guó)內(nèi)導(dǎo)航芯片和模塊的生產(chǎn)機(jī)構(gòu),在低功耗設(shè)計(jì)方面還存在較大的差距,相關(guān)專(zhuān)利和技術(shù)相對(duì)較少,終端產(chǎn)品的功耗普遍在80 mW以上,嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于導(dǎo)航接收機(jī)功耗控制技術(shù)的研究,主要可以劃分為兩類(lèi),一類(lèi)是靜態(tài)功率控制技術(shù)[1],它主要通過(guò)對(duì)接收機(jī)內(nèi)部模塊的合理調(diào)度和安排,達(dá)到降低功率消耗的目的,同時(shí)使接收機(jī)定位性能保持在較高水平。另一類(lèi)則是動(dòng)態(tài)功率控制技術(shù)[2],它的基本原理是在滿(mǎn)足需求的前提下,動(dòng)態(tài)地調(diào)整接收機(jī)的工作頻率和電壓,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)功率控制的目標(biāo)。但是目前動(dòng)態(tài)技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)廣泛深入的應(yīng)用[3]。

對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的靜態(tài)功率控制技術(shù),目前尚未有文獻(xiàn)對(duì)其原理和性能優(yōu)化進(jìn)行研究和分析,本文從該角度入手對(duì)其功率控制原理和參數(shù)進(jìn)行了建模和分析,在功耗最低和不影響性能的優(yōu)化目標(biāo)下,給出了功率控制的最優(yōu)時(shí)間參數(shù)選擇,并且最后利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法，并分析了功率控制對(duì)性能的基本影響情況。

1 接收機(jī)基本功率控制方式和原理

在導(dǎo)航接收終端低功耗研究設(shè)計(jì)方面,目前國(guó)外的CSR,U-blox等公司處于技術(shù)領(lǐng)先水平,不僅可以實(shí)現(xiàn)極低的功耗,而且還能保持較高的靈敏度。

1.1 CSR功率控制技術(shù)

CSR的前身為著名的SIRF公司,其前兩代產(chǎn)品功耗較高,不便于集成在便攜式終端載體上,從第三代導(dǎo)航產(chǎn)品SIRFstarIII芯片開(kāi)始通過(guò)引入先進(jìn)的功率控制模式[4]包括:自適應(yīng)省電模式(ATP)、強(qiáng)制定位模式(PTF)、先進(jìn)功率管理模式(APM),這些模式的應(yīng)用使得定位芯片功耗得到大幅降低,可以直接集成在便攜式終端等載體上例如手機(jī)、pad等。

省電模式,是指接收機(jī)周期性地開(kāi)啟進(jìn)行定位解算,在獲得位置信息后,又關(guān)閉接收機(jī)的大部分模塊使接收機(jī)處于低功耗狀態(tài),即接收機(jī)在不定位的時(shí)候,維持待機(jī)狀態(tài),以此來(lái)節(jié)省功耗,具體過(guò)程如圖1所示。省電模式適用于那些信號(hào)強(qiáng)度較好且需要頻繁(周期1～10 s)更新定位結(jié)果的環(huán)境。而對(duì)于弱信號(hào)場(chǎng)景,在省電模式下接收機(jī)容易失鎖信號(hào),為了保持接收機(jī)的定位的可用性提出了自適應(yīng)省電模式,即接收機(jī)在信號(hào)強(qiáng)度較低時(shí),轉(zhuǎn)入連續(xù)工作狀態(tài),以此來(lái)保證對(duì)信號(hào)的持續(xù)跟蹤和定位解算。相比于接收機(jī)連續(xù)實(shí)時(shí)的跟蹤解算,省電模式節(jié)省了多余的跟蹤過(guò)程中所消耗的功率。

接收機(jī)在省電模式下需要保存前一次的定位結(jié)果,同時(shí)還需要對(duì)內(nèi)部核心寄存器、RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)和RAM(隨機(jī)存儲(chǔ)器)保持1 mA左右的電流供應(yīng)并對(duì)RTC時(shí)間進(jìn)行告警編程,以便下次叫醒接收機(jī)重新工作。

圖1 SIRF III 省電模式

強(qiáng)制定位模式,是指接收機(jī)以較長(zhǎng)的時(shí)間間隔周期性地更新定位結(jié)果,更新周期一般為幾分鐘、幾十分鐘、甚至幾小時(shí),適用于不需要頻繁更新定位結(jié)果的場(chǎng)景。在定位解算過(guò)程中,接收機(jī)更新位置、時(shí)間等信息并收集星歷數(shù)據(jù),在獲得位置信息后則進(jìn)入低功耗的待機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)下,當(dāng)某個(gè)時(shí)刻用戶(hù)需要獲取位置時(shí)可快速恢復(fù)定位,即可強(qiáng)制進(jìn)行定位解算。相比于連續(xù)定位模式和省電模式,強(qiáng)制定位模式下功耗可以得到大幅降低,基本流程如圖2所示。

圖2 SIRFIII 強(qiáng)制定位模式

先進(jìn)功率管理模式,適用于移動(dòng)無(wú)線設(shè)備位置獲取過(guò)程中的功耗控制,它給予了用戶(hù)更多的設(shè)置選項(xiàng),允許用戶(hù)在服務(wù)質(zhì)量(QoS)和定位時(shí)間間隔之間靈活選擇,服務(wù)質(zhì)量主要為定位誤差和功耗節(jié)省比例。

SIRFstarIV芯片在SIRF III功率控制的基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)微功耗控制器[5],集成了各種傳感器包括溫度傳感器、陀螺儀、磁力計(jì)等,可以始終保持熱啟動(dòng)狀態(tài),并能對(duì)溫度變化進(jìn)行監(jiān)視以及對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行探測(cè),可將接收機(jī)功耗維持在一個(gè)極低的水平。最新的SiRFatlasVITM則定義了深睡眠模式、休眠模式、待機(jī)模式、正常模式[6],其中深睡眠模式只對(duì)時(shí)鐘供電,休眠模式則對(duì)I/O(輸入/輸出)內(nèi)存和時(shí)鐘供電,待機(jī)模式則開(kāi)啟CPU和時(shí)鐘及I/O,正常模式則對(duì)所有器件完全供電。

1.2 U-blox功率控制方式

U-blox公司最新的導(dǎo)航芯片U-blox 7芯片定義了兩種功率控制模式:連續(xù)模式(Continuous Mode)和功率節(jié)省(PSM)模式[7]。

連續(xù)模式是連續(xù)的正常供電,當(dāng)位置可以被計(jì)算并且有足夠的衛(wèi)星數(shù)目被跟蹤時(shí),關(guān)閉捕獲模塊以節(jié)省功耗,如果接收機(jī)不能再計(jì)算位置或者跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)小于4顆,則重新開(kāi)啟捕獲模塊進(jìn)行重捕獲。

功率節(jié)省模式通過(guò)選擇性轉(zhuǎn)換接收機(jī)部分模塊的開(kāi)啟和關(guān)閉來(lái)減少系統(tǒng)功耗,分為循環(huán)跟蹤和開(kāi)啟/關(guān)閉兩種操作,前者以較短的周期(1～10 s)更新定位結(jié)果,在兩次定位之間只用極低的功耗保持跟蹤模塊的開(kāi)啟,有較高的跟蹤靈敏度;而后者則簡(jiǎn)單地開(kāi)啟和關(guān)閉大部分器件,使接收機(jī)處于低的或者是幾乎沒(méi)有系統(tǒng)活動(dòng)的水平,功耗節(jié)省比例較高,適用于定位結(jié)果不頻繁更新的場(chǎng)景,周期可以為幾分鐘、幾小時(shí)甚至幾天。對(duì)于開(kāi)啟/關(guān)閉操作,其流程圖如圖3所示。

圖3 開(kāi)啟/關(guān)閉下流程圖

而在循環(huán)跟蹤操作下,其流程圖如圖4所示:

圖4 循環(huán)跟蹤下流程圖

從圖4可以看出,在信號(hào)質(zhì)量好時(shí),跟蹤狀態(tài)后的處理為功率優(yōu)化跟蹤(POT),可以保持較低的跟蹤功耗,同時(shí)又不會(huì)丟失信號(hào),這是循環(huán)跟蹤操作與開(kāi)啟/關(guān)閉操作的主要區(qū)別。

1.3 功率控制性能模型

從上述U-blox和SIRF的功率控制技術(shù)來(lái)看,兩者技術(shù)原理大致相似都是通過(guò)周期性地開(kāi)啟和關(guān)閉器件來(lái)節(jié)省功耗,可分為短周期和長(zhǎng)周期的功率控制。

對(duì)于功率控制性能模型的評(píng)估和建立,可以從每個(gè)循環(huán)周期消耗的平均電流的大小來(lái)衡量,公式為

(1)

式中: 總的循環(huán)時(shí)間為T(mén),對(duì)于省電模式T為1～10 s,強(qiáng)制定位模式為10 s～2 h; 每次定位解算的時(shí)間為t,T-t為待機(jī)時(shí)間;IH為定位解算過(guò)程中消耗的平均電流,包括跟蹤(Itrack)、導(dǎo)航解算(Inav)消耗的兩部分電流；而IL為待機(jī)狀態(tài)下消耗的電流。

(2)

從上式可以看出,功率節(jié)省的大小與時(shí)間參數(shù)的選擇有重要的關(guān)系,特別是在總的循環(huán)時(shí)間T一定的前提下,待機(jī)時(shí)間或者接收機(jī)不活動(dòng)的時(shí)間T-t所占的比重越大,則功耗節(jié)省的比例越高,節(jié)省的能量越多。但是并不能無(wú)限壓縮定位解算時(shí)間t,因?yàn)槠鋾?huì)對(duì)接收機(jī)的正常工作和性能造成影響。

2 功率控制參數(shù)與性能分析優(yōu)化

從以上分析可知,尋找最優(yōu)的時(shí)間參數(shù)是接收機(jī)進(jìn)行功率控制的關(guān)鍵。下面以CSR的功率控制技術(shù)為基礎(chǔ),分析最優(yōu)的時(shí)間參數(shù)的選擇與設(shè)置。

2.1 時(shí)間控制參數(shù)優(yōu)化

對(duì)于SIRF功率控制技術(shù),其主要的時(shí)間參數(shù)包括待機(jī)時(shí)間(Trickle time)、跟蹤時(shí)間(Tracking time)、定位解算時(shí)間(Navigating time),在每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)重復(fù)進(jìn)行上述三個(gè)過(guò)程。在省電模式下其循環(huán)周期為1～10 s之間,為了便于分析以接收機(jī)典型的1 s/次的定位周期為例進(jìn)行分析,具體參考圖1。

時(shí)間參數(shù)優(yōu)化的準(zhǔn)則是在不影響接收機(jī)正常工作和性能的前提下,最大化地降低接收機(jī)的功率消耗,即要使上式(1)的平均電流最小。而對(duì)于待機(jī)時(shí)間、跟蹤時(shí)間和定位解算時(shí)間,在總的循環(huán)時(shí)間固定的前提下,就是要尋找最大的待機(jī)時(shí)間,使其滿(mǎn)足上述優(yōu)化準(zhǔn)則。

對(duì)于定位解算時(shí)間,由于最小二乘算法計(jì)算量固定,在處理器工作頻率一定的情況下,定位解算所花費(fèi)的時(shí)間一般是一個(gè)固定值,如圖1中的160 ms,要想進(jìn)一步壓縮定位解算時(shí)間需要進(jìn)行算法計(jì)算量?jī)?yōu)化或者采用簡(jiǎn)化算法。因此尋找最大的待機(jī)時(shí)間的問(wèn)題,即可以轉(zhuǎn)化為尋找最小的環(huán)路跟蹤時(shí)間。

對(duì)于最優(yōu)環(huán)路跟蹤時(shí)間的約束是,接收機(jī)在重新開(kāi)啟跟蹤后,能夠在該時(shí)間內(nèi)迅速收斂到穩(wěn)定的狀態(tài),此時(shí)輸出的測(cè)量值才是穩(wěn)定可靠的,否則將造成較大的誤差。而接收機(jī)能夠收斂的前提條件是,輸入的載噪比滿(mǎn)足最低的跟蹤靈敏度,并且動(dòng)態(tài)應(yīng)力和測(cè)量誤差不會(huì)使環(huán)路失鎖。

因此根據(jù)優(yōu)化參數(shù)、目標(biāo)公式和約束條件,對(duì)最優(yōu)的跟蹤時(shí)間優(yōu)化問(wèn)題可用下面模型描述

(3)

式中:CNR0為跟蹤靈敏度門(mén)限值,載噪比CNR應(yīng)大于此門(mén)限值;v為接收機(jī)動(dòng)態(tài)應(yīng)力;σPLL為環(huán)路相位測(cè)量誤差均方差,輸入的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和測(cè)量噪聲應(yīng)使其滿(mǎn)足小于150的門(mén)限值;G為目標(biāo)函數(shù);t為需要求解的最優(yōu)時(shí)間參數(shù)。

求解t的目標(biāo)函數(shù)G并沒(méi)有完整的解析公式,其主要由兩部分約束構(gòu)成,一部分是前述的公式(1),另一部分則是環(huán)路要能收斂到穩(wěn)態(tài)。而環(huán)路跟蹤收斂的時(shí)間長(zhǎng)短與環(huán)路的暫態(tài)響應(yīng)有重要關(guān)系,在待機(jī)狀態(tài)后接收機(jī)可能會(huì)經(jīng)歷相位階躍、頻率階躍等動(dòng)態(tài)變化,最優(yōu)跟蹤時(shí)間t應(yīng)滿(mǎn)足在遇到上述動(dòng)態(tài)變化仍能重新跟蹤收斂。下面從鎖相環(huán)暫態(tài)響應(yīng)的角度分析環(huán)路在外界激勵(lì)下趨于穩(wěn)態(tài)所需花費(fèi)的時(shí)間,設(shè)定條件為輸入載噪比為50 dB-Hz, 動(dòng)態(tài)性為低速靜止,環(huán)路能夠?qū)崿F(xiàn)正常的穩(wěn)定跟蹤。

對(duì)于接收機(jī)典型常用二階鎖相環(huán)路,其系統(tǒng)函數(shù)H(s)為[8]

(4)

式中,ξ和wn分別為阻尼系數(shù)與特征頻率,考慮到接收機(jī)的待機(jī)時(shí)間較短,主要經(jīng)歷的動(dòng)態(tài)應(yīng)力為相位階躍和頻率階躍激勵(lì)。對(duì)二階鎖相環(huán)進(jìn)行相位階躍激勵(lì)下的暫態(tài)響應(yīng)分析,可得如圖5所示結(jié)果。

圖5 二階鎖相環(huán)在相位階躍激勵(lì)下的暫態(tài)響應(yīng)

從圖5中可知,當(dāng)wnt大于6時(shí)相位跟蹤誤差開(kāi)始收斂進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),由二階鎖相環(huán)最優(yōu)參數(shù)設(shè)置BL=0.53wn可知,當(dāng)噪聲帶寬BL為典型的15 Hz時(shí),那么相應(yīng)的特征頻率wn=28.301 9,此時(shí)至少需要時(shí)間t=(6×0.55)/BL=212 ms才能進(jìn)入穩(wěn)定的收斂狀態(tài)。同理當(dāng)噪聲帶寬BL為10 Hz時(shí),則至少需要時(shí)間t=318 ms才能進(jìn)入收斂狀態(tài)。接收機(jī)噪聲帶寬BL的選擇需要兼顧動(dòng)態(tài)性和噪聲濾除一般在10 Hz以上,因此對(duì)于相位階躍激勵(lì)下二階鎖相環(huán)的收斂時(shí)間至少需要300 ms以上。

對(duì)于頻率階躍激勵(lì)下的二階鎖相環(huán)暫態(tài)響應(yīng),如圖6所示。從圖中可以看出當(dāng)wn=5時(shí)幅度最大,此時(shí)在時(shí)間t=250 ms后頻率跟蹤誤差開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定收斂狀態(tài),當(dāng)wn=10時(shí)大約從跟蹤時(shí)間t=120 ms后開(kāi)始進(jìn)入收斂狀態(tài)。由于BL不會(huì)小于5 Hz,因此其wn至少大于9.434 0(5/0.53=9.434 0),對(duì)于頻率階躍激勵(lì)的收斂時(shí)間要求至少需要120 ms以上。

綜上所述,對(duì)于省電模式下的接收機(jī),其從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入定位解算過(guò)程中,載波環(huán)跟蹤的時(shí)間至少需要下式所求得的時(shí)間長(zhǎng)度才能收斂。

t=(6×0.53)/BL.

(5)

考慮到動(dòng)態(tài)性BL一般在10 Hz以上,因此，至少需要300 ms以上的時(shí)間才能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)于省電模式下循環(huán)更新周期,其功率控制最優(yōu)的時(shí)間參數(shù)選擇如表1所示,對(duì)于2 s或者2 s以上的循環(huán)周期,可適當(dāng)延長(zhǎng)跟蹤時(shí)間以適應(yīng)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的變化,以此可達(dá)到最優(yōu)的功耗節(jié)省。

圖6 二階鎖相環(huán)對(duì)頻率階躍的響應(yīng)

表1最優(yōu)時(shí)間參數(shù)選取

循環(huán)周期跟蹤時(shí)間解算時(shí)間待機(jī)時(shí)間 1 s300 ms160 ms540 ms 2 s400 ms160 ms1 440 ms 30 min8 s160 ms29 min 51 s 840 ms

對(duì)于長(zhǎng)周期下的強(qiáng)制定位模式,由于定位結(jié)果更新的時(shí)間間隔較長(zhǎng)(10 s～2 h),此時(shí)接收機(jī)經(jīng)歷的動(dòng)態(tài)性、衛(wèi)星的星座變化及不可以預(yù)知的因素較多,因此接收機(jī)從待機(jī)狀態(tài)重新進(jìn)入跟蹤和解算階段時(shí),接收機(jī)需要重新進(jìn)行捕獲跟蹤信號(hào)即需要進(jìn)行熱啟動(dòng),例如圖2中其更新周期為30 min而從待機(jī)狀態(tài)重新進(jìn)行跟蹤的時(shí)間為8 s.因此其跟蹤的最短時(shí)間即為熱啟動(dòng)的時(shí)間。

根據(jù)以上分析結(jié)果,可對(duì)不同的種類(lèi)和參數(shù)的接收機(jī)選擇設(shè)計(jì)適合自身的合理的功率控制時(shí)間參數(shù)。

2.2 功率控制對(duì)性能的影響分析

功率控制雖然降低了功耗,但顯然會(huì)對(duì)接收機(jī)性能產(chǎn)生影響,主要影響的性能包括:定位時(shí)間和定位精度。

2.2.1 對(duì)定位時(shí)間的影響

對(duì)于省電模式下的功率控制,由于其在待機(jī)的這段時(shí)間內(nèi)因接收機(jī)沒(méi)有連續(xù)跟蹤信號(hào),載波和偽碼的頻率、相位狀態(tài)可能會(huì)由于動(dòng)態(tài)應(yīng)力的影響而產(chǎn)生變化,在下一次重新開(kāi)啟環(huán)路后,接收機(jī)需要花費(fèi)額外的時(shí)間進(jìn)行重新跟蹤。相比于連續(xù)實(shí)時(shí)跟蹤的情況,延長(zhǎng)了極小量的定位時(shí)間。但如果經(jīng)歷較大的動(dòng)態(tài)應(yīng)力或者信號(hào)在極短的時(shí)間內(nèi)衰落,則會(huì)對(duì)重新定位時(shí)間有較大的影響,甚至丟失信號(hào)不能進(jìn)行定位。

對(duì)于強(qiáng)制定位模式下的功率控制,其定位結(jié)果更新周期為10 s～2 h,待機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)。在環(huán)路關(guān)閉的這段時(shí)間內(nèi),接收機(jī)和衛(wèi)星的相對(duì)位置可能會(huì)發(fā)生較大的變化,衛(wèi)星的可見(jiàn)性和信號(hào)的質(zhì)量也有可能發(fā)生改變,甚至衛(wèi)星的星歷參數(shù)都可能進(jìn)行了更新,因此當(dāng)接收機(jī)重新開(kāi)啟進(jìn)行位置更新時(shí),定位時(shí)間相比實(shí)時(shí)跟蹤將會(huì)大大延長(zhǎng),由于未知因素較多,接收機(jī)相當(dāng)于進(jìn)行熱啟動(dòng)。但相對(duì)應(yīng)的是,由于接收機(jī)待機(jī)的時(shí)間較長(zhǎng),節(jié)省的功耗比例也相應(yīng)的越大。綜上所述,功率控制降低了接收機(jī)的功率消耗,但同時(shí)也會(huì)對(duì)定位時(shí)間產(chǎn)生一定程度的影響。

2.2.2 對(duì)定位精度的影響

接收機(jī)定位精度主要與測(cè)量誤差和衛(wèi)星的幾何分布有關(guān),對(duì)于功率控制而言,其對(duì)衛(wèi)星的幾何分布影響較小,因此功率控制主要影響的是接收機(jī)的測(cè)量誤差。而測(cè)量誤差的大小與信號(hào)的強(qiáng)度有緊密的關(guān)系,當(dāng)信號(hào)載噪比降低時(shí),測(cè)量誤差增大,此時(shí)接收機(jī)的定位精度將下降。

對(duì)于省電模式,其環(huán)路關(guān)閉的時(shí)間較短,在短時(shí)間內(nèi),信號(hào)強(qiáng)度的變化將不會(huì)是很劇烈的,因此當(dāng)下次接收機(jī)重新開(kāi)啟進(jìn)行跟蹤定位時(shí),由于沒(méi)有連續(xù)跟蹤,其靈敏度將下降,而定位精度也將會(huì)有輕微的損失。而對(duì)于強(qiáng)制定位模式,由于環(huán)路關(guān)閉的時(shí)間較長(zhǎng),環(huán)境因素變化較大,信號(hào)質(zhì)量有可能遇到較大的變化,特別是當(dāng)從室外進(jìn)入室內(nèi)等惡劣環(huán)境時(shí),不僅定位精度也會(huì)下降,而且還可能出現(xiàn)無(wú)法定位的情況。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了更加清晰直觀地顯示功率控制對(duì)定位性能的影響情況,利用基于泰斗TD3020C的導(dǎo)航接收機(jī)和模擬信號(hào)源,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬生成導(dǎo)航信號(hào)并利用接收機(jī)進(jìn)行接收,測(cè)試功率控制對(duì)接收機(jī)定位性能的基本影響情況。

3.1 測(cè)試定位時(shí)間與功率控制的關(guān)系

針對(duì)省電模式下的功率控制,調(diào)整Trickle 的時(shí)間范圍,針對(duì)GPS的L1信號(hào)重復(fù)測(cè)試多組數(shù)據(jù),得出定位時(shí)間與待機(jī)時(shí)間的關(guān)系,結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 短周期待機(jī)時(shí)間與定位時(shí)間的關(guān)系

圖8 長(zhǎng)周期待機(jī)時(shí)間與定位時(shí)間的關(guān)系

從圖中可以看出,對(duì)于短周期和長(zhǎng)周期下的待機(jī)時(shí)間越長(zhǎng),則重新定位所花費(fèi)的時(shí)間也越長(zhǎng),而待機(jī)的時(shí)間越長(zhǎng)節(jié)省的功耗也就越多,因此節(jié)省的功耗越多,相應(yīng)地要犧牲重新定位時(shí)間。

3.2 測(cè)試定位精度與功率控制的關(guān)系

同理,調(diào)整Trickle 的時(shí)間范圍,得出定位精度與功耗控制的關(guān)系,結(jié)果如圖9、10所示。

從圖9、10中可以看出,待機(jī)的時(shí)間越長(zhǎng),定位精度將會(huì)有所下降。這說(shuō)明功率控制雖然節(jié)省了功耗,但是相應(yīng)地降低了接收機(jī)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤處理能力,導(dǎo)致定位精度下降。

圖9 短周期下功率控制與定位精度的關(guān)系

圖10 長(zhǎng)周期下功率控制與定位精度的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了導(dǎo)航接收機(jī)功率控制的時(shí)間參數(shù)的最優(yōu)選取,得出了基本的結(jié)論是跟蹤時(shí)間的最小長(zhǎng)度為300 ms,同時(shí)從定位時(shí)間和定位精度兩個(gè)方面分析了功率控制對(duì)接收機(jī)性能的影響。得出的基本結(jié)論是,功率節(jié)省的比例和性能之間是矛盾的,必須要折中最優(yōu)選取。

[1]盧春鵬.動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)在降低功耗中的作用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007(5):12-17.

[2]王 彪,王小鴿.動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)整綜述 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2009,35(13):160-162.

[3]CASTAGNETTI A, BELLEUDY C, BILAVARN S,etal. Power consumption modeling for DVFS exploitation. [C]//13th Euromicro Conference on Digital System Design: Architectures, Methods and Tools, 2010:579-586.

[4]LEE Y, ABTAHI R. SiRF application note power management considerations of SiRFstarIIIs [EB/OL].http://www.csr.com/products/26/sirfstariii-gsd3tw.

[5]GOPINATH S, HUNTINGFORD D, MCCARTHY T,etal.The SiRFstarIV advantage[M].Sirf,2009:9-11.

[6]CSR.SiRFatlasVI application processor advance information CSRS366-IBBO-R issue 1[EB/OL]. http://www.csr.com.

[7]U-BLOX. U-blox-7 receiver description including protocol specification V14[EB/OL]http://www.u-blox.com/zh/u-blox-7-technology.html.

[8]謝 鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2009:2-6.