低功耗GNSS设计TIPS：功耗、性能和成本需要如何权衡
作者：Bernd Heidtmann，u-blox AG 标准精度 GNSS 产品战略部产品经理
摘要
卫星定位具有全球可用性和高精度等特点，因而成为越来越多的消费、工业和汽车跟踪应用的关键推动因素。与此同时，在性能、尺寸、功耗和成本方面，用户对于卫星定位技术仍然抱有更高的期望。为了以最佳方式平衡这些特性从而满足特定应用或用例的需求，需要深入了解所使用的技术、硬件、软件和服务。在本白皮书中，我们对各种 GNSS 跟踪设备功耗降低策略提供了我们的见解，其中凝聚了我们在该领域 20 多年的创新经验。
1.最佳性能与最低功耗
GNSS 技术能够在全球范围内提供高度准确的位置、速度和时间数据，因此在不断涌现的智能互联解决方案中占有一席之地。与此同时，用户对 GNSS 技术的期望也越来越高，要在当今竞争激烈的市场中脱颖而出，GNSS 设备需要在精度、响应性和功耗方面优于竞争对手，这通常在降低成本和尺寸方面有着巨大压力。
特别是在消费、工业和汽车跟踪用例中，全球导航卫星系统 (GNSS) 接收机长期以来一直被视为耗电大户。早在2010年，单频段接收机在连续跟踪模式下的功耗稍高于120 mW。到 2015 年，功耗已降至 70 mW 左右。如今，凭借技术改进，跟踪应用的功耗仅为 25 mW。
在过去的五年里，GNSS 技术的功耗已攀升到新的高度。如今的低功耗 GNSS 接收机可以跟踪更多的卫星星座，每个星座都支持多个频段，从而以更快的速度、更低的功耗提供更高定位精度。在某些用例中，GNSS 接收机的功耗可以降低到终端设备电力预算的百分之十以下。
但是，要实现以上这一低功耗目标是充满挑战的。目前，先进的 GNSS 接收机通常提供一系列设置，以便用户自行配置以优化功耗，同时满足特定用例的性能要求。
在本白皮书中，我们概述了一些基本的设计考虑因素，利用这些因素，可以使 GNSS 接收机的功耗仅占到标准GNSS 解决方案耗电预算的一小部分。对于特定用例需要考虑的设计因素，将取决于用户如何在精度、动态性能、尺寸、成本等因素之间进行取舍。
使用云端定位技术的跟踪设备在蜂窝通信和 GNSS 之间的电力分配。
2.用例决定省电选项
产品开发人员可以使用哪些省电选项来平衡 GNSS 接收机的精度、性能、尺寸和成本，在很大程度上取决于他们的应用场景。例如，运动手表的尺寸较小，通常仅配备小型天线和电池，因此需要相对高的 1 Hz 更新速率，并且对 GNSS 性能有着苛刻的要求。大多数运动手表仅提供有限的互联网连接（通过智能手机）。
物流货物跟踪器对于更新速率和GNSS 接收机性能方面的要求较为宽松，但需要使用小型电池运行数月。介于两者之间的是手持设备以及宠物和儿童跟踪器。
汽车跟踪器自成一类，特点包括对尺寸限制要求低、可使用电源供电以及使用蜂窝数据进行持续通信。
下表概述了五类终端设备的常见限制，给定终端设备的具体限制将取决于其用例所规定的特定要求，并且可能与下面提供的示例有所不同。
五类常见终端设备的典型限制。
3.性能与功耗
正如我们所见，GNSS 接收机的功耗由多种因素决定。大部分电力是在启动（卫星信号捕获）期间消耗的，这通常比连续卫星跟踪多消耗 20% 左右，因此，功耗的主要驱动因素与卫星信号捕获和连续卫星跟踪有关。
除了终端设备的尺寸和成本外，应用对 GNSS 的性能要求也会限制可用于降低功耗的选项。正如我们所见，以上每个选项都有自身的一套取舍规则，开发人员需要谨慎考虑以充分满足目标应用的需求。
可用性与精度
虽然一些用例始终需要高度精确的 GNSS 定位，但其他用例的要求并不那么严格。当今最先进的 GNSS 接收机会提供多种方法来平衡定位可用性和精度与功耗之间矛盾的需求。
第一种方法涉及选择所跟踪的 GNSS 星座的数量。同时跟踪多个 GNSS 星座会增加任何给定时间的可见卫星数量，从而提高定位读数的鲁棒性。在信号不佳的环境中，例如在城市峡谷深处或森林树冠下，此方法可以显著提高定位服务的可用性、精度和可靠性。
在功耗方面，跟踪更多 GNSS 星座会迫使接收机花费更多时间获取卫星信号，进而增加功耗。此外，接收机在跟踪不同频段 GNSS 信号时，需要额外的射频路径来捕获信号，这也会增加功耗。
第二种方法侧重于天线选择，即选择满足最终应用性能要求的天线。有源天线使用低噪声放大器 (LNA) 来增加输入射频信号的增益，尤其在天线放置不当或在室内等弱信号场景中，有源天线对于在噪声中捕捉微弱的卫星信号至关重要。然而，有源天线 LNA 会消耗相当多的电力来实现所需的天线增益，此类灵敏度增加通常以增加功耗为代价。因此对于需要出色定位可用性和精度的低功耗用例，可以使用大型无源天线（终端设备的尺寸需有所妥协）。
跟踪模式
虽然一些用例需要连续跟踪，但其他用例每分钟、每小时甚至每天仅需要读取不超过一次定位数据。定位更新速率决定了两次位置计算之间的时间间隔，并且会显著影响GNSS 接收机的功耗。
在此图上，连续跟踪模式的功耗最高。在结合了GNSS 定位和 LTE 云端连接的应用中，连续跟踪模式还会带来以下挑战：传输的 LTE 信号与附近频段接收的 GNSS 信号之间发生射频干扰。
通过有效减轻射频干扰，可防止因信号损失而迫使接收机重新进入大功耗的信号捕获阶段，从而降低 GNSS 接收机的功耗。减轻射频干扰需要对精密电路板设计进行前期投资，并且可能需要额外的滤波器，而这会增加射频路径中的信号衰减。使用无源天线设置时，可能需要添加一个低噪声放大器 (LNA)。
对于不需要持续跟踪的应用，许多 GNSS 接收机提供省电模式 (PSM)，该模式通过限制 GNSS 接收机在位置计算之间的跟踪功能来大幅降低功耗。
PSM 有多种类型，各自具有不同的优点和缺点。要在接收机性能和功耗之间取得最佳平衡，开发人员需要明智地选择最能满足用例需求的 PSM。
4.基于硬件的功耗优化策略
跟踪解决方案的设计人员可以使用一整套设计策略来优化设备的功耗。由于每个决策不仅会影响功耗，而且还会影响跟踪解决方案的性能、尺寸和成本，因此解决方案设计人员必须仔细权衡每种策略的利弊，以找到能够提供所需跟踪性能的最低功耗配置。
最佳元器件选择
选择低功耗的元器件（LNA、晶振、实时时钟）会小幅改善 GNSS 接收机运行期间的总功耗。
电源
虽然 GNSS 设备在较窄的电压范围内运行，但其有一个最佳电压，在该电压下，可最大限度地降低功耗。所选的用于提供正确电压的元器件也会影响 GNSS 接收机的整体功耗：低压降稳压器 (LDO) - 该解决方案的成本较低， 但以热量的形式消耗电力，因此不利于优化功耗。开关模式电源 (SMPS) 的效率更高。不过，这种电源使用线圈， 可能会在天线前端造成不必要的射频干扰。
备用电池
电源中断会导致 GNSS 接收机失去其定位以及所有下载的时间和 GNSS 轨道数据，因此在电源恢复时，GNSS 接收机会被迫进行完整的冷启动。通过将此类数据保存在备用 RAM 中，带有备用电池的 GNSS 接收机可以更快地从电源中断中恢复，从而节省电力。当位置更新周期长于两个小时（大致对应于星历数据的有效时间） 时，备用电池就变得多余了，因此可以去掉备用电池， 从而降低功耗。
实时时钟 (RTC)
如果发生停电，内置实时时钟可让 GNSS 接收机在主电源恢复后更快地启动。因此，使用此装置可降低功耗。不过，RTC 需要电池作为备用电源，所以会增加设备的尺寸和成本。
射频路径
在信号强度足够的情况下，无源天线的功耗小于有源天线。而在需要更高灵敏度的用例中，使用有源天线可能无法增加射频路径的增益。在此类情况下，带有外部 LNA 控制的有源天线可关闭 LNA（不使用GNSS时），而非始终保持开启状态。通过根据环境条件调整射频路径增益，具有内部功耗设置的 LNA 可以降低提供必要 GNSS 灵敏度和精度所需的功耗。
晶振
虽然晶振利用较低的功耗即可输出稳定的频率信号，但温度波动会影响其频率，进而影响 GNSS 接收机的灵敏度和首次定位时间，并因此增加功耗。温控晶振 (TCXO) 可以解决温度灵敏度的问题并降低定位功耗，但在连续运行中会消耗稍多的电力。晶振的选择取决于所需的定位性能和所用的特定元器件组合。依赖小型天线设计或预期在弱信号环境中运行的用例可以通过选择 TCXO 来提高GNSS 接收机的灵敏度。
内存
在一些跟踪器中，GNSS 接收机配有闪存，以便进行固件升级或将数据存储到设备上。不过，通过将数据存储在主机的存储器中，设备可以缩短其物料清单并降低功耗。
选择晶振时的设计考虑因素。
5.基于固件的功耗优化策略
除了上一节中提出的基于硬件的功耗优化策略外，产品开发人员还可以使用一系列基于固件的功耗优化策略。
尽管功耗优化策略因供应商而异，但通常属于下面所示的四种类型。
更新速率
更新速率是在寻求降低 GNSS 接收机功耗时首先考虑的因素。在连续跟踪模式下，大多数 GNSS 接收机都支持10 Hz 或更高的更新速率。一些常用用例仅需要每分钟或每天更新一次位置。因此，通过降低更新位置速率来满足用例的实际要求并允许其在更新间隔期内进入省电模式(PSM)，GNSS 接收机可以显著降低功耗。
多星座多频段 GNSS
同时跟踪多个 GNSS 卫星信号会显著影响功耗，特别当接收不同频段信号时，这也是有回报的：尤其是天空视野受限或使用小天线时，跟踪更多的 GNSS 星座会提高定位可用性。在此类信号不佳的环境中，通过减轻多径效应并从多个频段（L1、L2、L5）接收信号可以提高定位精度。此外，根据星座的地理位置来仔细选择要跟踪的星座，存在地域性限制的设备可以在不影响性能的情况下降低功耗。
当高定位精度和短捕获时间（TTFF）对应用至关重要时， GNSS 接收机需要每 30 分钟下载一次所跟踪卫星的星历数据，接收机跟踪的星座越多，下载操作越频繁。由于GNSS 接收机需要保持开启状态才能下载星历数据，因此该操作仅在连续跟踪模式下才可实现，在此情况下，接收机无法节省电力。
跟踪更多的 GNSS 星座将会提高定位可用性
省电模式
先进的 GNSS 接收机可提供一种或多种省电模式 (PSM)， 以在降低功耗的同时保持高性能（相较于连续跟踪模式）。各 PSM 以不同的方式平衡功耗和 GNSS 接收机性能，因此，关键是要根据应用的限制条件使用正确的模式。
连续跟踪模式
在连续模式下，GNSS 接收机首先获取其位置，然后确定位置修正并下载历书和星历数据。完成此操作后，接收机会切换到跟踪模式以降低功耗，除非失去其位置，否则接收机将保持跟踪模式。对于每秒需要几次更新的应用，连续跟踪模式可在性能和功耗之间实现完美平衡。
循环跟踪模式
某些 GNSS 接收机具有省电模式，可在少于十秒的短间隔内减少计算以节省电力。循环跟踪模式特别适用于信号足够强或天线足够大的用例：如果信号太弱，接收机将恢复到具有更高功耗的正常跟踪模式。
Super-E 模式
Super-E 模式是 u-blox GNSS 接收机上的专有省电模式，其本质上是一种优化的循环跟踪模式。通过将跟踪期间所需的资源降至最低，Super-E 模式可在几乎不影响性能的情况下降低整体功耗。当信号较弱或只有少数卫星可见时，将激活全功率模式以保持定位性能。当有充分且足够强的卫星信号时，将激活省电的 Super-E 模式。测试表明，在开阔环境中，Super-E 模式的省电效果比标准 u-blox 1 Hz 全功率模式提升三倍，同时对定位和速度精度的影响极小。
开/关操作
一些 GNSS 接收机可以在捕获/跟踪阶段和睡眠阶段之间切换，此功能称为开/关操作。在休眠阶段（关），接收机仅消耗极少的备用电池电量。对于休眠时间较长的场合，此模式是明智的选择。与循环跟踪模式的情况一样， 开/关操作需要射频输入端具有较强的卫星信号，以最大程度地减少在每个“关闭”周期后首次定位所需的时间（和电力）。
云端定位
GNSS 接收机采用的另一种倍受欢迎的节省电力方式是将计算位置输出期间涉及的高能耗计算交给云端处理。在云端定位中，GNSS 接收机执行 GNSS 信号的接收和信号处理，同时将定位估算处理交给云服务。虽然此操作需要互联网连接，但可以将 GNSS 接收机上的功耗 降低至十分之一。
对于 GNSS 接收机可以长时间休眠（比如，每天仅需要进行几次位置更新）并且设备本身不需要使用位置信息的用例，云端定位是一种理想的解决方案。在更新周期为一小时或更短的情况下，建立蜂窝通信并将数据传输到云端所需的电力超过了让接收机休眠的好处。
对于使用 LTE-M 连接到互联网的设置，GNSS 接收机会消耗大约 10% 的电力，剩余 90% 电力由蜂窝通信调制解调器耗用。
以下概述提供了根据更新速率确定最适合省电模式的粗略指导。
对于介于每分钟一次和每小时一次之间的更新速率，可能需要计算能耗以确定最合适的省电模式。正如我们将在下面探讨的那样，在冷启动期间使用辅助 GNSS 来节省电力也是一种有效的方法。
根据更新速率确定适当省电模式的粗略指导。
辅助 GNSS
最明显的省电方法是切断设备的电源。但是，完全关闭设备会迫使接收机在下次打开时执行冷启动，这涉及获取第一个位置所需的大约 30 秒的捕获阶段 - 首次定位时间(TTFF)。如果射频信号由于挑战性环境、天线尺寸或天线布置而变弱，则此阶段可能需要数分钟的时间。GNSS 接收机通常会尝试尽快完成首次定位，这会影响初次定位的精度。
显著缩短 TTFF 的一个好方法是使用辅助 GNSS 服务， 该服务可提供卫星系统的星历、历书以及准确的时间和卫星状态校正数据。辅助 GNSS 有多种形式，包括通过互联网实时下载或批量下载以供一次使用几天的辅助数据。u-blox 还提供自主模式，在该模式下，GNSS 轨道预测由 GNSS 接收机本身直接计算，无需外部辅助数据或通信。
辅助 GNSS 的优势
表中的数据是在良好信号条件 (-130 dBm) 下获得的。如果射频信号电平较低，则捕获时间会延长。良好的天线和精心的天线布置对于获得最佳结果非常重要。
捕获阶段越短，GNSS 接收机消耗的电力就越少。要从连续通信中获益，在线辅助是最佳选择，其次是离线和自主辅助，请记住，自主辅助需要偶尔打开 GNSS 接收机几秒钟到一分钟以便下载星历数据。
三种常见辅助 GNSS 的主要特征
数据批处理
GNSS 接收机和主机 MCU 之间的消息传输数量增加了双方的处理器负载，因此仅传输基本消息有助于降低功耗。GNSS 接收机通常提供两种配置选项：用户可以选择应该发送哪些消息和设置连续消息传递的更新时间间隔。
另一种降低主机端功耗的方法是让 GNSS 接收机在开始向主机传输数据之前收集一定数量的数据，这称为数据批处理。由于主机消耗的电力明显高于 GNSS 接收机，因此从 GNSS 接收机到主机 MCU 的批量数据传输可以让主机尽可能地进入休眠状态，从而降低功耗（见下图）。
比较连续消息传递（左）和数据批处理（右）的功耗
6.适合各类应用的最佳策略
下表针对适用于前述每组用例的硬件和固件选项提供了指导。提出的建议适用于每个用例的常规实施情况，并概述了产品开发人员优化其跟踪设备功耗时必须考虑的因素。该指导并非提供明确的建议，而是旨在为与元器件供应商讨论时提供一个出发点。仅在考虑目标用例的精确规格后，才能最终确定最佳设置。
运动手表示例
循环跟踪模式和数据批处理可节省大量电力。建立通信后可以下载离线辅助 GNSS 数据，此方式将缩短启动时间，不过需要备用电池和实时时钟。对于大多数运动手表来说，使用 TCXO 并同时接收 2 个 GNSS 星座的信号可以兼顾功耗和性能，是最佳的取舍方案。
物流货物跟踪器
物流货物跟踪器优先考虑长电池寿命而不是定位精度，并将物料清单减少到最低限度，以实现小尺寸和低成本。
汽车跟踪器
汽车跟踪器通常通过 OBD 接口连接到汽车蓄电池。依赖小型嵌入式天线的跟踪器往往难以获得射频信号。LNA 和多 GNSS 结合辅助 GNSS 有助于应对这种情况。
7.总结
随着越来越多的消费、工业和汽车跟踪应用开始利用卫星定位，客户对其解决方案的性能、尺寸、成本和功耗的期望比以往任何时候都高。由于这四个因素密切相关，任何降低功耗的措施都会影响产品的性能。
当今最先进的 GNSS 接收机通常提供多种方法来优化功耗，同时满足用例特定的性能要求。究竟哪些设计考虑因素和设备配置适用于特定用例，将取决于研发人员如何在这四个相互矛盾的因素之间做出平衡。
在本白皮书中，我们重点介绍了正确的硬件选择、固件设置和服务选项将如何显著降低各种常见用例的功耗。
8.产品介绍：
u-blox 解决方案
u-blox 提供一系列根据跟踪应用的需求而量身定制的定位和服务解决方案。下表针对本白皮书中介绍的用例的常见实施情况提供了具体的 GNSS 硬件和定位服务建议。当然，硬件和服务的最佳选择将取决于预期用例的特定限制和要求。
ZOE-M8B 模块 4.5 x 4.5 x 1.0 mm
具有 Super-E 模式的超小型、超低功耗GNSS SIP
•超小型 SiP（系统级封装）4.5 x 4.5 x 1.0 mm
•全集成的整体解决方案，减少总体设计工作量
•借助 Super-E 模式实现低至 12 mW 的功耗
•由于内置 SAW 和 LNA，非常适合无源天线
•同时接收多达 3 个 GNSS 星座的信号，确保出色的定位精度
•封装与 ZOE-M8G 兼容
MAX-M10S 模块 9.7 × 10.1 × 2.5 mm
适用于高性能资产跟踪应用的超低功耗GNSS 接收机
• 在 GNSS 性能不受影响的情况下将功耗降至 25 mW 以下
• 同时接收 4 个 GNSS 星座的信号，确保高定位可用性
• 即使使用小型天线，性能也极其出色
• 强大的反欺骗和干扰检测功能
• 引脚与前代 MAX 产品兼容
UBX-M10050-KB芯片 4.0 x 4.0 x 0.55 mm
适用于高性能资产跟踪应用的超低功耗GNSS 接收机
•功耗低于 15 mW，丝毫不影响 GNSS 性能
•同时接收 4 个 GNSS 星座的信号，确保高定位可用性
•久经考验的出色性能，适用于小型天线
•强大的反欺骗和干扰检测功能
AssistNow u-blox A-GNSS服务
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•从服务到企业保护数据隐私
CloudLocate 云端定位
延长供电受限型 IoT 应用的寿命
•功耗仅有独立低功耗 GNSS 的十分之一
•通过构建利用 CloudLocate 的企业级解决方案扩大市场覆盖率
•通过保修和支持服务保证全球可用性
•端到端解决方案适用于任何通信技术
•延长设备使用寿命并降低运营成本
9.作者简介
u-blox 标准精度 GNSS 产品战略部产品经理Bernd Heidtmann。Bernd是 u-blox M9 技术平台和模块系列的产品经理，并且还是 u-blox 定位产品中心产品战略团队的成员。
加入u-blox之前，Bernd是Huber + Suhner的射频产品经理。在此之前，他在 Siemens/Nokia 的不同职能部门从事移动无线电基准站业务。
