Sådan bruger du GNSS-moduler til at skabe lokationsbevidste smart-by løsninger

Lokaliseringsbevidste tjenester (LAS) i smart-byer anvendes på tværs af forskellige områder, herunder offentlige tjenester, transport, trafikstyring, energi, sundhedspleje, vand og affald, og skaber sikrere, mere bæredygtige og bedre forbundne byer. I disse applikationer er der ofte behov for at forstå afstandene mellem nærliggende enheder. Efterspørgslen efter positionsbaseret kapacitet ved hjælp af GNSS-modtagere (Global Navigation Satellite System) med flere konstellationer for Europas Galileo, USA's GPS, Ruslands GLONASS og Kinas BeiDou-navigationssatellitsystemer er stigende i LAS-applikationer. Fordelene ved at anvende GNSS-modtagere med flere konstellationer er bl.a. bedre tilgængelighed af positions-, navigations- og tidssignalerne (PNT-signaler), øget nøjagtighed og integritet samt forbedret robusthed. Men udviklingen af multikonstellationsmodtagere er en kompleks og tidskrævende aktivitet.

I denne artikel gennemgås vigtige overvejelser om systemdesign ved brug af GNSS-modtagere med flere konstellationer, før GNSS-platforme og udviklingsmiljøer fra u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales og Arduino præsenteres med henblik på effektiv og omkostningseffektiv udvikling af lokaliseringsbevidste smart-by applikationer.

Forbedringer i GNSS-teknologien, især reducerede strømkrav, har været medvirkende til den øgede brug af GNSS og udbredelsen af LAS i intelligente by-applikationer. GNSS-modtagerens strømforbrug er faldet fra 120 milliwatt (mW) i 2010 til 25 mW i 2020 (figur 1). Faktisk er GNSS-modtagerens strømbehov faldet hurtigere end strømbehovet for de fleste andre LAS-systemkomponenter. Ældre GNSS-teknologier var meget strømkrævende sammenlignet med de andre systemelementer. I dag udgør GNSS-strømbehovet ofte kun en et-cifret procentdel af det samlede strømbudget.

Figur 1: GNSS-modtagerens strømforbrug er faldet fra 120 mW i 2010 til 25 mW i 2020. (Billedkilde: u-blox)

Udfordringer i forbindelse med strømforbrug

Mens GNSS-modtagernes strømforbrug er faldet dramatisk, er kompleksiteten i forbindelse med at finde den optimale løsning for strøm/ydelse blevet mangedoblet. Det er ikke alle LAS-konstruktioner, der har brug for kontinuerlige GNSS-positionsvurderinger eller høje niveauer af positionsnøjagtighed. Designere har forskellige værktøjer til at optimere GNSS-ydelse og strømforbrug, herunder hardwareoptimering og firmware-baserede metoder.

Brugen af komponenter med lavt strømforbrug, især støjsvage RF-forstærkere (LNA'er), oscillatorer og realtidsclock'er (RTC'er), er det første skridt i udviklingen af energieffektive GNSS-løsninger. Valget mellem aktive og passive antenner er et godt eksempel herpå. Passive antenner er billigere og mere effektive, men de opfylder ikke behovene i alle applikationer. En aktiv antenne kan være et godt valg i kløfter i byerne, inde i bygninger eller andre steder med dårlig signalstyrke. LNA'en i den aktive antenne øger evnen til at modtage svage signaler betydeligt, men bruger også en betydelig mængde strøm. Når strømforbruget er kritisk, og antennestørrelsen ikke er så vigtig, kan en større passiv antenne ofte give samme ydelse som en mindre aktiv antenne, samtidig med at den stadig giver en høj positionstilgængelighed og nøjagtighed.

De fleste GNSS-modtagere kan levere opdateringshastigheder på 10 Hertz (Hz) eller derover, men de fleste LAS-applikationer fungerer godt med meget langsommere og mindre strømforbrugende opdateringshastigheder. Valg af den optimale opdateringshastighed kan have den største indvirkning på strømforbruget. Ud over de hardwarebaserede overvejelser har designerne en række firmwareværktøjer til rådighed, når de skal optimere strømforbruget, herunder opdateringshastigheder, antallet af GNSS-konstellationer, der trackes samtidig, assisteret GNSS og en række strømsparetilstande (figur 2).

Figur 2: Ud over at bruge den mest effektive hardwareløsning har designerne flere firmwareværktøjer til at optimere GNSS-ydelsen og energiforbruget. (Billedkilde: u-blox)

Det kan være nødvendigt at tracke flere GNSS-konstellationer samtidig i vanskelige miljøer. Selv om modtagelse af signaler ved hjælp af forskellige bånd kan sikre en robust positionsbestemmelse, øger det også strømforbruget. Det er vigtigt at forstå det specifikke driftsmiljø, især hvor åbent himlen er, og bruge det mindste antal GNSS-signaler, der er nødvendige for at opfylde behovene i den pågældende LAS-applikation.

Hvis GNSS-funktionen er slået fra, sparer du mest energi, men det resulterer i en koldstart, hver gang den tændes. Tiden til første fix (TTFF) for en koldstart kan være 30 sekunder eller længere, afhængigt af tilgængeligheden og styrken af GNSS-signalerne samt antennens størrelse og placering. Med GNSS med hjælpemidler kan TTFF reduceres, samtidig med at der stadig leveres nøjagtige oplysninger. Assisteret GNSS kan gennemføres på flere måder, herunder de aktuelle og forudsagte satellitpositioner og tidsparametre (kaldet "efemeridata"), almanakker og nøjagtige tids- og satellitstatuskorrektionsdata for satellitsystemerne, der downloades via internettet i realtid eller med intervaller på op til flere dage. Nogle GNSS-modtagere har en autonom tilstand, som internt beregner GNSS-baneforudsigelser, hvilket eliminerer behovet for eksterne data og forbindelser. Brug af autonom tilstand kan dog kræve, at modtageren skal tændes med jævne mellemrum for at hente aktuelle efemeridata.

Strømbesparelsestilstande

Ud over tilslutningsmuligheder såsom assisteret GNSS giver mange GNSS-modtagere designerne mulighed for at vælge mellem en række kompromisser mellem opdateringshastigheder og strømforbrug, herunder kontinuerlig tracking, cyklisk sporing, on/off-drift og snapshot-positionering (figur 3). Valg af den optimale tracking-tilstand er en anden vigtig overvejelse, når det gælder om at definere ydeevnen for en specifik applikation. Hvis driftsforholdene ændres, så den optimale energibesparelsestilstand ikke er tilgængelig, skal systemet automatisk skifte til den næstmest energibesparende tilstand for at sikre fortsat funktionalitet.

Figur 3: Energibesparende driftstilstande skal matches med de nødvendige opdateringshastigheder for at optimere GNSS-systemets ydeevne. (Billedkilde: u-blox)

Kontinuerlig tracking er velegnet til applikationer, der kræver få opdateringer i sekundet. GNSS-modtageren opfanger sin position i denne tilstand, opretter en positionsfastsættelse, downloader almanak- og efemeridata og skifter derefter til tracking-tilstand for at reducere strømforbruget.

Cyklisk tracking indebærer flere sekunder mellem tracking-opdateringerne og er nyttig, når signalerne og/eller antennerne er tilstrækkeligt store til at sikre, at positionssignalerne er tilgængelige efter behov. Der kan opnås yderligere energibesparelser, hvis tracking ikke kræver erhvervelse af nye satellitter.

On/Off-drift indebærer skift mellem opsamlings-/tracksaktiviteter og dvaletilstand. Tiden i dvale er typisk flere minutter, og tænd/sluk-drift kræver stærke GNSS-signaler for at minimere TTFF og dermed strømforbruget efter hver dvaleperiode.

Snapshot-positionering sparer strøm ved at bruge GNSS-modtageren til lokal signalbehandling kombineret med cloud computing-ressourcer til den mere beregningskrævende behandling af positionsvurdering. Når der er en internetforbindelse til rådighed, kan snapshot-positionering reducere GNSS-modtagerens strømforbrug med en faktor ti. Denne løsning kan være en effektiv strømbesparende strategi, når der kun er behov for få positionsopdateringer om dagen.

Indbygget antenne understøtter GNSS-forøgelse

Designere kan henvende sig til SAM-M8Q patchantenne-modulet fra u-blox til systemer, der nyder godt af den samtidige modtagelse af GPS-, Galileo- og GLONASS GNSS-signaler (Figur 4). Ved at bruge tre konstellationer på én gang opnås en høj positionsnøjagtighed i udfordrende miljøer som f.eks. kløfter i byområder eller ved modtagelse af svage signaler. For at fremskynde positioneringen og forbedre nøjagtigheden understøtter SAM-M8Q forstærkningsfunktioner, herunder et kvasi-zenith-satellitsystem (QZSS), GPS-assisteret GEO-forstærket navigation (GAGAN) og indendørs meddelelsessystem (IMES), sammen med Wide Area Augmentation System (WAAS), European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) og MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS).

Figur 4: SAM-M8Q-modulet understøtter samtidig modtagelse af op til tre GNSS-kilder (GPS, Galileo, GLONASS). (Billedkilde: u-blox)

SAM-M8Q-modulet kan også bruge u-blox AssistNow-assistancetjenesten, der leverer GNSS-udsendelsesparametre, herunder efemeridata, almanak, plus tid eller grov position, for at reducere TTFF betydeligt. Den forlængede gyldighed af AssistNow Offline-data (op til 35 dage) og AssistNow Autonomous-data (op til 3 dage) understøtter hurtigere TTFF selv efter længere tid.

Denne Google Cloud-udviklingsplatform for IoT (Internet of Things) giver en enkel måde at forbinde og sikre PIC MCU-baserede applikationer på. GNSS 4 click fra MikroElektronika indeholder et SAM-M8Q-modul og er designet med PIC®-IoT WG udviklingskort fra Microchip Technology for at fremskynde udviklingen af LAS smart-by applikationer (figur 5). PIC-IoT WG-udviklingskortet giver Google Cloud IoT-brugere en måde at fremskynde udviklingen af sikre cloud-tilsluttede applikationer på. Desuden giver PIC-IoT WG kortet designere analyse- og MI-værktøjer.

Figur 5: GNSS 4-klikkortet har et SAM-M8Q patchantennemodul fra u-blox. (Billedkilde: DigiKey)

GNSS med flere konstellationer plus trådløs tilslutningsmulighed

Til små LAS-enheder som f.eks. trackere, der kan drage fordel af GNSS-understøttelse med flere konstellationer (GPS/Galileo/GLONASS) og global LPWAN LTE-forbindelse fra et enkelt modul, der udnytter Rel. 14-sekunders generation Kat. M1/NB1/NB2, kan designerne anvende Cinterion TX62-modulet fra Thales (figur 6). Løsningsstørrelsen kan optimeres yderligere ved hjælp af modulets fleksible arkitektur, der understøtter kørsel af applikationer ved hjælp af en værtsprocessor eller inde i modulet ved hjælp af den integrerede processor. TX62 understøtter 3GPP strømsparetilstand (PSM) og udvidet diskontinuerlig modtagelse (eDRx) til strømfølsomme applikationer. PSM-søvntiden har tendens til at være meget længere end eDRX. Disse længere dvaletider gør det muligt for enheden at gå i en dybere dvaletilstand med lavere strømforbrug end eDRX. PSM-søvnstrømmen er under ti mikroampere, mens eDRX-søvnstrømmen er op til 30 mikroampere.

Figur 6: TX62 IoT-modulet understøtter LTE-M-, NB1- og NB2-kommunikation og GNSS med flere konstellationer. (Billedkilde: Thales)

TX62-sikkerhedsfunktionerne omfatter sikker nøgleopbevaring og certifikathåndtering for at understøtte pålidelig registrering i cloud-platforme, samtidig med at enheden og dataene beskyttes, samt pålidelige identiteter, der er præintegreret i TX62's rod under fremstillingen. Når det er nødvendigt, kan designere specificere en valgfri integreret eSIM, der kan forenkle logistik- og fremstillingsprocesser og forbedre fleksibiliteten i marken gennem dynamiske abonnementsopdateringer og fjernforsyning.

LAS-udvikling i Arduino Portenta H7-applikationer er forenklet ved hjælp af Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield (Figur 7). Skjoldet kombinerer edge computing-styrken i Portenta H7 med tilslutningsmulighederne i TX62 for at muliggøre udviklingen af LAS-aktiv tracking og fjernovervågning i smart by-applikationer samt inden for industri, landbrug, forsyningsselskaber og andre områder. Den grundlæggende Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield indeholder ikke en GSM/UMTS-antenne. I stedet for at lede efter en kompatibel antenne kan designere bruge Arduino dipol pentaband vandtæt antenne.

Figur 7: Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shield indeholder TX62-W IoT-modulet (stor gul firkant). (Billedkilde: Arduino)

Yderligere fordele ved Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS-skjold omfatter:

• Mulighed for at ændre tilslutningsmuligheder uden at ændre kortet
• Tilføj positionering plus NB-IoT, CAT.M1 enhver portenta-baseret konstruktion
• Betydeligt lavere krav til kommunikationsbåndbredde i IoT-enheder
• Kompakt format 66 mm x 25,4 mm
• Drift ved -40 °C til +85 °C (-104 °F til 185 °F)

Sammenfatning

Fremskridt inden for GNSS-teknologi med lav effekt og høj ydeevne er faktorer, der driver væksten i LAS smart-by applikationer. Det er dog kun et startpunkt at bruge den mest energieffektive hardware; det er lige så vigtigt at optimere firmwaren for at opnå en optimal og energieffektiv løsning. Der er mange kombinationer af hardware og firmware at vælge imellem, når man udvikler GNSS-baserede LAS-applikationer, og designere kan anvende en række eval-værktøjer til at fremskynde udviklingsprocessen.