u-blox LEA-4R System Integration Manual And Reference Design

Category
GPS receiver modules
Type
System Integration Manual And Reference Design
๎ƒ…๎ƒ…
your position is our focus๎ƒ…
Abstract
๎ƒ…ment๎ƒ…scribes๎ƒ…the๎ƒ…atures d๎ƒ…specifications๎ƒ…of๎ƒ…the
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…low๎ƒ…power๎ƒ…DR๎ƒ…GPS๎ƒ…modules.๎ƒ…It๎ƒ…guides๎ƒ…through๎ƒ…a
design๎ƒ…and๎ƒ…provides๎ƒ…information๎ƒ…to๎ƒ…get๎ƒ…maximum๎ƒ…GPS
performance๎ƒ…at๎ƒ…very๎ƒ…low๎ƒ…power๎ƒ…consumption.๎ƒ…
๎ƒ…
u-blox AG
Zรผrcherstrasse๎ƒ…68๎ƒ…
8800๎ƒ…Thalwil๎ƒ…
Switzerland๎ƒ…
www.u-blox.com๎ƒ…
๎ƒ…
Phone๎ƒ…+41๎ƒ…1722๎ƒ…7444๎ƒ…
Fax๎ƒ…+41๎ƒ…1722๎ƒ…7447๎ƒ…
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LEA-4R / TIM-4R
System Integration Manual / Reference Design
Manual
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This docu de fe ๎ƒ…an
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๎ƒ…
your position is our focus
Title LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…
Subtitle System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…
Doc Type Manual๎ƒ…๎ƒ…
Doc Id GPS.G4-MS4-05043๎ƒ…
Revision
Index Date Name Status / Comments
Initial๎ƒ…Version๎ƒ…๎ƒ… TG๎ƒ…๎ƒ…
We๎ƒ…reserve๎ƒ…all๎ƒ…rights๎ƒ…to๎ƒ…this๎ƒ…document๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…information๎ƒ…contained๎ƒ…therein.๎ƒ…Reproduction,๎ƒ…use๎ƒ…or๎ƒ…disclosure๎ƒ…to๎ƒ…third๎ƒ…parties๎ƒ…without๎ƒ…express๎ƒ…permission๎ƒ…is๎ƒ…strictly๎ƒ…prohibited.๎ƒ…
For๎ƒ…most๎ƒ…recent๎ƒ…documents,๎ƒ…please๎ƒ…visit๎ƒ…www.u-blox.com
๎ƒ…
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Performance๎ƒ…characteristics๎ƒ…shown๎ƒ…in๎ƒ…this๎ƒ…document๎ƒ…are๎ƒ…estimates๎ƒ…only๎ƒ…and๎ƒ…do๎ƒ…not๎ƒ…constitute๎ƒ…a๎ƒ…warranty๎ƒ…or๎ƒ…guarantee๎ƒ…of๎ƒ…product๎ƒ…performance.๎ƒ…u-blox๎ƒ…does๎ƒ…not๎ƒ…
support๎ƒ…any๎ƒ…applications๎ƒ…in๎ƒ…connection๎ƒ…with๎ƒ…weapon๎ƒ…systems.๎ƒ…Since๎ƒ…u-bloxโ€™๎ƒ…products๎ƒ…are๎ƒ…not๎ƒ…designed๎ƒ…for๎ƒ…use๎ƒ…in๎ƒ…life-support๎ƒ…and๎ƒ…commercial๎ƒ…aviation๎ƒ…applications๎ƒ…
they๎ƒ…shall๎ƒ…not๎ƒ…be๎ƒ…used๎ƒ…in๎ƒ…such๎ƒ…products.๎ƒ…In๎ƒ…devices๎ƒ…or๎ƒ…systems๎ƒ…whereby๎ƒ…malfunction๎ƒ…of๎ƒ…these๎ƒ…products๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…expected๎ƒ…to๎ƒ…result๎ƒ…in๎ƒ…personal๎ƒ…injury๎ƒ…and๎ƒ…casualties,๎ƒ…
u-blox๎ƒ…customers๎ƒ…using๎ƒ…or๎ƒ…selling๎ƒ…these๎ƒ…products๎ƒ…do๎ƒ…so๎ƒ…at๎ƒ…their๎ƒ…own๎ƒ…risk๎ƒ…and๎ƒ…agree๎ƒ…to๎ƒ…keep๎ƒ…u-blox๎ƒ…harmless๎ƒ…from๎ƒ…any๎ƒ…consequences.๎ƒ…u-blox๎ƒ…reserves๎ƒ…the๎ƒ…right๎ƒ…to๎ƒ…
make๎ƒ…changes๎ƒ…to๎ƒ…this๎ƒ…product,๎ƒ…including๎ƒ…its๎ƒ…circuits๎ƒ…and๎ƒ…software,๎ƒ…in๎ƒ…order๎ƒ…to๎ƒ…improve๎ƒ…its๎ƒ…design๎ƒ…and/or๎ƒ…performance,๎ƒ…without๎ƒ…prior๎ƒ…notice.๎ƒ…
u-blox๎ƒ…makes๎ƒ…no๎ƒ…warranties,๎ƒ…neither๎ƒ…expressed๎ƒ…nor๎ƒ…implied,๎ƒ…regarding๎ƒ…the๎ƒ…information๎ƒ…and๎ƒ…specifications๎ƒ…contained๎ƒ…in๎ƒ…this๎ƒ…document.๎ƒ…u-blox๎ƒ…assumes๎ƒ…no๎ƒ…
responsibility๎ƒ…for๎ƒ…any๎ƒ…claims๎ƒ…or๎ƒ…damages๎ƒ…arising๎ƒ…from๎ƒ…information๎ƒ…contained๎ƒ…in๎ƒ…this๎ƒ…document,๎ƒ…or๎ƒ…from๎ƒ…the๎ƒ…use๎ƒ…of๎ƒ…products๎ƒ…and๎ƒ…services๎ƒ…detailed๎ƒ…therein.๎ƒ…This๎ƒ…
includes,๎ƒ…but๎ƒ…is๎ƒ…not๎ƒ…limited๎ƒ…to,๎ƒ…claims๎ƒ…or๎ƒ…damages๎ƒ…based๎ƒ…on๎ƒ…the๎ƒ…infringement๎ƒ…of๎ƒ…patents,๎ƒ…copyrights,๎ƒ…mask๎ƒ…work๎ƒ…and/or๎ƒ…other๎ƒ…intellectual๎ƒ…property๎ƒ…rights.๎ƒ…
u-blox๎ƒ…integrated๎ƒ…circuits,๎ƒ…software๎ƒ…and๎ƒ…designs๎ƒ…are๎ƒ…protected๎ƒ…by๎ƒ…intellectual๎ƒ…property๎ƒ…laws๎ƒ…in๎ƒ…Switzerland๎ƒ…and๎ƒ…abroad.๎ƒ…u-blox,๎ƒ…the๎ƒ…u-blox๎ƒ…logo,๎ƒ…the๎ƒ…TIM-type๎ƒ…GPS๎ƒ…
module,๎ƒ…Antaris,๎ƒ…SuperSense,๎ƒ…"your๎ƒ…position๎ƒ…is๎ƒ…our๎ƒ…focus",๎ƒ…NavLox,๎ƒ…u-center,๎ƒ…AssistNow,๎ƒ…AlmanacPlus,๎ƒ…FixNow๎ƒ…and๎ƒ…EKF๎ƒ…are๎ƒ…(registered)๎ƒ…trademarks๎ƒ…of๎ƒ…u-blox๎ƒ…AG.๎ƒ…
This๎ƒ…product๎ƒ…may๎ƒ…in๎ƒ…whole๎ƒ…or๎ƒ…in๎ƒ…part๎ƒ…be๎ƒ…subject๎ƒ…to๎ƒ…intellectual๎ƒ…property๎ƒ…rights๎ƒ…protection.๎ƒ…Please๎ƒ…contact๎ƒ…u-blox๎ƒ…for๎ƒ…any๎ƒ…additional๎ƒ…information.๎ƒ…Copyright๎ƒ…ยฉ๎ƒ…2007,๎ƒ…
u-blox๎ƒ…AG.๎ƒ…
๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… ๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ…๎ƒ… ๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
Preface
The๎ƒ…LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…provides๎ƒ…the๎ƒ…necessary๎ƒ…information๎ƒ…to๎ƒ…successfully๎ƒ…design๎ƒ…in๎ƒ…and๎ƒ…
configure๎ƒ…these๎ƒ…ANTARISยฎ4-based๎ƒ…GPS๎ƒ…receivers.๎ƒ…This๎ƒ…document๎ƒ…specifically๎ƒ…refers๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…
technology๎ƒ…available๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…LEA-4R๎ƒ…and๎ƒ…TIM-4R.๎ƒ…It๎ƒ…does๎ƒ…not๎ƒ…explain๎ƒ…the๎ƒ…ANTARISยฎ4๎ƒ…system.๎ƒ…For๎ƒ…detailed๎ƒ…
information๎ƒ…regarding๎ƒ…ANTARISยฎ4๎ƒ…technology,๎ƒ…see๎ƒ…the๎ƒ…ANTARISยฎ4 System Integration Manual [5].๎ƒ…
๎ƒ…
๎ƒ…
Technical Support
Worldwide Web
Our๎ƒ…website๎ƒ…(www.u-blox.com)๎ƒ…is๎ƒ…a๎ƒ…rich๎ƒ…pool๎ƒ…of๎ƒ…information.๎ƒ…Product๎ƒ…information,๎ƒ…technical๎ƒ…documents๎ƒ…and๎ƒ…
helpful๎ƒ…FAQ๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…accessed๎ƒ…24h๎ƒ…a๎ƒ…day.๎ƒ…
By E-mail
If๎ƒ…you๎ƒ…have๎ƒ…technical๎ƒ…problems๎ƒ…or๎ƒ…cannot๎ƒ…find๎ƒ…the๎ƒ…required๎ƒ…information๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…provided๎ƒ…documents,๎ƒ…contact๎ƒ…the๎ƒ…
nearest๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…Technical๎ƒ…Support๎ƒ…offices๎ƒ…by๎ƒ…email.๎ƒ…Use๎ƒ…our๎ƒ…service๎ƒ…pool๎ƒ…email๎ƒ…addresses๎ƒ…rather๎ƒ…than๎ƒ…any๎ƒ…personal๎ƒ…
email๎ƒ…address๎ƒ…of๎ƒ…our๎ƒ…staff.๎ƒ…This๎ƒ…makes๎ƒ…sure๎ƒ…that๎ƒ…your๎ƒ…request๎ƒ…is๎ƒ…processed๎ƒ…as๎ƒ…soon๎ƒ…as๎ƒ…possible.๎ƒ…You๎ƒ…will๎ƒ…find๎ƒ…the๎ƒ…
contact๎ƒ…details๎ƒ…at๎ƒ…the๎ƒ…end๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…document.๎ƒ…
By Phone
If๎ƒ…an๎ƒ…email๎ƒ…contact๎ƒ…is๎ƒ…not๎ƒ…the๎ƒ…right๎ƒ…choice๎ƒ…to๎ƒ…solve๎ƒ…your๎ƒ…problem๎ƒ…or๎ƒ…does๎ƒ…not๎ƒ…clearly๎ƒ…answer๎ƒ…your๎ƒ…questions,๎ƒ…call๎ƒ…
the๎ƒ…nearest๎ƒ…Technical๎ƒ…Support๎ƒ…office๎ƒ…for๎ƒ…assistance.๎ƒ…You๎ƒ…will๎ƒ…find๎ƒ…the๎ƒ…contact๎ƒ…details๎ƒ…at๎ƒ…the๎ƒ…end๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…document.๎ƒ…
Helpful Information when Contacting Technical Support
If๎ƒ…you๎ƒ…contact๎ƒ…Technical๎ƒ…Support๎ƒ…please๎ƒ…prepare๎ƒ…the๎ƒ…following๎ƒ…information:๎ƒ…
โ€ข Receiver๎ƒ…type๎ƒ…(e.g.๎ƒ…LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R)๎ƒ…and๎ƒ…firmware๎ƒ…version๎ƒ…(e.g.๎ƒ…V4.00)๎ƒ…
โ€ข Receiver๎ƒ…configuration,๎ƒ…e.g.๎ƒ…in๎ƒ…form๎ƒ…of๎ƒ…a๎ƒ…u-center๎ƒ…configuration๎ƒ…file.๎ƒ…
โ€ข Clear๎ƒ…description๎ƒ…of๎ƒ…your๎ƒ…question๎ƒ…or๎ƒ…the๎ƒ…problem๎ƒ…together๎ƒ…with๎ƒ…u-center๎ƒ…logfile.๎ƒ…
โ€ข A๎ƒ…short๎ƒ…description๎ƒ…of๎ƒ…your๎ƒ…application๎ƒ…
โ€ข Your๎ƒ…complete๎ƒ…contact๎ƒ…details๎ƒ…
๎ƒ…
๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ… Content๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 3๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
Contents
1๎ƒ…Dead Reckoning Fundamentals...................................................................................7๎ƒ…
1.1๎ƒ…Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…enabled๎ƒ…GPS๎ƒ…(DR)..............................................................................7๎ƒ…
1.2๎ƒ…Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…Principle............................................................................................7๎ƒ…
1.3๎ƒ…Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…Performance .....................................................................................8๎ƒ…
2๎ƒ…Design-In.....................................................................................................................10๎ƒ…
2.1๎ƒ…Schematic๎ƒ…Design-In๎ƒ…Checklist๎ƒ…for๎ƒ…LEA-4R/TIM-4R .....................................................10๎ƒ…
2.2๎ƒ…TIM-4R/LEA-4R๎ƒ…Design ..............................................................................................11๎ƒ…
2.2.1๎ƒ…Forward๎ƒ…/๎ƒ…Backward๎ƒ…Indication............................................................................11๎ƒ…
2.2.2๎ƒ…Odometer๎ƒ…/๎ƒ…Speedpulses.....................................................................................11๎ƒ…
2.2.3๎ƒ…Power๎ƒ…Supply๎ƒ…for๎ƒ…Gyroscope,๎ƒ…Temperature๎ƒ…Sensor๎ƒ…and๎ƒ…A/D๎ƒ…Converter.................11๎ƒ…
2.2.4๎ƒ…SPI๎ƒ…Interface๎ƒ…for๎ƒ…Gyroscope๎ƒ…and๎ƒ…Temperature๎ƒ…Sensor ..........................................12๎ƒ…
2.3๎ƒ…Pinout๎ƒ…tables ............................................................................................................13๎ƒ…
2.4๎ƒ…Layout๎ƒ…Design-In๎ƒ…Checklist๎ƒ…for๎ƒ…ANTARISยฎ4.................................................................14๎ƒ…
2.5๎ƒ…Layout ......................................................................................................................14๎ƒ…
3๎ƒ…Receiver Description...................................................................................................15๎ƒ…
3.1๎ƒ…Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…enabled๎ƒ…GPS๎ƒ…module๎ƒ…(DR๎ƒ…module)...................................................15๎ƒ…
3.1.1๎ƒ…Architecture .......................................................................................................15๎ƒ…
3.1.2๎ƒ…Input๎ƒ…Signals/๎ƒ…Sensors.........................................................................................17๎ƒ…
3.1.3๎ƒ…DR๎ƒ…specific๎ƒ…Parameters .......................................................................................20๎ƒ…
3.1.4๎ƒ…DR๎ƒ…Calibration....................................................................................................21๎ƒ…
3.1.5๎ƒ…Storage๎ƒ…of๎ƒ…Parameters ........................................................................................23๎ƒ…
3.1.6๎ƒ…Static๎ƒ…Position.....................................................................................................24๎ƒ…
3.2๎ƒ…Power๎ƒ…Saving๎ƒ…Modes ................................................................................................24๎ƒ…
3.3๎ƒ…Antenna๎ƒ…and๎ƒ…Antenna๎ƒ…Supervisor .............................................................................24๎ƒ…
3.3.1๎ƒ…Open๎ƒ…Circuit๎ƒ…Detect............................................................................................24๎ƒ…
4๎ƒ…Navigation ..................................................................................................................25๎ƒ…
4.1.1๎ƒ…Overview............................................................................................................25๎ƒ…
4.1.2๎ƒ…Navigation๎ƒ…Update๎ƒ…Rate......................................................................................25๎ƒ…
4.1.3๎ƒ…Dynamic๎ƒ…Platform๎ƒ…Model ....................................................................................26๎ƒ…
4.1.4๎ƒ…Static๎ƒ…Hold๎ƒ…Mode ...............................................................................................26๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ… Content๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 4๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
4.1.5๎ƒ…Degraded๎ƒ…Navigation..........................................................................................26๎ƒ…
4.1.6๎ƒ…Almanac๎ƒ…Navigation ...........................................................................................26๎ƒ…
4.1.7๎ƒ…Navigation๎ƒ…Input๎ƒ…Filters.......................................................................................27๎ƒ…
4.1.8๎ƒ…Navigation๎ƒ…Output๎ƒ…Filters....................................................................................28๎ƒ…
4.1.9๎ƒ…Position๎ƒ…Quality๎ƒ…Indicators ..................................................................................28๎ƒ…
4.1.10๎ƒ…DGPS๎ƒ…(Differential๎ƒ…GPS) ......................................................................................31๎ƒ…
4.1.11๎ƒ…SBAS๎ƒ…(Satellite๎ƒ…Based๎ƒ…Augmentation๎ƒ…Systems).....................................................31๎ƒ…
4.1.12๎ƒ…RAIM๎ƒ…(Receiver๎ƒ…Autonomous๎ƒ…Integrity๎ƒ…Monitoring)..............................................31๎ƒ…
5๎ƒ…Product Testing...........................................................................................................32๎ƒ…
5.1๎ƒ…u-blox๎ƒ…In-Series๎ƒ…Production๎ƒ…Test ................................................................................32๎ƒ…
5.2๎ƒ…Test๎ƒ…Parameters๎ƒ…for๎ƒ…OEM๎ƒ…Manufacturer ....................................................................32๎ƒ…
5.3๎ƒ…System๎ƒ…Sensitivity๎ƒ…Test ..............................................................................................33๎ƒ…
5.3.1๎ƒ…Guidelines๎ƒ…for๎ƒ…Sensitivity๎ƒ…Tests ............................................................................33๎ƒ…
5.3.2๎ƒ…โ€˜Go/No๎ƒ…goโ€™๎ƒ…tests๎ƒ…for๎ƒ…integrated๎ƒ…devices ...............................................................33๎ƒ…
5.4๎ƒ…Testing๎ƒ…of๎ƒ…LEA-4R/TIM-4R๎ƒ…Designs ............................................................................34๎ƒ…
5.4.1๎ƒ…Direction๎ƒ…Signal ..................................................................................................34๎ƒ…
5.4.2๎ƒ…Speedpulse๎ƒ…Signal ..............................................................................................34๎ƒ…
5.4.3๎ƒ…Gyroscope๎ƒ…(Rate)๎ƒ…Input .......................................................................................34๎ƒ…
5.4.4๎ƒ…Temperature๎ƒ…Sensor ...........................................................................................34๎ƒ…
5.4.5๎ƒ…Erase๎ƒ…Calibration ................................................................................................34๎ƒ…
6๎ƒ…PC Support Tools ........................................................................................................35๎ƒ…
A๎ƒ…Migration from TIM-LR to TIM-4R .............................................................................36๎ƒ…
A.1๎ƒ…Migration๎ƒ…from๎ƒ…TIM-LR๎ƒ…to๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…pin๎ƒ…out .................................................................37๎ƒ…
B๎ƒ…Default Settings..........................................................................................................38๎ƒ…
B.1๎ƒ…Hardware .................................................................................................................38๎ƒ…
B.2๎ƒ…Navigation................................................................................................................38๎ƒ…
B.3๎ƒ…Power๎ƒ…Saving๎ƒ…Modes ................................................................................................39๎ƒ…
B.4๎ƒ…Communications๎ƒ…Interface ........................................................................................40๎ƒ…
B.5๎ƒ…Messages๎ƒ…(UBX๎ƒ…โ€“๎ƒ…CFG๎ƒ…โ€“๎ƒ…MSG) ..................................................................................40๎ƒ…
B.6๎ƒ…Messages๎ƒ…(UBX๎ƒ…โ€“๎ƒ…CFG๎ƒ…โ€“๎ƒ…INF) .....................................................................................41๎ƒ…
B.7๎ƒ…Timing๎ƒ…Settings.........................................................................................................42๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ… Content๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 5๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
C๎ƒ…Reference Design for TIM-4R.....................................................................................42๎ƒ…
D๎ƒ…Mechanical Data.........................................................................................................43๎ƒ…
D.1๎ƒ…Dimensions...............................................................................................................43๎ƒ…
D.2๎ƒ…Specification.............................................................................................................44๎ƒ…
Glossary ............................................................................................................................45๎ƒ…
๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ… Content๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 6๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
1 Dead Reckoning Fundamentals
1.1 Dead Reckoning enabled GPS (DR)
Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…is๎ƒ…a๎ƒ…feature๎ƒ…to๎ƒ…make๎ƒ…GPS๎ƒ…more๎ƒ…accurate๎ƒ…and๎ƒ…reliable๎ƒ…in๎ƒ…urban๎ƒ…canyon๎ƒ…environments๎ƒ…and๎ƒ…during๎ƒ…
GPS๎ƒ…outages.๎ƒ…It๎ƒ…uses๎ƒ…additional๎ƒ…sensors๎ƒ…to๎ƒ…measure๎ƒ…speed,๎ƒ…heading๎ƒ…and๎ƒ…direction๎ƒ…(forward๎ƒ…/๎ƒ…backward).๎ƒ…Therefore๎ƒ…
a๎ƒ…DR๎ƒ…enabled๎ƒ…GPS๎ƒ…receiver๎ƒ…consists๎ƒ…of๎ƒ…a๎ƒ…GPS๎ƒ…receiver,๎ƒ…a๎ƒ…turn๎ƒ…rate๎ƒ…sensor๎ƒ…(gyroscope)๎ƒ…and๎ƒ…a๎ƒ…speed๎ƒ…indicator๎ƒ…
(odometer1).๎ƒ…By๎ƒ…combining๎ƒ…the๎ƒ…information๎ƒ…of๎ƒ…all๎ƒ…sensors๎ƒ…a๎ƒ…position๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…determined๎ƒ…even๎ƒ…if๎ƒ…GPS๎ƒ…positioning๎ƒ…is๎ƒ…
degraded๎ƒ…or๎ƒ…impossible๎ƒ…due๎ƒ…to๎ƒ…restricted๎ƒ…sky๎ƒ…view.๎ƒ…This๎ƒ…means๎ƒ…that๎ƒ…a๎ƒ…DR๎ƒ…enabled๎ƒ…receiver๎ƒ…continues๎ƒ…to๎ƒ…report๎ƒ…
positions๎ƒ…when๎ƒ…GPS๎ƒ…signals๎ƒ…are๎ƒ…blocked,๎ƒ…such๎ƒ…as๎ƒ…in๎ƒ…tunnels๎ƒ…or๎ƒ…in๎ƒ…heavy๎ƒ…urban๎ƒ…canyon๎ƒ…environments.๎ƒ…
GPS Kalman Filter
GPS
receiver
Dead Reckoning
Parameter Enhanced Kalman Filter (EKF)
Position,
Speed,
Direction,
Time
Calibration
Turn๎ƒ…Rate
Speed
Forward/Backward
GPS
Signals
GPS๎ƒ…Position,
GPS๎ƒ…Data
๎ƒ…
Figure 1: Dead Reckoning Block diagram
1.2 Dead Reckoning Principle
In๎ƒ…contrast๎ƒ…to๎ƒ…GPS,๎ƒ…which๎ƒ…delivers๎ƒ…absolute๎ƒ…positions,๎ƒ…Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…is๎ƒ…a๎ƒ…relative๎ƒ…method.๎ƒ…The๎ƒ…sensors๎ƒ…give๎ƒ…
information๎ƒ…for๎ƒ…a๎ƒ…defined๎ƒ…measurement๎ƒ…period,๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…location๎ƒ…is๎ƒ…calculated๎ƒ…relative๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…previously๎ƒ…known๎ƒ…
position.๎ƒ…Therefore๎ƒ…an๎ƒ…absolute๎ƒ…GPS๎ƒ…position๎ƒ…is๎ƒ…required๎ƒ…as๎ƒ…a๎ƒ…starting๎ƒ…point,๎ƒ…which๎ƒ…is๎ƒ…the๎ƒ…last๎ƒ…known๎ƒ…GPS๎ƒ…position.๎ƒ…
ฮด
s
y
n
x
n
y
n+1
=y
n
+dy
x
n+1
=x
n
+dx
Known parameters:
s
=๎ƒ…Traveled๎ƒ…distance๎ƒ…(odometer,๎ƒ…direction)
ฮด
=๎ƒ…New๎ƒ…angle๎ƒ…(gyroscope)
dy
=๎ƒ…scos๎ƒ…(
ฮด
๎ƒ…)
dx
=๎ƒ…s๎ƒ…sin๎ƒ…(
ฮด
๎ƒ…)
๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…=๎ƒ…last GPS๎ƒ…position
๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…=๎ƒ…DR๎ƒ…position
x
y
๎ƒ…
Figure 2: Dead Reckoning Principle
Parameters๎ƒ…used๎ƒ…for๎ƒ…the๎ƒ…relative๎ƒ…position๎ƒ…calculation๎ƒ…are:๎ƒ…
๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…
๎ƒ…
1๎ƒ…An๎ƒ…odometer๎ƒ…is๎ƒ…by๎ƒ…definition๎ƒ…a๎ƒ…device,๎ƒ…which๎ƒ…measures๎ƒ…linear๎ƒ…distance๎ƒ…traveled.๎ƒ…GPS๎ƒ…receivers๎ƒ…can๎ƒ…also๎ƒ…include๎ƒ…software๎ƒ…(also๎ƒ…known๎ƒ…as๎ƒ…an๎ƒ…
odometer)๎ƒ…used๎ƒ…to๎ƒ…calculate๎ƒ…this๎ƒ…distance.๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…Fundamentals๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 7๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
โ€ข Distance travelled:๎ƒ…Odometer๎ƒ…pulses๎ƒ…
โ€ข Direction:๎ƒ…Forward๎ƒ…/๎ƒ…backward๎ƒ…indicator๎ƒ…
โ€ข Angular turn rate:๎ƒ…Gyroscope๎ƒ…
1.3 Dead Reckoning Performance
As๎ƒ…DR๎ƒ…is๎ƒ…an๎ƒ…incremental๎ƒ…algorithm,๎ƒ…the๎ƒ…quality๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…DR๎ƒ…position๎ƒ…depends๎ƒ…very๎ƒ…much๎ƒ…on๎ƒ…the๎ƒ…quality๎ƒ…and๎ƒ…stability๎ƒ…
of๎ƒ…the๎ƒ…sensors๎ƒ…used.๎ƒ…An๎ƒ…accurate๎ƒ…model,๎ƒ…low๎ƒ…tolerances๎ƒ…and๎ƒ…low๎ƒ…thermal๎ƒ…drifts๎ƒ…are๎ƒ…essential๎ƒ…for๎ƒ…reliable๎ƒ…position๎ƒ…
output.๎ƒ…
The๎ƒ…performance๎ƒ…figures๎ƒ…of๎ƒ…a๎ƒ…DR๎ƒ…system๎ƒ…are๎ƒ…always๎ƒ…proportional๎ƒ…to๎ƒ…distance๎ƒ…traveled๎ƒ…or๎ƒ…time.๎ƒ…
y
n
x
n
calculated route
based on sensor
signals
Known parameters:
S
๎ƒ…=๎ƒ…Traveled๎ƒ…distance๎ƒ…since GPS๎ƒ…Signals๎ƒ…lost
d
๎ƒ…=๎ƒ…Distance๎ƒ…error
Performance parameters:
d/S
=๎ƒ…Position๎ƒ…error๎ƒ…percentage๎ƒ…in๎ƒ…comparison
๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…to๎ƒ…distance๎ƒ…traveled
โˆ†ฮฆ
=
Angular๎ƒ…heading๎ƒ…error
Fix types:
๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…=GPS๎ƒ…position
๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…=๎ƒ…DR๎ƒ…position
๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…=๎ƒ…Real๎ƒ…position
d
โˆ†ฮฆ
Actual route
Length = S
x
y
๎ƒ…
Figure 3: Dead Reckoning Performance Parameters
The๎ƒ…seamless๎ƒ…transition๎ƒ…between๎ƒ…absolute๎ƒ…GPS๎ƒ…positions๎ƒ…and๎ƒ…relative๎ƒ…DR๎ƒ…positions๎ƒ…is๎ƒ…advantageous๎ƒ…in๎ƒ…getting๎ƒ…
optimal๎ƒ…performance๎ƒ…from๎ƒ…a๎ƒ…DR๎ƒ…enabled๎ƒ…GPS๎ƒ…receiver.๎ƒ…ANTARISยฎ4๎ƒ…GPS๎ƒ…Technology๎ƒ…employs๎ƒ…blended๎ƒ…algorithms๎ƒ…
to๎ƒ…obtain๎ƒ…the๎ƒ…optimum๎ƒ…from๎ƒ…both๎ƒ…systems.๎ƒ…๎ƒ…
GPS๎ƒ…Positioning๎ƒ…is๎ƒ…weighted๎ƒ…more๎ƒ…heavily๎ƒ…as๎ƒ…long๎ƒ…as๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…parameter๎ƒ…(e.g.๎ƒ…DOP,๎ƒ…number๎ƒ…of๎ƒ…satellites,๎ƒ…signal๎ƒ…
quality)๎ƒ…indicates๎ƒ…good๎ƒ…and๎ƒ…reliable๎ƒ…performance.๎ƒ…In๎ƒ…situations,๎ƒ…where๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…signals๎ƒ…are๎ƒ…poor,๎ƒ…reflected๎ƒ…from๎ƒ…
buildings๎ƒ…(multipath)๎ƒ…or๎ƒ…jammed๎ƒ…the๎ƒ…DR๎ƒ…solution๎ƒ…is๎ƒ…used๎ƒ…with๎ƒ…a๎ƒ…higher๎ƒ…weighting.๎ƒ…
Poor GPSNo GPS Good GPS
GPS DRGPS DRGPS DR
Extrapolation Blending Calibration
EKF EKF EKF
Position,๎ƒ…Velocity,๎ƒ…Time
Position,๎ƒ…Velocity,๎ƒ…Time
Position,๎ƒ…Velocity,๎ƒ…Time๎ƒ…from
real-time๎ƒ…clock
Altitude๎ƒ…held๎ƒ…constant
๎ƒ…
Figure 4: Dead Reckoning Blending
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…Fundamentals๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 8๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
โ€ข No GPS:๎ƒ…During๎ƒ…GPS๎ƒ…loss,๎ƒ…only๎ƒ…DR-๎ƒ…(sensor๎ƒ…based)๎ƒ…positions๎ƒ…are๎ƒ…reported.๎ƒ…The๎ƒ…position๎ƒ…is๎ƒ…calculated๎ƒ…
based๎ƒ…on๎ƒ…the๎ƒ…signals๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…turn๎ƒ…rate๎ƒ…sensor๎ƒ…and๎ƒ…speed๎ƒ…sensor,๎ƒ…with๎ƒ…reference๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…last๎ƒ…
known๎ƒ…GPS๎ƒ…solution.๎ƒ…
โ€ข Poor GPS:๎ƒ…In๎ƒ…urban๎ƒ…canyons๎ƒ…with๎ƒ…fast๎ƒ…changing๎ƒ…sky๎ƒ…visibility๎ƒ…or๎ƒ…during๎ƒ…degraded๎ƒ…GPS๎ƒ…reception,๎ƒ…the๎ƒ…
ANTARISยฎ4๎ƒ…DR๎ƒ…Technology๎ƒ…performs๎ƒ…a๎ƒ…calculation๎ƒ…by๎ƒ…blending๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…and๎ƒ…sensor๎ƒ…based๎ƒ…
positioning.๎ƒ…
โ€ข Good GPS:๎ƒ…With๎ƒ…good๎ƒ…GPS๎ƒ…performance๎ƒ…and๎ƒ…optimal๎ƒ…sky๎ƒ…view,๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…position๎ƒ…has๎ƒ…a๎ƒ…higher๎ƒ…weight๎ƒ…
than๎ƒ…the๎ƒ…DR/sensor๎ƒ…based๎ƒ…position๎ƒ…on๎ƒ…the๎ƒ…overall๎ƒ…navigation๎ƒ…solution.๎ƒ…In๎ƒ…this๎ƒ…situation,๎ƒ…the๎ƒ…
GPS๎ƒ…position๎ƒ…values๎ƒ…are๎ƒ…used๎ƒ…to๎ƒ…calibrate๎ƒ…the๎ƒ…DR๎ƒ…sensors๎ƒ…or๎ƒ…to๎ƒ…perform๎ƒ…sensor๎ƒ…integrity๎ƒ…
checks๎ƒ…(to๎ƒ…establish๎ƒ…if๎ƒ…the๎ƒ…sensors๎ƒ…are๎ƒ…well๎ƒ…calibrated).๎ƒ…๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…Fundamentals๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 9๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
2 Design-In
This๎ƒ…section๎ƒ…provides๎ƒ…a๎ƒ…Design-In๎ƒ…Checklist๎ƒ…as๎ƒ…well๎ƒ…as๎ƒ…Reference๎ƒ…Schematics๎ƒ…for๎ƒ…new๎ƒ…designs๎ƒ…with๎ƒ…LEA-4R/TIM-4R.๎ƒ…
For๎ƒ…migration๎ƒ…of๎ƒ…existing๎ƒ…TIM-LR๎ƒ…product๎ƒ…designs๎ƒ…to๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…please๎ƒ…refer๎ƒ…to๎ƒ…Appendix A.๎ƒ…
2.1 Schematic Design-In Checklist for LEA-4R/TIM-4R
Designing-in๎ƒ…a๎ƒ…LEA-4R/TIM-4R๎ƒ…GPS๎ƒ…receiver๎ƒ…is๎ƒ…easy,๎ƒ…especially๎ƒ…when๎ƒ…a๎ƒ…design๎ƒ…is๎ƒ…based๎ƒ…on๎ƒ…the๎ƒ…reference๎ƒ…design๎ƒ…in๎ƒ…
Appendix C.๎ƒ…Nonetheless,๎ƒ…it๎ƒ…pays๎ƒ…to๎ƒ…do๎ƒ…a๎ƒ…quick๎ƒ…sanity๎ƒ…check๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…design.๎ƒ…This๎ƒ…section๎ƒ…lists๎ƒ…the๎ƒ…most๎ƒ…important๎ƒ…
items๎ƒ…for๎ƒ…a๎ƒ…simple๎ƒ…design๎ƒ…check.๎ƒ…The๎ƒ…Layout๎ƒ…Checklist๎ƒ…in๎ƒ…Section 2.4๎ƒ…also๎ƒ…helps๎ƒ…to๎ƒ…avoid๎ƒ…an๎ƒ…unnecessary๎ƒ…respin๎ƒ…of๎ƒ…
the๎ƒ…PCB๎ƒ…and๎ƒ…helps๎ƒ…to๎ƒ…achieve๎ƒ…the๎ƒ…best๎ƒ…possible๎ƒ…performance.๎ƒ…๎ƒ…
! Note Itโ€™s๎ƒ…highly๎ƒ…recommended๎ƒ…to๎ƒ…follow๎ƒ…the๎ƒ…Design-In๎ƒ…Checklist๎ƒ…when๎ƒ…developing๎ƒ…any๎ƒ…ANTARISยฎ4๎ƒ…GPS๎ƒ…
applications.๎ƒ…This๎ƒ…can๎ƒ…shorten๎ƒ…the๎ƒ…time๎ƒ…to๎ƒ…market๎ƒ…and๎ƒ…significantly๎ƒ…reduce๎ƒ…the๎ƒ…development๎ƒ…cost.
! Note For๎ƒ…important๎ƒ…information๎ƒ…explaining๎ƒ…the๎ƒ…various๎ƒ…aspects๎ƒ…of๎ƒ…this๎ƒ…checklist๎ƒ…see๎ƒ…section๎ƒ…3๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…Antarisยฎ4
System Integration Manual [5]
Check Power Supply Requirements and Schematic:
๎‚‰ Is๎ƒ…the๎ƒ…power๎ƒ…supply๎ƒ…within๎ƒ…the๎ƒ…specified๎ƒ…range?๎ƒ…
๎‚‰ Place๎ƒ…any๎ƒ…LDO๎ƒ…as๎ƒ…near๎ƒ…as๎ƒ…possible๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…VCC๎ƒ…pin๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…module;๎ƒ…if๎ƒ…this๎ƒ…is๎ƒ…not๎ƒ…possible๎ƒ…design๎ƒ…a๎ƒ…wide๎ƒ…power๎ƒ…
track๎ƒ…or๎ƒ…even๎ƒ…a๎ƒ…power๎ƒ…plane๎ƒ…to๎ƒ…avoid๎ƒ…resistance๎ƒ…between๎ƒ…the๎ƒ…LDO/๎ƒ…power๎ƒ…source๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…Module.๎ƒ…
๎‚‰ Is๎ƒ…the๎ƒ…ripple๎ƒ…on๎ƒ…VCC below๎ƒ…50mVpp?๎ƒ…
Backup Battery
๎‚‰ A๎ƒ…backup๎ƒ…battery๎ƒ…is๎ƒ…a๎ƒ…must๎ƒ…for๎ƒ…DR๎ƒ…enabled๎ƒ…GPS๎ƒ…receiverโ€™s๎ƒ…designs.๎ƒ…
๎‚‰ Make๎ƒ…sure๎ƒ…to๎ƒ…connect๎ƒ…a๎ƒ…backup๎ƒ…battery๎ƒ…to๎ƒ…V_BAT.๎ƒ…LEA-4R/TIM-4R๎ƒ…do๎ƒ…not๎ƒ…operate๎ƒ…without๎ƒ…a๎ƒ…backup๎ƒ…battery.๎ƒ…
๎‚‰ When๎ƒ…you๎ƒ…connect๎ƒ…the๎ƒ…backup๎ƒ…battery๎ƒ…for๎ƒ…the๎ƒ…first๎ƒ…time,๎ƒ…make๎ƒ…sure๎ƒ…VCC is๎ƒ…on๎ƒ…or๎ƒ…โ€“๎ƒ…if๎ƒ…not๎ƒ…possible๎ƒ…โ€“๎ƒ…power๎ƒ…up๎ƒ…
the๎ƒ…module๎ƒ…for๎ƒ…a๎ƒ…short๎ƒ…time๎ƒ…(e.g.๎ƒ…1s)๎ƒ…ASAP๎ƒ…in๎ƒ…order๎ƒ…to๎ƒ…avoid๎ƒ…excessive๎ƒ…battery๎ƒ…drain.๎ƒ…
๎‚‰ While๎ƒ…power๎ƒ…off,๎ƒ…make๎ƒ…sure๎ƒ…there๎ƒ…are๎ƒ…no๎ƒ…pull-up๎ƒ…or๎ƒ…down๎ƒ…resistors๎ƒ…connected๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…RxD1,๎ƒ…RxD2,๎ƒ…EXTINT0๎ƒ…
and๎ƒ…EXTINT1๎ƒ…as๎ƒ…this๎ƒ…could๎ƒ…cause๎ƒ…significant๎ƒ…backup๎ƒ…or๎ƒ…sleep๎ƒ…current๎ƒ…(>25ยตA๎ƒ…or๎ƒ…more๎ƒ…instead๎ƒ…of๎ƒ…5ยตA).๎ƒ…๎ƒ…
Antenna
๎‚‰ Active๎ƒ…antenna๎ƒ…is๎ƒ…supported.๎ƒ…
๎‚‰ The๎ƒ…total๎ƒ…noise๎ƒ…figure๎ƒ…should๎ƒ…be๎ƒ…well๎ƒ…below๎ƒ…3dB.๎ƒ…
๎‚‰ If๎ƒ…a๎ƒ…patch๎ƒ…antenna๎ƒ…is๎ƒ…the๎ƒ…preferred๎ƒ…antenna,๎ƒ…choose๎ƒ…a๎ƒ…patch๎ƒ…of๎ƒ…at๎ƒ…least๎ƒ…18x18mm๎ƒ…(25x25mm๎ƒ…is๎ƒ…even๎ƒ…better).๎ƒ…
๎‚‰ Make๎ƒ…sure๎ƒ…the๎ƒ…antenna๎ƒ…is๎ƒ…not๎ƒ…placed๎ƒ…close๎ƒ…to๎ƒ…noisy๎ƒ…parts๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…circuitry.๎ƒ…(e.g.๎ƒ…micro-controller,๎ƒ…display,๎ƒ…etc.)๎ƒ…
๎‚‰ For๎ƒ…active๎ƒ…antennas๎ƒ…add๎ƒ…a๎ƒ…10R๎ƒ…resistor๎ƒ…in๎ƒ…front๎ƒ…of๎ƒ…V_ANT๎ƒ…input๎ƒ…for๎ƒ…short๎ƒ…circuit๎ƒ…protection๎ƒ…or๎ƒ…use๎ƒ…the๎ƒ…
antenna๎ƒ…supervisor๎ƒ…circuitry.๎ƒ…
๎‚‰ When๎ƒ…migrating๎ƒ…from๎ƒ…TIM-LR๎ƒ…reduce๎ƒ…R5๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…Antenna๎ƒ…Short๎ƒ…and๎ƒ…Open๎ƒ…Supervisor๎ƒ…circuit๎ƒ…to๎ƒ…18k.๎ƒ…
๎‚‰ Adapt๎ƒ…the๎ƒ…value๎ƒ…of๎ƒ…some๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…resistors๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…reference๎ƒ…design๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…3.0๎ƒ…V๎ƒ…voltage๎ƒ…levels๎ƒ…(see๎ƒ…Appendix C).๎ƒ…
Serial Communication
๎‚‰ Choose๎ƒ…UBX๎ƒ…for๎ƒ…an๎ƒ…efficient๎ƒ…(binary)๎ƒ…data๎ƒ…handling๎ƒ…or๎ƒ…if๎ƒ…more๎ƒ…data๎ƒ…is๎ƒ…required๎ƒ…than๎ƒ…supported๎ƒ…by๎ƒ…NMEA.๎ƒ…
๎‚‰ When๎ƒ…using๎ƒ…UBX๎ƒ…protocol,๎ƒ…check๎ƒ…if๎ƒ…the๎ƒ…UBX๎ƒ…quality๎ƒ…flags๎ƒ…(see๎ƒ…Section 4.1.9.2)๎ƒ…are๎ƒ…used๎ƒ…properly.๎ƒ…
๎‚‰ Customize๎ƒ…the๎ƒ…NMEA๎ƒ…output๎ƒ…if๎ƒ…required๎ƒ…(e.g.๎ƒ…NMEA๎ƒ…version๎ƒ…2.3๎ƒ…or๎ƒ…2.1,๎ƒ…number๎ƒ…of๎ƒ…digits,๎ƒ…output๎ƒ…filters๎ƒ…etc.)๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Design-In๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 10๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
Schematic
๎‚‰ Leave๎ƒ…the๎ƒ…RESET_N๎ƒ…pin๎ƒ…open๎ƒ…if๎ƒ…not๎ƒ…used.๎ƒ…Donโ€™t๎ƒ…drive๎ƒ…it๎ƒ…high!๎ƒ…
๎‚‰ Leave๎ƒ…BOOT_INT๎ƒ…pin๎ƒ…open๎ƒ…if๎ƒ…not๎ƒ…used๎ƒ…for๎ƒ…firmware๎ƒ…update.๎ƒ…
๎‚‰ Plan๎ƒ…use๎ƒ…of๎ƒ…2nd๎ƒ…interface๎ƒ…๎ƒ…for๎ƒ…firmware๎ƒ…updates๎ƒ…or๎ƒ…as๎ƒ…a๎ƒ…service๎ƒ…connector.๎ƒ…
2.2 TIM-4R/LEA-4R Design
LEA-4R
TIM-4R
Odometer
Optional
Direction
Turn Rate Sensor
Filer, opto-couplers
Filer, opto-couplers
3V๎ƒ…levels
3V๎ƒ…levels
SPEED
FWD
SPIRATE
Low-Pass
filter
(MOSI)๎ƒ…leave๎ƒ…open
Digital
Temp
Sensor
A
D
GND
RF_IN
Coaxial
connector
RF_IN VANTV_ANT
AADET_N
VCC_REF
V_BAT
VCC๎ƒ…(3V)
GND
GND
VDD18_OUT
TxD1๎ƒ…/ TxD2
RxD1๎ƒ…/ RxD2
USB
USB
TIMEPULSE
RESET_N
Optional
Optional
(BOOT_INT)๎ƒ…leave๎ƒ…open
Open๎ƒ…circuit
detection
(optional)
Gyro
Backup
Supply
๎ƒ…
Figure 5: Block Schematic of a complete LEA-4R / TIM-4R Design
2.2.1 Forward / Backward Indication
Use๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…forward๎ƒ…/๎ƒ…backward๎ƒ…indication๎ƒ…signal๎ƒ…FWD๎ƒ…is๎ƒ…optional๎ƒ…but๎ƒ…strongly๎ƒ…recommended๎ƒ…for๎ƒ…good๎ƒ…dead๎ƒ…
reckoning๎ƒ…performance.๎ƒ…Connect๎ƒ…to๎ƒ…VDD18_OUT๎ƒ…(1.8V)๎ƒ…if๎ƒ…not๎ƒ…used.๎ƒ…
You๎ƒ…need๎ƒ…to๎ƒ…check๎ƒ…the๎ƒ…voltage๎ƒ…levels๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…quality๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…vehicle๎ƒ…signals.๎ƒ…They๎ƒ…may๎ƒ…be๎ƒ…of๎ƒ…different๎ƒ…voltage๎ƒ…
levels,๎ƒ…for๎ƒ…example๎ƒ…12V๎ƒ…nominal๎ƒ…with๎ƒ…a๎ƒ…certain๎ƒ…degree๎ƒ…of๎ƒ…variation.๎ƒ…Use๎ƒ…of๎ƒ…optocouplers๎ƒ…or๎ƒ…other๎ƒ…approved๎ƒ…EMI๎ƒ…
protection๎ƒ…and๎ƒ…filtering๎ƒ…is๎ƒ…strongly๎ƒ…recommended.๎ƒ…
2.2.2 Odometer / Speedpulses
DR๎ƒ…receivers๎ƒ…use๎ƒ…signals๎ƒ…from๎ƒ…sensors๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…car๎ƒ…to๎ƒ…establish๎ƒ…the๎ƒ…velocity๎ƒ…and๎ƒ…distance๎ƒ…traveled.๎ƒ…These๎ƒ…sensors๎ƒ…are๎ƒ…
referred๎ƒ…to๎ƒ…as๎ƒ…the๎ƒ…odometer๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…signals๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…designated๎ƒ…odometer๎ƒ…pulses,๎ƒ…speedpulses,๎ƒ…speed๎ƒ…ticks,๎ƒ…wheel๎ƒ…
pulses๎ƒ…or๎ƒ…wheel๎ƒ…ticks.๎ƒ…These๎ƒ…terms๎ƒ…are๎ƒ…often๎ƒ…used๎ƒ…interchangeably๎ƒ…which๎ƒ…can๎ƒ…sometimes๎ƒ…lead๎ƒ…to๎ƒ…confusion.๎ƒ…For๎ƒ…
the๎ƒ…sake๎ƒ…of๎ƒ…consistency,๎ƒ…in๎ƒ…this๎ƒ…document๎ƒ…we๎ƒ…will๎ƒ…be๎ƒ…referring๎ƒ…to๎ƒ…these๎ƒ…signals๎ƒ…as๎ƒ…speedpulses.๎ƒ…
2.2.3 Power Supply for Gyroscope, Temperature Sensor and A/D Converter
The๎ƒ…Gyro๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…A/D-Converter๎ƒ…are๎ƒ…especially๎ƒ…sensitive๎ƒ…to๎ƒ…voltage๎ƒ…drop๎ƒ…and๎ƒ…ripple.๎ƒ…Therefore๎ƒ…a๎ƒ…clean๎ƒ…power๎ƒ…
supply๎ƒ…must๎ƒ…be๎ƒ…designed,๎ƒ…which๎ƒ…is,๎ƒ…for๎ƒ…example,๎ƒ…not๎ƒ…affected๎ƒ…from๎ƒ…current๎ƒ…spikes๎ƒ…produced๎ƒ…by๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…module.๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Design-In๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 11๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
! Note For๎ƒ…best๎ƒ…DR๎ƒ…performance๎ƒ…itโ€™s๎ƒ…recommended๎ƒ…to๎ƒ…design๎ƒ…a๎ƒ…separate๎ƒ…(reference)๎ƒ…5V๎ƒ…power๎ƒ…supply๎ƒ…for๎ƒ…the๎ƒ…
gyro๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…A/D๎ƒ…converter.
2.2.4 SPI Interface for Gyroscope and Temperature Sensor
The๎ƒ…LEA-4R/TIM-4R๎ƒ…are๎ƒ…configured๎ƒ…as๎ƒ…SPI๎ƒ…masters.๎ƒ…Following๎ƒ…signals๎ƒ…are๎ƒ…used๎ƒ…for๎ƒ…the๎ƒ…SPI๎ƒ…interface:๎ƒ…
Pin Signal name Direction Usage
22๎ƒ…PCS2_N๎ƒ…Output๎ƒ…Selects๎ƒ…A/D๎ƒ…converter๎ƒ…for๎ƒ…gyro๎ƒ…signal๎ƒ…
9๎ƒ…PCS0_N๎ƒ…Output๎ƒ…Selects๎ƒ…temperature๎ƒ…sensor๎ƒ…with๎ƒ…SPI๎ƒ…interface๎ƒ…
23๎ƒ…SCK๎ƒ…Output๎ƒ…SPI๎ƒ…clock๎ƒ…
2๎ƒ…MISO๎ƒ…Input๎ƒ…Serial๎ƒ…data๎ƒ…(Master๎ƒ…In๎ƒ…/๎ƒ…Slave๎ƒ…Out)๎ƒ…
1๎ƒ…MOSI๎ƒ…Output๎ƒ…Serial๎ƒ…data๎ƒ…(Master๎ƒ…Out๎ƒ…/๎ƒ…Slave๎ƒ…In),๎ƒ…leave๎ƒ…open๎ƒ…
Table 1: SPI pin for LEA-4R
Pin Signal name Direction Usage
24๎ƒ…PCS1_N๎ƒ…Output๎ƒ…Selects๎ƒ…A/D๎ƒ…converter๎ƒ…for๎ƒ…gyro๎ƒ…signal๎ƒ…
25๎ƒ…PCS0_N๎ƒ…Output๎ƒ…Selects๎ƒ…temperature๎ƒ…sensor๎ƒ…with๎ƒ…SPI๎ƒ…interface๎ƒ…
26๎ƒ…SCK๎ƒ…Output๎ƒ…SPI๎ƒ…clock๎ƒ…
27๎ƒ…MISO๎ƒ…Input๎ƒ…Serial๎ƒ…data๎ƒ…(Master๎ƒ…In๎ƒ…/๎ƒ…Slave๎ƒ…Out)๎ƒ…
28๎ƒ…MOSI๎ƒ…Output๎ƒ…Serial๎ƒ…data๎ƒ…(Master๎ƒ…Out๎ƒ…/๎ƒ…Slave๎ƒ…In),๎ƒ…leave๎ƒ…open๎ƒ…
Table 2: SPI Pin for TIM-4R
The๎ƒ…following๎ƒ…block๎ƒ…schematic๎ƒ…specifies๎ƒ…the๎ƒ…A/D๎ƒ…converter๎ƒ…and๎ƒ…temperature๎ƒ…sensor๎ƒ…for๎ƒ…the๎ƒ…LEA-4R๎ƒ…and๎ƒ…TIM-4R.๎ƒ…
Please๎ƒ…note๎ƒ…that๎ƒ…the๎ƒ…National๎ƒ…LM70-3๎ƒ…sensor๎ƒ…functions๎ƒ…at๎ƒ…3V.๎ƒ…If๎ƒ…the๎ƒ…5V๎ƒ…version๎ƒ…(LM70-5)๎ƒ…is๎ƒ…used,๎ƒ…a๎ƒ…level๎ƒ…
translation๎ƒ…with๎ƒ…open-drain๎ƒ…buffers๎ƒ…and๎ƒ…pull-up๎ƒ…resistors๎ƒ…at๎ƒ…the๎ƒ…outputs๎ƒ…is๎ƒ…required.๎ƒ…
LEA-4R
TIM-4R
Turn Rate Sensor
(MOSI)
22K
10R
leave๎ƒ…open
Gyro
SCK
MISO
PCS0_N
PCS1_N๎ƒ…(TIM-4R)
+5V
REF
10u๎ƒ…and
100 n
GND
GND
CONV
SCK
VCC
SC
CS
V
REF
IN
+
IN
-
12-Bit
A/D๎ƒ…Converter
Linear LTC1860
Temperature
Sensor
National LM70-3
SDO
SI/O
V
+
GND
GND
GND
+3V
220n/100n
RATE
100n
GND
100K
VDD18
PCS2_N๎ƒ…(LEA-4R)
๎ƒ…
Figure 6: Attaching A/D converter and temperature sensor using SPI interface
For๎ƒ…PCS0_N,๎ƒ…a๎ƒ…pull-up๎ƒ…resistor๎ƒ…is๎ƒ…not๎ƒ…required๎ƒ…since๎ƒ…this๎ƒ…pin๎ƒ…already๎ƒ…has๎ƒ…a๎ƒ…pull-up๎ƒ…resistor๎ƒ…inside๎ƒ…LEA-4R/TIM-4R.๎ƒ…๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Design-In๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 12๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
For๎ƒ…best๎ƒ…results,๎ƒ…supply๎ƒ…the๎ƒ…5V๎ƒ…voltage๎ƒ…for๎ƒ…the๎ƒ…gyroscope๎ƒ…through๎ƒ…a๎ƒ…low๎ƒ…pass๎ƒ…filter๎ƒ…as๎ƒ…illustrated.๎ƒ…๎ƒ…Provide๎ƒ…a๎ƒ…
dedicated๎ƒ…reference๎ƒ…voltage๎ƒ…line๎ƒ…from๎ƒ…the๎ƒ…gyroscope๎ƒ…supply๎ƒ…pin๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…VREF๎ƒ…input๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…A/D๎ƒ…converter.๎ƒ…
Add๎ƒ…appropriate๎ƒ…coupling๎ƒ…capacitances๎ƒ…according๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…recommendations๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…data๎ƒ…sheets๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…illustrated๎ƒ…
semiconductor๎ƒ…products.๎ƒ…๎ƒ…All๎ƒ…shown๎ƒ…resistors๎ƒ…shall๎ƒ…have๎ƒ…5%๎ƒ…accuracy๎ƒ…or๎ƒ…better.๎ƒ…๎ƒ…All๎ƒ…shown๎ƒ…capacitors๎ƒ…(X7R๎ƒ…types)๎ƒ…
shall๎ƒ…have๎ƒ…10%๎ƒ…accuracy๎ƒ…or๎ƒ…better.๎ƒ…
! Note For๎ƒ…correct๎ƒ…operation๎ƒ…with๎ƒ…the๎ƒ…LEA-4R/TIM-4R๎ƒ…firmware,๎ƒ…this๎ƒ…circuit๎ƒ…must๎ƒ…be๎ƒ…adopted๎ƒ…without๎ƒ…making๎ƒ…
any๎ƒ…modifications๎ƒ…such๎ƒ…as,๎ƒ…but๎ƒ…not๎ƒ…limited๎ƒ…to,๎ƒ…using๎ƒ…different๎ƒ…types๎ƒ…of๎ƒ…semiconductor๎ƒ…devices๎ƒ…and๎ƒ…
changing๎ƒ…signal๎ƒ…assignment.
2.3 Pinout tables
LEA-4R TIM-4R
Pin
Name๎ƒ…I/O๎ƒ…Description๎ƒ…Name๎ƒ…I/O๎ƒ…Description๎ƒ…
1 MOSI๎ƒ…O๎ƒ…SPI๎ƒ…MOSI๎ƒ…VCC๎ƒ…I๎ƒ…Supply๎ƒ…voltage๎ƒ…
2 MISO๎ƒ…O๎ƒ…SPI๎ƒ…MISO๎ƒ…GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…
3 TxD1๎ƒ…O๎ƒ…Serial๎ƒ…Port๎ƒ…1๎ƒ…BOOT_INT๎ƒ…I๎ƒ…Boot๎ƒ…mode๎ƒ…
4 RxD1๎ƒ…I๎ƒ…Serial๎ƒ…Port๎ƒ…1๎ƒ…RxD1๎ƒ…I๎ƒ…Serial๎ƒ…Port๎ƒ…1๎ƒ…
5 VDDIO๎ƒ…I๎ƒ…Pad๎ƒ…voltage๎ƒ…supply๎ƒ…TxD1๎ƒ…O๎ƒ…Serial๎ƒ…Port๎ƒ…1๎ƒ…
6 VCC๎ƒ…I๎ƒ…Supply๎ƒ…voltage๎ƒ…TxD2๎ƒ…O๎ƒ…Serial๎ƒ…Port๎ƒ…2๎ƒ…
7 GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…RxD2๎ƒ…I๎ƒ…Serial๎ƒ…Port๎ƒ…2๎ƒ…
8 VDD18OUT๎ƒ…O๎ƒ…1.8V๎ƒ…output๎ƒ…FWD๎ƒ…I๎ƒ…Direction๎ƒ…indication(1๎ƒ…=๎ƒ…Forward)๎ƒ…
9 PCS0_N๎ƒ…O๎ƒ…SPI๎ƒ…Chip๎ƒ…Select๎ƒ…0๎ƒ…(Temperature๎ƒ…
Sensor)๎ƒ…
EXTINT1๎ƒ…I๎ƒ…External๎ƒ…Interupt๎ƒ…๎ƒ…
10 RESET_N๎ƒ…I/O๎ƒ…Reset๎ƒ…VDD18_OUT๎ƒ…O๎ƒ…1.8V๎ƒ…supply๎ƒ…output๎ƒ…
11 V_BAT๎ƒ…I๎ƒ…Backup๎ƒ…voltage๎ƒ…supply๎ƒ…GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…
12 BOOT_INT๎ƒ…I๎ƒ…Boot๎ƒ…mode๎ƒ…GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…
13 GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…
14 GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…
15 GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…
16 RF_IN๎ƒ…I๎ƒ…GPS๎ƒ…signal๎ƒ…input๎ƒ…GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…
17 GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…RF_IN๎ƒ…I๎ƒ…GPS๎ƒ…signal๎ƒ…input๎ƒ…
18 VCC_RF๎ƒ…O๎ƒ…Output๎ƒ…Voltage๎ƒ…RF๎ƒ…sect.๎ƒ…๎ƒ… GND๎ƒ…I๎ƒ…Ground๎ƒ…
19 V_ANT๎ƒ…I๎ƒ…Antenna๎ƒ…Bias๎ƒ…voltage๎ƒ…V_ANT๎ƒ…I๎ƒ…Antenna๎ƒ…Bias๎ƒ…voltage๎ƒ…
20 AADET_N๎ƒ…I๎ƒ…Active๎ƒ…Antenna๎ƒ…Detect๎ƒ…VCC_RF๎ƒ…O๎ƒ…Output๎ƒ…Voltage๎ƒ…RF๎ƒ…section๎ƒ…
21 FWD๎ƒ…I๎ƒ…Direction๎ƒ…Indication๎ƒ…(1=Forward)๎ƒ…V_BAT2I๎ƒ…Backup๎ƒ…voltage๎ƒ…supply๎ƒ…
22 PCS2_N๎ƒ…O๎ƒ…SPI๎ƒ…Chip๎ƒ…Select๎ƒ…2๎ƒ…(A/D๎ƒ…Converter)๎ƒ…RESET_N๎ƒ…I/O๎ƒ…Reset๎ƒ…(Active๎ƒ…low)๎ƒ…
23 SCK๎ƒ…O๎ƒ…SPI๎ƒ…Clock๎ƒ…SPEED๎ƒ…I๎ƒ…Speedpulses๎ƒ…
24 VDDUSB๎ƒ…I๎ƒ…USB๎ƒ…Supply๎ƒ…PCS1_N๎ƒ…O๎ƒ…SPI๎ƒ…Chip๎ƒ…Select๎ƒ…1๎ƒ…(A/D๎ƒ…Converter)๎ƒ…
25 USB_DM๎ƒ…I/O๎ƒ…USB๎ƒ…Data๎ƒ…PCS0_N๎ƒ…O๎ƒ…SPI๎ƒ…Chip๎ƒ…Select๎ƒ…0๎ƒ…(Temperature๎ƒ…Sensor)๎ƒ…
26 USB_DP๎ƒ…I/O๎ƒ…USB๎ƒ…Data๎ƒ…SCK๎ƒ…O๎ƒ…SPI๎ƒ…clock๎ƒ…
27 SPEED๎ƒ…I๎ƒ…Speedpulses๎ƒ…MISO๎ƒ…I๎ƒ…SPI๎ƒ…MISO๎ƒ…
28 TIMEPULSE๎ƒ…O๎ƒ…Time๎ƒ…pulse๎ƒ…(1PPS)๎ƒ…MOSI๎ƒ…O๎ƒ…SPI๎ƒ…MOSI๎ƒ…
29 -๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… TIMEPULSE๎ƒ…O๎ƒ…Timepulse๎ƒ…signal๎ƒ…
30 -๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… AADET_N๎ƒ…3I๎ƒ…Active๎ƒ…Antenna๎ƒ…Detect๎ƒ…
Shaded๎ƒ…pins๎ƒ…relate๎ƒ…to๎ƒ…dead๎ƒ…reckoning๎ƒ…specific๎ƒ…functionality.๎ƒ…
Table 4: Pinout LEA-4R/TIM-4R
๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ…
2๎ƒ…Battery๎ƒ…backup๎ƒ…voltage๎ƒ…is๎ƒ…necessary๎ƒ…to๎ƒ…memorize๎ƒ…the๎ƒ…last๎ƒ…vehicle๎ƒ…position๎ƒ…and๎ƒ…direction๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…previous๎ƒ…trip.๎ƒ…๎ƒ…This๎ƒ…is๎ƒ…particularly๎ƒ…important๎ƒ…
when๎ƒ…the๎ƒ…previous๎ƒ…trip๎ƒ…ended๎ƒ…in๎ƒ…an๎ƒ…obstructed๎ƒ…place,๎ƒ…for๎ƒ…example๎ƒ…a๎ƒ…parking๎ƒ…garage,๎ƒ…and๎ƒ…plausible๎ƒ…dead๎ƒ…reckoning๎ƒ…navigation๎ƒ…shall๎ƒ…continue๎ƒ…
when๎ƒ…driving๎ƒ…again.๎ƒ…
๎ƒ…
3๎ƒ…AADET_N๎ƒ…will๎ƒ…only๎ƒ…be๎ƒ…operated๎ƒ…as๎ƒ…input๎ƒ…pin๎ƒ…if๎ƒ…โ€œOpen๎ƒ…Circuit๎ƒ…Detectionโ€๎ƒ…for๎ƒ…active๎ƒ…antennas๎ƒ…is๎ƒ…activated๎ƒ…or๎ƒ…configured.๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Design-In๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 13๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
2.4 Layout Design-In Checklist for ANTARISยฎ4
Follow๎ƒ…this๎ƒ…checklist๎ƒ…for๎ƒ…your๎ƒ…Layout๎ƒ…design๎ƒ…to๎ƒ…get๎ƒ…an๎ƒ…optimal๎ƒ…GPS๎ƒ…performance.๎ƒ…
Layout optimizations
๎‚‰ Is๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…module๎ƒ…placed๎ƒ…according๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…recommendation๎ƒ…in๎ƒ…Antarisยฎ4 System Integration Manual [5]?๎ƒ…
๎‚‰ Have๎ƒ…you๎ƒ…followed๎ƒ…the๎ƒ…Grounding๎ƒ…concept?๎ƒ…
๎‚‰ Keep๎ƒ…the๎ƒ…micro๎ƒ…strip๎ƒ…as๎ƒ…short๎ƒ…as๎ƒ…possible.๎ƒ…
๎‚‰ Add๎ƒ…a๎ƒ…ground๎ƒ…plane๎ƒ…underneath๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…module๎ƒ…to๎ƒ…reduce๎ƒ…interference.๎ƒ…
๎‚‰ For๎ƒ…improved๎ƒ…shielding,๎ƒ…add๎ƒ…as๎ƒ…many๎ƒ…vias๎ƒ…as๎ƒ…possible๎ƒ…around๎ƒ…the๎ƒ…micro๎ƒ…strip,๎ƒ…around๎ƒ…the๎ƒ…serial๎ƒ…
communication๎ƒ…lines,๎ƒ…underneath๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…module๎ƒ…etc.๎ƒ…
Calculation of the micro strip
๎‚‰ The๎ƒ…micro๎ƒ…strip๎ƒ…must๎ƒ…be๎ƒ…50๎ƒ…Ohms๎ƒ…and๎ƒ…it๎ƒ…must๎ƒ…be๎ƒ…routed๎ƒ…in๎ƒ…a๎ƒ…section๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…PCB๎ƒ…where๎ƒ…minimal๎ƒ…interference๎ƒ…
from๎ƒ…noise๎ƒ…sources๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…expected.๎ƒ…
๎‚‰ In๎ƒ…case๎ƒ…of๎ƒ…a๎ƒ…multi-layer๎ƒ…PCB,๎ƒ…use๎ƒ…the๎ƒ…thickness๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…dielectric๎ƒ…between๎ƒ…the๎ƒ…signal๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…1st๎ƒ…GND๎ƒ…layer๎ƒ…
(typically๎ƒ…the๎ƒ…2nd๎ƒ…layer)๎ƒ…for๎ƒ…the๎ƒ…micro๎ƒ…strip๎ƒ…calculation.๎ƒ…
๎‚‰ If๎ƒ…the๎ƒ…distance๎ƒ…between๎ƒ…the๎ƒ…micro๎ƒ…strip๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…adjacent๎ƒ…GND๎ƒ…area๎ƒ…(on๎ƒ…the๎ƒ…same๎ƒ…layer)๎ƒ…does๎ƒ…not๎ƒ…exceed๎ƒ…5๎ƒ…
times๎ƒ…the๎ƒ…track๎ƒ…width๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…micro๎ƒ…strip,๎ƒ…use๎ƒ…the๎ƒ…โ€œCoplanar๎ƒ…Waveguideโ€๎ƒ…model๎ƒ…in๎ƒ…AppCad๎ƒ…to๎ƒ…calculate๎ƒ…the๎ƒ…
micro๎ƒ…strip๎ƒ…and๎ƒ…not๎ƒ…the๎ƒ…โ€œmicro๎ƒ…stripโ€๎ƒ…model.๎ƒ…
2.5 Layout
Please๎ƒ…refer๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…Antarisยฎ4 System Integration Manual [5] for๎ƒ…layout๎ƒ…recommendations.๎ƒ…
๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Design-In๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 14๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
3 Receiver Description
3.1 Dead Reckoning enabled GPS module (DR module)
3.1.1 Architecture
A๎ƒ…Dead๎ƒ…Reckoning๎ƒ…enabled๎ƒ…ANTARISยฎ๎ƒ…4๎ƒ…GPS๎ƒ…Receiver๎ƒ…contains๎ƒ…an๎ƒ…ANTARISยฎ๎ƒ…4๎ƒ…GPS๎ƒ…module๎ƒ…with๎ƒ…the๎ƒ…addition๎ƒ…of๎ƒ…
an๎ƒ…Enhanced๎ƒ…Kalman๎ƒ…Filter๎ƒ…(see Figure 7).๎ƒ…Connected๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…DR๎ƒ…module๎ƒ…are๎ƒ…a๎ƒ…turn๎ƒ…rate๎ƒ…sensor๎ƒ…(gyroscope)๎ƒ…with๎ƒ…a๎ƒ…
temperature๎ƒ…sensor,๎ƒ…odometer๎ƒ…(speedpulse๎ƒ…signal๎ƒ…source)๎ƒ…and๎ƒ…a๎ƒ…direction๎ƒ…indicator๎ƒ…(forward๎ƒ…โ€“๎ƒ…backward.).๎ƒ…
Similar๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…ANTARISยฎ๎ƒ…4๎ƒ…GPS๎ƒ…modules,๎ƒ…the๎ƒ…DR๎ƒ…module๎ƒ…supports๎ƒ…active๎ƒ…and๎ƒ…passive๎ƒ…antennas๎ƒ…and๎ƒ…has๎ƒ…an๎ƒ…
optional๎ƒ…antenna๎ƒ…supervisor๎ƒ…circuitry.๎ƒ…Two๎ƒ…serial๎ƒ…ports๎ƒ…are๎ƒ…available๎ƒ…for๎ƒ…communication๎ƒ…(see๎ƒ…Section on Serial
Communication in Antarisยฎ4 System Integration Manual [5])๎ƒ…and๎ƒ…are๎ƒ…freely๎ƒ…configurable๎ƒ…for๎ƒ…NMEA๎ƒ…or๎ƒ…u-blox๎ƒ…
proprietary๎ƒ…protocols.๎ƒ…It๎ƒ…provides๎ƒ…a๎ƒ…TIMEPULSE๎ƒ…signal๎ƒ…for๎ƒ…timing๎ƒ…synchronization๎ƒ…(see๎ƒ…Section on Timing in
Antarisยฎ4 System Integration Manual [5]).๎ƒ…
In๎ƒ…order๎ƒ…to๎ƒ…store๎ƒ…any๎ƒ…DR๎ƒ…specific๎ƒ…data๎ƒ…such๎ƒ…as๎ƒ…last๎ƒ…position,๎ƒ…current๎ƒ…heading,๎ƒ…calibration๎ƒ…data,๎ƒ…the๎ƒ…temperature๎ƒ…
compensation๎ƒ…table๎ƒ…(TC)๎ƒ…etc.,๎ƒ…a๎ƒ…DR๎ƒ…module๎ƒ…requires๎ƒ…a๎ƒ…backup๎ƒ…battery.๎ƒ…Furthermore,๎ƒ…these๎ƒ…data๎ƒ…are๎ƒ…stored๎ƒ…in๎ƒ…
Flash๎ƒ…in๎ƒ…repetitive๎ƒ…intervals.๎ƒ…
! Note Do๎ƒ…not๎ƒ…use๎ƒ…any๎ƒ…power๎ƒ…saving๎ƒ…modes๎ƒ…(e.g.๎ƒ…FixNowโ„ข๎ƒ…Mode)๎ƒ…as๎ƒ…the๎ƒ…DR๎ƒ…algorithm๎ƒ…and๎ƒ…power๎ƒ…saving๎ƒ…
modes๎ƒ…are๎ƒ…incompatible.
3.1.1.1 Enhanced Kalman Filter (EKF)
The๎ƒ…Enhanced๎ƒ…Kalman๎ƒ…Filter๎ƒ…is๎ƒ…the๎ƒ…core๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…ANTARISยฎ๎ƒ…4๎ƒ…DR๎ƒ…Technology.๎ƒ…It๎ƒ…combines๎ƒ…all๎ƒ…the๎ƒ…sensor๎ƒ…signals๎ƒ…
(odometer,๎ƒ…direction๎ƒ…indicator,๎ƒ…gyroscope,๎ƒ…temperature),๎ƒ…which๎ƒ…are๎ƒ…sampled๎ƒ…with๎ƒ…40๎ƒ…Hz๎ƒ…and๎ƒ…combines๎ƒ…them๎ƒ…with๎ƒ…
the๎ƒ…GPS๎ƒ…solution.๎ƒ…
The๎ƒ…GPS๎ƒ…Kalman๎ƒ…Filter๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…Enhanced๎ƒ…Kalman๎ƒ…Filter๎ƒ…are๎ƒ…tightly๎ƒ…coupled๎ƒ…to๎ƒ…produce๎ƒ…the๎ƒ…best๎ƒ…position๎ƒ…solution๎ƒ…
from๎ƒ…both,๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…system๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…sensor-based๎ƒ…system.๎ƒ…The๎ƒ…weighting๎ƒ…between๎ƒ…both๎ƒ…systems๎ƒ…is๎ƒ…controlled๎ƒ…by๎ƒ…
GPS๎ƒ…quality๎ƒ…indicators๎ƒ…(e.g.๎ƒ…DOP๎ƒ…values,๎ƒ…number๎ƒ…of๎ƒ…SV,๎ƒ…residuals๎ƒ…etc.)๎ƒ…and๎ƒ…variances๎ƒ…for๎ƒ…all๎ƒ…DR๎ƒ…related๎ƒ…parameters.๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Receiver๎ƒ…Description๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 15๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
GPS Front-End
Functionality
GPS Antenna
Gyro
Direction
A
D
Digital
Temp.
Sensor
Odometer
RF_IN
Position Calculation
Kalman๎ƒ…Filter
Stage๎ƒ…1
Dead Reckoning
Enhanced Kalman๎ƒ…Filter
Weighted-Mixer
Stage๎ƒ…2
1 Hz
update rate
40 Hz
update rate
1 Hz
update rate
DR enabled
GPS receiver
serial๎ƒ…output
Calibration
Parameters,
Temperature
offset๎ƒ…table
๎ƒ…
Figure 7: Enhanced Kalman Filter
3.1.1.2 Sensor Integrity Check
The๎ƒ…Sensor๎ƒ…Integrity๎ƒ…Check๎ƒ…monitors๎ƒ…the๎ƒ…quality๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…attached๎ƒ…sensors๎ƒ…(gyro๎ƒ…and๎ƒ…odometer)๎ƒ…and๎ƒ…reports๎ƒ…
unexpected๎ƒ…drifts,๎ƒ…or๎ƒ…malfunctions.๎ƒ…As๎ƒ…soon๎ƒ…as๎ƒ…the๎ƒ…DR๎ƒ…sensors๎ƒ…are๎ƒ…sufficiently๎ƒ…calibrated๎ƒ…the๎ƒ…ANTARISยฎ๎ƒ…DR๎ƒ…
Technology๎ƒ…begins๎ƒ…with๎ƒ…sensor๎ƒ…integrity๎ƒ…checks.๎ƒ…๎ƒ…
If๎ƒ…a๎ƒ…sensor๎ƒ…signal๎ƒ…is๎ƒ…out๎ƒ…of๎ƒ…range,๎ƒ…an๎ƒ…error๎ƒ…message๎ƒ…is๎ƒ…produced๎ƒ…via๎ƒ…serial๎ƒ…port๎ƒ…and๎ƒ…reported๎ƒ…in๎ƒ…NAV-EKFSTATUS.๎ƒ…
In๎ƒ…this๎ƒ…case๎ƒ…the๎ƒ…Enhanced๎ƒ…Kalman๎ƒ…Filter๎ƒ…is๎ƒ…switched๎ƒ…off๎ƒ…meaning๎ƒ…that๎ƒ…subsequently๎ƒ…only๎ƒ…GPS๎ƒ…position๎ƒ…solutions๎ƒ…
are๎ƒ…reported.๎ƒ…
To๎ƒ…recover๎ƒ…the๎ƒ…system,๎ƒ…the๎ƒ…sensors๎ƒ…have๎ƒ…to๎ƒ…be๎ƒ…checked๎ƒ…for๎ƒ…mechanical๎ƒ…failures,๎ƒ…all๎ƒ…calibration๎ƒ…parameter๎ƒ…(Sensor๎ƒ…
Calibration๎ƒ…and๎ƒ…Temperature๎ƒ…Calibration)๎ƒ…have๎ƒ…to๎ƒ…be๎ƒ…reset๎ƒ…and๎ƒ…an๎ƒ…initial๎ƒ…calibration๎ƒ…(see๎ƒ…Section3.1.4)๎ƒ…has๎ƒ…to๎ƒ…be๎ƒ…
done.๎ƒ…
For๎ƒ…short๎ƒ…minimal๎ƒ…errors๎ƒ…the๎ƒ…system๎ƒ…is๎ƒ…able๎ƒ…to๎ƒ…recover๎ƒ…itself.๎ƒ…In๎ƒ…this๎ƒ…case๎ƒ…the๎ƒ…error๎ƒ…will๎ƒ…be๎ƒ…cleared๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…DR๎ƒ…
module๎ƒ…will๎ƒ…report๎ƒ…combined๎ƒ…position๎ƒ…solutions๎ƒ…again.๎ƒ…
! Note The๎ƒ…INF๎ƒ…message:๎ƒ…โ€œERROR:๎ƒ…EKF๎ƒ…disabled.๎ƒ…Gyro๎ƒ…data๎ƒ…inconsistent.โ€๎ƒ…indicates๎ƒ…a๎ƒ…shutdown๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…DR๎ƒ…
algorithm๎ƒ…due๎ƒ…to๎ƒ…inconsistency๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…gyro๎ƒ…signal.๎ƒ…It๎ƒ…happens๎ƒ…if๎ƒ…the๎ƒ…gyro๎ƒ…is๎ƒ…defect๎ƒ…or๎ƒ…the๎ƒ…system๎ƒ…is๎ƒ…
miscalibrated.๎ƒ…To๎ƒ…recover,๎ƒ…check๎ƒ…the๎ƒ…gyro๎ƒ…and๎ƒ…reset๎ƒ…the๎ƒ…receiver.๎ƒ…If๎ƒ…it๎ƒ…happens๎ƒ…again,๎ƒ…reset๎ƒ…all๎ƒ…calibration๎ƒ…
data๎ƒ…and๎ƒ…repeat๎ƒ…an๎ƒ…initial๎ƒ…calibration.
! Note The๎ƒ…INF๎ƒ…message:๎ƒ…โ€œERROR:๎ƒ…EKF๎ƒ…disabled.๎ƒ…Tick๎ƒ…data๎ƒ…inconsistent.โ€๎ƒ…indicates๎ƒ…a๎ƒ…shutdown๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…DR๎ƒ…
algorithm๎ƒ…due๎ƒ…to๎ƒ…inconsistency๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…speedpulses/๎ƒ…odometer๎ƒ…signal.๎ƒ…It๎ƒ…happens๎ƒ…if๎ƒ…the๎ƒ…speed๎ƒ…signal๎ƒ…line๎ƒ…
or๎ƒ…the๎ƒ…sensor๎ƒ…is๎ƒ…broken.๎ƒ…To๎ƒ…recover,๎ƒ…check๎ƒ…the๎ƒ…odometer๎ƒ…signal๎ƒ…and๎ƒ…reset๎ƒ…the๎ƒ…receiver.๎ƒ…If๎ƒ…it๎ƒ…happens๎ƒ…
again,๎ƒ…reset๎ƒ…all๎ƒ…calibration๎ƒ…data๎ƒ…and๎ƒ…repeat๎ƒ…an๎ƒ…initial๎ƒ…calibration.
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Receiver๎ƒ…Description๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 16๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
3.1.2 Input Signals/ Sensors
3.1.2.1 Turn rate sensor (Gyroscope)
The๎ƒ…gyroscope๎ƒ…indicates๎ƒ…the๎ƒ…turn๎ƒ…rate๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…device.๎ƒ…The๎ƒ…gyro๎ƒ…output๎ƒ…signal๎ƒ…is๎ƒ…connected๎ƒ…via๎ƒ…an๎ƒ…A/D๎ƒ…converter๎ƒ…to๎ƒ…
the๎ƒ…DR๎ƒ…module๎ƒ…and๎ƒ…sampled๎ƒ…at๎ƒ…40๎ƒ…Hz.๎ƒ…The๎ƒ…integration๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…gyro๎ƒ…signal๎ƒ…over๎ƒ…one๎ƒ…measurement๎ƒ…period๎ƒ…is๎ƒ…equal๎ƒ…
to๎ƒ…the๎ƒ…relative๎ƒ…turn๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…device๎ƒ…during๎ƒ…this๎ƒ…period.๎ƒ…
There๎ƒ…are๎ƒ…three๎ƒ…major๎ƒ…parameters๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…gyroscope:๎ƒ…
โ€ข Gyro Bias:๎ƒ…Describes๎ƒ…the๎ƒ…offset๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…gyro๎ƒ…signal๎ƒ…at๎ƒ…a๎ƒ…turn๎ƒ…rate๎ƒ…of๎ƒ…0๎ƒ…[deg/s].๎ƒ…+/-25.0๎ƒ…[deg/s]๎ƒ…is๎ƒ…the๎ƒ…
maximum๎ƒ…allowed๎ƒ…Gyro๎ƒ…Bias๎ƒ…Offset.๎ƒ…
โ€ข Gyro Scale Factor:๎ƒ…Describes๎ƒ…the๎ƒ…relation๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…typical๎ƒ…gyro๎ƒ…sensitivity๎ƒ…[V/(deg/s)]๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…real๎ƒ…measured๎ƒ…
output๎ƒ…voltage๎ƒ…[V]๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…actual๎ƒ…turn๎ƒ…rate๎ƒ…[deg/sec].๎ƒ…๎ƒ…
This๎ƒ…value๎ƒ…has๎ƒ…an๎ƒ…upper๎ƒ…limit๎ƒ…of๎ƒ…1.2,๎ƒ…and๎ƒ…a๎ƒ…lower๎ƒ…limit๎ƒ…of๎ƒ…0.8.๎ƒ…This๎ƒ…means๎ƒ…that๎ƒ…the๎ƒ…
implemented๎ƒ…gyro๎ƒ…can๎ƒ…vary๎ƒ…by๎ƒ…+/-๎ƒ…20%,๎ƒ…from๎ƒ…the๎ƒ…typical๎ƒ…gyro๎ƒ…sensitivity.๎ƒ…
โ€ข Gyro Bias as function of the temperature:๎ƒ…
Any๎ƒ…differences๎ƒ…from๎ƒ…the๎ƒ…Gyro๎ƒ…Bias๎ƒ…Offset๎ƒ…over๎ƒ…the๎ƒ…entire๎ƒ…temperature๎ƒ…range๎ƒ…are๎ƒ…stored๎ƒ…in๎ƒ…
a๎ƒ…lookup๎ƒ…table,๎ƒ…called๎ƒ…Temperature๎ƒ…Compensation๎ƒ…Table๎ƒ…(TC).๎ƒ…This๎ƒ…table๎ƒ…covers๎ƒ…a๎ƒ…
temperature๎ƒ…range๎ƒ…of๎ƒ…โ€“40๎ƒ…deg๎ƒ…Celsius๎ƒ…to๎ƒ…+80๎ƒ…deg๎ƒ…Celsius.๎ƒ…
Turn๎ƒ…Rate
w๎ƒ…[deg/s]
+100
Gyro
Voltage
0-100
2.5
5.0
0
Gyro๎ƒ…Bias๎ƒ…Offset
typical๎ƒ…Gyro๎ƒ…Sensitivity
Gyro๎ƒ…Scale๎ƒ…Factor
real๎ƒ…Gyro๎ƒ…Sensitivity
๎ƒ…
Figure 8: Gyroscope Signals
Gyro-
scope
A
D
DR
module
๎ƒ…
Figure 9: Gyroscope Signals Flow
! Note The๎ƒ…mounting๎ƒ…angle๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…gyro๎ƒ…influences๎ƒ…its๎ƒ…performance๎ƒ…significantly.๎ƒ…The๎ƒ…angle๎ƒ…of๎ƒ…incline๎ƒ…should๎ƒ…not๎ƒ…
exceed๎ƒ…the๎ƒ…maximal๎ƒ…value๎ƒ…referring๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…turn๎ƒ…axis๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…vehicle.๎ƒ…Consult๎ƒ…the๎ƒ…datasheet๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…gyro๎ƒ…
carefully๎ƒ…to๎ƒ…choose๎ƒ…the๎ƒ…appropriate๎ƒ…mounting๎ƒ…technique๎ƒ…as๎ƒ…well๎ƒ…the๎ƒ…right๎ƒ…parameter๎ƒ…settings๎ƒ…(e.g.๎ƒ…Gyro๎ƒ…
Sensitivity,๎ƒ…Polarity,๎ƒ…max๎ƒ…angle๎ƒ…of๎ƒ…inclination๎ƒ…etc.)
Z๎ƒ…axis
Y๎ƒ…axis
X๎ƒ…axis
z๎ƒ…axis
Angle๎ƒ…of๎ƒ…incline
Gyro
Gyro
๎ƒ…
Figure 10: Mounting of the gyroscope
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Receiver๎ƒ…Description๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 17๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
๎ƒ…
Refer๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…LEA-4R/TIM-4R๎ƒ…datasheets๎ƒ…for๎ƒ…recommendations๎ƒ…about๎ƒ…the๎ƒ…selection๎ƒ…of๎ƒ…gyros.๎ƒ…
! Note Please๎ƒ…follow๎ƒ…design๎ƒ…recommendations๎ƒ…from๎ƒ…the๎ƒ…gyroscope๎ƒ…manufacturers๎ƒ…for๎ƒ…proper๎ƒ…analog๎ƒ…signal๎ƒ…
conditioning.
3.1.2.2 Temperature sensor
The๎ƒ…Output๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…Gyroscope๎ƒ…(especially๎ƒ…Gyro Offset)๎ƒ…is๎ƒ…very๎ƒ…sensitive๎ƒ…to๎ƒ…temperature๎ƒ…changes.๎ƒ…Therefore๎ƒ…
ANTARISยฎ๎ƒ…DR๎ƒ…modules๎ƒ…support๎ƒ…an๎ƒ…automatic๎ƒ…temperature๎ƒ…compensation๎ƒ…against๎ƒ…this๎ƒ…effect.๎ƒ…
To๎ƒ…achieve๎ƒ…reasonable๎ƒ…performance๎ƒ…of๎ƒ…this๎ƒ…compensation๎ƒ…the๎ƒ…temperature๎ƒ…sensor๎ƒ…has๎ƒ…to๎ƒ…have๎ƒ…a๎ƒ…moderate๎ƒ…
hysteresis๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…environmental๎ƒ…temperatures๎ƒ…have๎ƒ…to๎ƒ…be๎ƒ…reproducible๎ƒ…by๎ƒ…around๎ƒ…5๎ƒ…degrees๎ƒ…Celsius.๎ƒ…
! Note The๎ƒ…temperature๎ƒ…sensor๎ƒ…has๎ƒ…to๎ƒ…be๎ƒ…built๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…Gyroscope๎ƒ…or๎ƒ…as๎ƒ…near๎ƒ…as๎ƒ…possible๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…Gyroscope๎ƒ…to๎ƒ…
measure๎ƒ…the๎ƒ…temperature๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…gyroscope.
Temperature compensation
To๎ƒ…compensate๎ƒ…the๎ƒ…variation๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…Gyro๎ƒ…Offset๎ƒ…with๎ƒ…different๎ƒ…temperatures,๎ƒ…the๎ƒ…ANTARISยฎ๎ƒ…DR๎ƒ…Technology๎ƒ…
maintains๎ƒ…a๎ƒ…Temperature Compensation table๎ƒ…(TC).๎ƒ…The๎ƒ…range๎ƒ…is๎ƒ…from๎ƒ…โ€“40๎ƒ…to๎ƒ…+85๎ƒ…degrees๎ƒ…Celsius.๎ƒ…The๎ƒ…table๎ƒ…is๎ƒ…
continuously๎ƒ…updated๎ƒ…with๎ƒ…new๎ƒ…values๎ƒ…as๎ƒ…soon๎ƒ…as๎ƒ…the๎ƒ…receiver๎ƒ…is๎ƒ…stationary๎ƒ…(no๎ƒ…odometer๎ƒ…pulses๎ƒ…at๎ƒ…the๎ƒ…input)๎ƒ…for๎ƒ…
more๎ƒ…than๎ƒ…3๎ƒ…seconds.๎ƒ…This๎ƒ…process๎ƒ…allows๎ƒ…the๎ƒ…receiver๎ƒ…to๎ƒ…learn๎ƒ…about๎ƒ…the๎ƒ…temperature๎ƒ…characteristics๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…
individual๎ƒ…gyro๎ƒ…in๎ƒ…its๎ƒ…specific๎ƒ…environment.๎ƒ…
The๎ƒ…TC๎ƒ…stabilizes๎ƒ…as๎ƒ…more๎ƒ…measurements๎ƒ…are๎ƒ…observed๎ƒ…for๎ƒ…the๎ƒ…same๎ƒ…temperature.๎ƒ…For๎ƒ…temperature๎ƒ…ranges๎ƒ…not๎ƒ…
measured๎ƒ…yet๎ƒ…the๎ƒ…TC๎ƒ…Bias๎ƒ…Offset๎ƒ…will๎ƒ…be๎ƒ…extrapolated๎ƒ…from๎ƒ…the๎ƒ…available๎ƒ…data.๎ƒ…
degree
Celsius
+80
TC๎ƒ…Bias
Offset
+40
0
-40
0
๎ƒ…
Figure 11: TC compensation graph
! Note The๎ƒ…INF๎ƒ…message:๎ƒ…โ€œWARNING:๎ƒ…Discarded๎ƒ…TC๎ƒ…Measurement:๎ƒ…RMS๎ƒ…Gyro๎ƒ…=๎ƒ…xx.xxx๎ƒ…mVโ€๎ƒ…indicates๎ƒ…that๎ƒ…the๎ƒ…
gyro๎ƒ…has๎ƒ…a๎ƒ…to๎ƒ…high๎ƒ…noise๎ƒ…to๎ƒ…measure๎ƒ…itโ€™s๎ƒ…offset๎ƒ…values๎ƒ…for๎ƒ…temperature๎ƒ…compensation.๎ƒ…If๎ƒ…this๎ƒ…message๎ƒ…
appears๎ƒ…regularly,๎ƒ…the๎ƒ…gyro๎ƒ…might๎ƒ…have๎ƒ…a๎ƒ…mechanical๎ƒ…defect๎ƒ…or๎ƒ…is๎ƒ…mounted๎ƒ…at๎ƒ…a๎ƒ…place๎ƒ…with๎ƒ…too๎ƒ…high๎ƒ…
vibrations.
3.1.2.3 Speedpulse Signal
The๎ƒ…speedpulse๎ƒ…signal๎ƒ…required๎ƒ…for๎ƒ…DR๎ƒ…modules๎ƒ…must๎ƒ…have๎ƒ…a๎ƒ…frequency๎ƒ…range๎ƒ…from๎ƒ…1๎ƒ…Hz๎ƒ…to๎ƒ…5kHz๎ƒ…(0๎ƒ…Hz๎ƒ…is๎ƒ…equal๎ƒ…to๎ƒ…
a๎ƒ…speed๎ƒ…of๎ƒ…0๎ƒ…km/hour).๎ƒ…The๎ƒ…speedpulse๎ƒ…signal๎ƒ…must๎ƒ…be๎ƒ…linear๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…driven๎ƒ…speed.๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Receiver๎ƒ…Description๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 18๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
The๎ƒ…Scale Factor is๎ƒ…the๎ƒ…ratio๎ƒ…between๎ƒ…the๎ƒ…frequency๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…speedpulse๎ƒ…signal๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…real๎ƒ…speed.๎ƒ…It๎ƒ…has๎ƒ…a๎ƒ…
maximum๎ƒ…range๎ƒ…of๎ƒ…0.02๎ƒ…[m/pulse]๎ƒ…to๎ƒ…1๎ƒ…[m/pulse]๎ƒ…(i.e.๎ƒ…from๎ƒ…50k๎ƒ…pulses๎ƒ…per๎ƒ…km๎ƒ…to๎ƒ…1000๎ƒ…pulses๎ƒ…per๎ƒ…km.๎ƒ…If๎ƒ…the๎ƒ…Scale
Factor exceeds๎ƒ…the๎ƒ…lower๎ƒ…or๎ƒ…upper๎ƒ…limit,๎ƒ…the๎ƒ…output๎ƒ…will๎ƒ…be๎ƒ…held๎ƒ…at๎ƒ…the๎ƒ…limiting๎ƒ…value.๎ƒ…
1
x00.050
Measurement
Interval
x00.060 x00.070 x00.080 x00.090 x00.100 x00.110 x00.120
0 112211
Speed๎ƒ…pulses๎ƒ…per๎ƒ…Interval
Timetag
๎ƒ…
Figure 12: Speed signal
! Note Non-linearity๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…speedpulse๎ƒ…signal๎ƒ…(e.g.๎ƒ…no๎ƒ…pulses๎ƒ…below๎ƒ…5๎ƒ…km/h),๎ƒ…may๎ƒ…lead๎ƒ…to๎ƒ…wrong๎ƒ…direction๎ƒ…
calculation๎ƒ…and๎ƒ…therefore๎ƒ…wrong๎ƒ…positioning.
! Note If๎ƒ…the๎ƒ…pulse๎ƒ…frequency๎ƒ…is๎ƒ…below๎ƒ…the๎ƒ…minimum๎ƒ…frequency๎ƒ…(1Hz),๎ƒ…speed๎ƒ…will๎ƒ…be๎ƒ…set๎ƒ…to๎ƒ…0๎ƒ…m/s๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…position๎ƒ…
output๎ƒ…is๎ƒ…frozen๎ƒ…at๎ƒ…the๎ƒ…last๎ƒ…known๎ƒ…position.
3.1.2.4 Direction (Forward/ Backward Signal)
The๎ƒ…direction๎ƒ…signal๎ƒ…indicates๎ƒ…whether๎ƒ…the๎ƒ…vehicle๎ƒ…is๎ƒ…moving๎ƒ…forward๎ƒ…or๎ƒ…backward.๎ƒ…If๎ƒ…the๎ƒ…signal๎ƒ…is๎ƒ…high,๎ƒ…it๎ƒ…
indicates๎ƒ…forward๎ƒ…driving,๎ƒ…but๎ƒ…it๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…configured๎ƒ…vice-versa๎ƒ…in๎ƒ…UBXโ€“CFG๎ƒ…(Config)๎ƒ…โ€“๎ƒ…EKF๎ƒ…(EKF๎ƒ…Settings).๎ƒ…
Itโ€™s๎ƒ…recommended๎ƒ…to๎ƒ…use๎ƒ…a๎ƒ…direction๎ƒ…indicator๎ƒ…for๎ƒ…best๎ƒ…DR๎ƒ…performance.๎ƒ…If๎ƒ…no๎ƒ…direction๎ƒ…signal๎ƒ…is๎ƒ…available,๎ƒ…itโ€™s๎ƒ…
recommended๎ƒ…to๎ƒ…set๎ƒ…the๎ƒ…direction๎ƒ…to๎ƒ…forward.๎ƒ…
Consequences๎ƒ…if๎ƒ…no๎ƒ…direction๎ƒ…signal๎ƒ…is๎ƒ…available:๎ƒ…
Direction
GPS coverage
Forward Backward
Insufficient to
determine a position
(DR only)
The๎ƒ…direction๎ƒ…signal๎ƒ…indicates๎ƒ…the๎ƒ…
right๎ƒ…direction๎ƒ…
๎ƒ–๎ƒ…๎ƒ…Good DR performance, all
position are valid๎ƒ…
The๎ƒ…DR๎ƒ…output๎ƒ…will๎ƒ…indicate๎ƒ…a๎ƒ…wrong๎ƒ…
direction๎ƒ…(always๎ƒ…forward).๎ƒ…๎ƒ…
๎ƒ–๎ƒ…๎ƒ…DR positions are wrong as the
direction is wrong๎ƒ…
Good GPS coverage The๎ƒ…direction๎ƒ…signal๎ƒ…indicates๎ƒ…the๎ƒ…
right๎ƒ…direction๎ƒ…๎ƒ…
๎ƒ–๎ƒ…๎ƒ… Good DR performance๎ƒ…
For๎ƒ…short๎ƒ…distances๎ƒ…the๎ƒ…influence๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…
mismatching๎ƒ…direction๎ƒ…signal๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…
neglected๎ƒ…(in๎ƒ…order๎ƒ…of๎ƒ…meters,๎ƒ…e.g.๎ƒ…
maneuvering๎ƒ…a๎ƒ…car๎ƒ…into๎ƒ…a๎ƒ…parking๎ƒ…lot).๎ƒ…๎ƒ…
๎ƒ–๎ƒ…๎ƒ…For๎ƒ…longer๎ƒ…distances๎ƒ…it๎ƒ…might๎ƒ…have๎ƒ…
significant๎ƒ…impact๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…calibration๎ƒ…
parameter.๎ƒ…
Table 5: Consequences of a missing direction signal
! Note As๎ƒ…the๎ƒ…forward/backward๎ƒ…direction๎ƒ…signal๎ƒ…is๎ƒ…not๎ƒ…available๎ƒ…in๎ƒ…all๎ƒ…cars,๎ƒ…try๎ƒ…to๎ƒ…make๎ƒ…use๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…reverse๎ƒ…gear๎ƒ…
light.
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Receiver๎ƒ…Description๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 19๎ƒ…
๎ƒ…
your position is our focus
3.1.3 DR specific Parameters
3.1.3.1 DR specific GPS configuration
As๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…Kalman๎ƒ…Filter๎ƒ…and๎ƒ…the๎ƒ…Enhanced๎ƒ…Kalman๎ƒ…Filter๎ƒ…are๎ƒ…optimized๎ƒ…by๎ƒ…u-blox,๎ƒ…do๎ƒ…not๎ƒ…change๎ƒ…the๎ƒ…Power๎ƒ…
Mode๎ƒ…in๎ƒ…UBX-CFG๎ƒ…(Config)๎ƒ…โ€“๎ƒ…RXM๎ƒ…(Receiver๎ƒ…Manager)๎ƒ…or๎ƒ…any๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…UBX-CFG๎ƒ…(Config)๎ƒ…โ€“๎ƒ…NAV๎ƒ…(Navigation)๎ƒ…
parameters!๎ƒ…
3.1.3.2 DR Configuration Options
The๎ƒ…following๎ƒ…configuration๎ƒ…options๎ƒ…are๎ƒ…available๎ƒ…with๎ƒ…the๎ƒ…UBX๎ƒ…โ€“CFG๎ƒ…(Config)๎ƒ…-๎ƒ…EKF๎ƒ…(EKF๎ƒ…Settings)๎ƒ…message:๎ƒ…
โ€ข The๎ƒ…EKF๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…enabled๎ƒ…or๎ƒ…disabled.๎ƒ…When๎ƒ…the๎ƒ…EKF๎ƒ…is๎ƒ…disabled๎ƒ…the๎ƒ…module๎ƒ…functions๎ƒ…only๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…GPS๎ƒ…mode,๎ƒ…
there๎ƒ…is๎ƒ…no๎ƒ…DR๎ƒ…functionality๎ƒ…available.๎ƒ…
โ€ข It๎ƒ…is๎ƒ…possible๎ƒ…to๎ƒ…manage๎ƒ…data๎ƒ…and๎ƒ…memory๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…following๎ƒ…ways.๎ƒ…Please๎ƒ…note๎ƒ…that๎ƒ…if๎ƒ…the๎ƒ…default๎ƒ…settings๎ƒ…are๎ƒ…
changed๎ƒ…the๎ƒ…maximum๎ƒ…number๎ƒ…of๎ƒ…flash๎ƒ…write/release๎ƒ…cycles๎ƒ…needs๎ƒ…to๎ƒ…be๎ƒ…taken๎ƒ…into๎ƒ…account:๎ƒ…
โ€ข The๎ƒ…Temperature๎ƒ…Table๎ƒ…and๎ƒ…Calibration๎ƒ…Data๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…cleared.๎ƒ…When๎ƒ…this๎ƒ…is๎ƒ…the๎ƒ…case๎ƒ…the๎ƒ…calibration๎ƒ…begins๎ƒ…
again.๎ƒ…
โ€ข The๎ƒ…interval๎ƒ…to๎ƒ…save๎ƒ…the๎ƒ…content๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…temperature๎ƒ…compensation๎ƒ…table๎ƒ…from๎ƒ…the๎ƒ…internal๎ƒ…Battery๎ƒ…
Backup๎ƒ…RAM๎ƒ…to๎ƒ…the๎ƒ…Flash๎ƒ…memory๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…determined.๎ƒ…
โ€ข The๎ƒ…hardware๎ƒ…interface๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…configured๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…following๎ƒ…ways:๎ƒ…
โ€ข The๎ƒ…Direction๎ƒ…Pin๎ƒ…Polarity๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…set.๎ƒ…The๎ƒ…default๎ƒ…is๎ƒ…โ€˜0๎ƒ…โ€“๎ƒ…High๎ƒ…=๎ƒ…Forwardโ€™๎ƒ…
โ€ข The๎ƒ…axis๎ƒ…or๎ƒ…the๎ƒ…direction๎ƒ…of๎ƒ…rotation๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…Gyro๎ƒ…if๎ƒ…the๎ƒ…voltage๎ƒ…output๎ƒ…is๎ƒ…positive๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…set๎ƒ…(default๎ƒ…
setting๎ƒ…is๎ƒ…โ€˜0๎ƒ…โ€“๎ƒ…Clockwise๎ƒ…Rotation).๎ƒ…
โ€ข The๎ƒ…hardware๎ƒ…can๎ƒ…also๎ƒ…be๎ƒ…configured๎ƒ…to๎ƒ…simplify๎ƒ…calibration.๎ƒ…This๎ƒ…does๎ƒ…not,๎ƒ…however,๎ƒ…eliminate๎ƒ…the๎ƒ…need๎ƒ…to๎ƒ…
perform๎ƒ…a๎ƒ…calibration.๎ƒ…
โ€ข The๎ƒ…Odometer๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…configured๎ƒ…to๎ƒ…set๎ƒ…the๎ƒ…number๎ƒ…of๎ƒ…speedpulses๎ƒ…per๎ƒ…kilometer๎ƒ…(default๎ƒ…value๎ƒ…is๎ƒ…3500๎ƒ…
[pulses/km]).๎ƒ…
โ€ข The๎ƒ…nominal๎ƒ…bias๎ƒ…voltage๎ƒ…and๎ƒ…sensitivity๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…Gyro๎ƒ…can๎ƒ…be๎ƒ…set,๎ƒ…as๎ƒ…well๎ƒ…as๎ƒ…the๎ƒ…maximum๎ƒ…allowed๎ƒ…RMS๎ƒ…of๎ƒ…
the๎ƒ…Gyro.๎ƒ…This๎ƒ…value๎ƒ…is๎ƒ…needed๎ƒ…to๎ƒ…control๎ƒ…the๎ƒ…quality๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…measured๎ƒ…Gyro๎ƒ…offset๎ƒ…to๎ƒ…be๎ƒ…saved๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…
temperature๎ƒ…compensation๎ƒ…table.๎ƒ…๎ƒ…
The๎ƒ…DR๎ƒ…Status๎ƒ…is๎ƒ…reported๎ƒ…by๎ƒ…the๎ƒ…(PUBX,05/EKFSTATUS)๎ƒ…message.๎ƒ…
! Note For๎ƒ…detailed๎ƒ…information๎ƒ…regarding๎ƒ…the๎ƒ…configuration๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…messages๎ƒ…please๎ƒ…see๎ƒ…the๎ƒ…ANTARIS 4๎ƒ…GPS๎ƒ…
Technology๎ƒ…Protocol๎ƒ…Specifications๎ƒ…[3].
ยฎ
3.1.3.3 DR Navigation Parameters (UBX โ€“ NAV (Navigation) โ€“ EKFSTATUS (Status))
Parameter Description Unit
Sensor Data ๎ƒ…๎ƒ…
Speed๎ƒ…Pulses๎ƒ…Number๎ƒ…of๎ƒ…speed๎ƒ…pulses๎ƒ…in๎ƒ…one๎ƒ…measurement๎ƒ…
period๎ƒ…[Pulses/Period]๎ƒ…
Period๎ƒ…Duration๎ƒ…of๎ƒ…one๎ƒ…sensor๎ƒ…measurement๎ƒ…period๎ƒ…[ms]๎ƒ…
Mean๎ƒ…Gyro๎ƒ…Uncorrected๎ƒ…Mean๎ƒ…Value๎ƒ…of๎ƒ…the๎ƒ…Gyro๎ƒ…in๎ƒ…the๎ƒ…last๎ƒ…
period.๎ƒ…๎ƒ…
Temperature๎ƒ…Measured๎ƒ…temperature๎ƒ…at๎ƒ…the๎ƒ…gyroscope๎ƒ…[ยฐC]๎ƒ…
Direction๎ƒ…Signal๎ƒ…from๎ƒ…the๎ƒ…direction๎ƒ…indicator๎ƒ…[forward/backward]
๎ƒ…
LEA-4R๎ƒ…/๎ƒ…TIM-4R๎ƒ…-๎ƒ…System๎ƒ…Integration๎ƒ…Manual๎ƒ…/๎ƒ…Reference๎ƒ…Design๎ƒ…๎ƒ…๎ƒ… Receiver๎ƒ…Description๎ƒ…
GPS.G4-MS4-05043๎ƒ… ๎ƒ… Page 20๎ƒ…
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u-blox LEA-4R System Integration Manual And Reference Design

Category
GPS receiver modules
Type
System Integration Manual And Reference Design

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