Услуги с учетом местоположения (LAS) лежат в основе многих технологий, связанных с развитием умных городов, включая транспорт, управление движением авто, здравоохранение, управление отходами, а также создание более безопасных, устойчивых и более связанных городов. Во всех этих устройствах часто бывает необходимо определить расстояние между отдельными элементами и определить их положение.

Модули GNSS для умного города

В таких устройствах рыночный спрос на функции основанные на позиционировании постоянно растет, поэтому часто используются спутниковые приемники GNSS (Глобальная навигационная спутниковая система), поддерживающие спутниковые группировки европейской системы Galileo, американского GPS, российского Глонасс и китайского BeiDou. Преимущества использования приемников GNSS с несколькими диапазонами включают лучшую доступность сигналов положения, навигации и времени (PNT), большую точность и целостность данных о местоположении, а также повышенную помехоустойчивость. Правда приемники такие более сложны, чем с одной системой.

Развитие спутниковой навигационной технологии и особенно снижение энергопотребления приемников сыграли ключевую роль в более частом использовании навигационных систем и их широком использовании в устройствах «умный город». Среднее снижение потребляемой мощности приемником за десятилетие 2010–2020 гг. составило примерно 5 раз, то есть со 120 до 25 мВт. Более того, требования к питанию приемника GNSS снижались быстрее, чем требования к питанию большинства других компонентов LAS.

Проблемы связанные с энергопотреблением

С одной стороны, значительно снизилось энергопотребление спутникового приемника, с другой – возросла сложность конструкции с точки зрения оптимального решения по энергоснабжению и производительности. Правда не каждое устройство требует постоянного позиционирования или обеспечения высокой точности определения. Зная потребности конкретного решения, разработчики имеют в своем распоряжении различные инструменты для оптимизации производительности и энергопотребления модуля GNSS, включая выбор модели и настройку его прошивки.

Использование энергоэффективных компонентов, особенно малошумящих ВЧ-усилителей, тактовых генераторов и таймера реального времени (RTC) — это первый шаг к тому, чтобы сделать конструкцию энергоэффективной. Следующим шагом будет выбор между активной и пассивной антенной. Пассивные дешевле и обеспечивают большую эффективность, но они не отвечают потребностям каждого устройства из-за больших размеров. Активная антенна может быть хорошим выбором в городских районах, внутри зданий или в других местах со слабым сигналом. Взаимодействующий с ним малошумящий усилитель значительно повышает чувствительность приемника, но и потребляет энергию. Когда энергопотребление критично, а размер антенны не так важен, пассивная антенна большего размера часто обеспечивает те же характеристики, что и активная меньшего размера.

Многие приемники GNSS обеспечивают частоту обновления местоположения 10 Гц или даже выше, но большинству устройств не требуется позиционирование так часто, они работают так же хорошо с гораздо более медленными повторениями. Выбор оптимальной частоты обновления на практике оказывает наибольшее влияние на энергопотребление. Следовательно, помимо очевидного выбора аппаратной платформы, проектировщик может настроить прошивку для оптимизации энергопотребления, в том числе скорость обновления позиции, количество одновременно отслеживаемых спутников GNSS, установить режим Assisted GNSS и активировать различные режимы экономии.

Когда необходимо одновременно отслеживать несколько GNSS для обеспечения надежного и быстрого позиционирования, этот режим работы значительно увеличивает потребление энергии. Иногда лучше сделать небо более просматриваемым и использовать минимальное количество спутников, чем отслеживать все вместе с плохой видимостью для аналогичного эффекта.

Отключение отслеживания всех и оставление только одного активного позволяет экономить больше всего энергии, но вызывает холодный запуск, поэтому время до первого исправления (TTFF) может составлять 30 секунд и более. Это значение колеблется в зависимости от наличия спутников и уровня принимаемых сигналов, размера и расположения антенны. Работа с помощью GNSS может уменьшить значение TTFF, обеспечивая при этом точное положение. Это связано с тем, что приемник должен иметь точную информацию о положении спутников, прежде чем он сможет определить положение. По умолчанию эти данные собираются со спутников в так называемом навигационное сообщение. Однако скорость передачи здесь настолько мала (50 бит/с), что процесс может занимать от 1 минуты (информация об эфемеридах) до 12,5 минут (загрузка альманаха).

Данная поддержка может быть реализована несколькими способами, включая прогнозирование информации о состоянии групы на постоянной основе (это позволяют эфемеридные данные), параметров полета спутников (эти данные называются альманахом) и загрузку ее из Интернета в режиме реального времени или с интервалом до нескольких дней. Некоторые приемники GNSS имеют так называемый автономный режим, который внутренне рассчитывает прогнозы орбиты GNSS, устраняя необходимость в интернет-связи. Но в любом случае использование вспомогательного режима может потребовать периодического включения приемника для получения актуальных эфемеридных данных.

Режимы энергосбережения приемника

Большинство GNSS-приемников допускают множество настроек параметров и, таким образом, позволяют установить компромисс между скоростью обновления положения и энергопотреблением, включая реализацию непрерывного и циклического отслеживания, включение/выключение позиционирования, создание снимков. Во многих устройствах выбор оптимального режима слежения должен производиться в зависимости от текущих условий работы, а система должна автоматически переходить в наиболее энергосберегающий режим с обеспечением бесперебойной работы.

• Непрерывное отслеживание подходит устройствам, которым требуется несколько обновлений в секунду. В этом режиме приемник GNSS определяет свое положение, получает данные альманаха и эфемерид, а затем переключается в режим отслеживания для снижения энергопотребления.
• Циклическое отслеживание занимает несколько секунд между обновлениями местоположения и будет полезно когда антенна и ее позиционирование обеспечивают хороший прием сигнала, чтобы обеспечить хорошую доступность при необходимости. Дополнительная экономия энергии может быть достигнута если отслеживание не требует поиска новых спутников.
• Операция включения-выключения циклически переключается между сбором данных с отслеживанием положения и спящим режимом. Время ожидания обычно составляет несколько минут, но для эффективного включения/выключения требуется прием сильных сигналов GNSS, чтобы свести к минимуму TTFF и, следовательно, энергопотребление при пробуждении.

Позиционирование с помощью снимков экономит энергию за счет предварительной обработки сигнала локально от приемника GNSS и дальнейшей обработки в облаке. При наличии подключения к Интернету позиционирование с помощью снимков может снизить энергопотребление приемника GNSS до 10 раз. Это может быть эффективным когда устройству требуется всего несколько обновлений местоположения в день.

Встроенная многодиапазонная антенна

Чтобы использовать все группировки спутников, локационный модуль должен иметь многодиапазонную антенну. Примером такого решения является SAM-M8Q с поддержкой GPS, Galileo и Глонасс на основе встроенной керамической патч-антенны. Использование одновременно трех групп обеспечивает высокую точность позиционирования в сложных условиях видимости неба, в условиях плотной городской застройки или при слабом принимаемом сигнале. Для ускорения позиционирования и повышения точности SAM-M8Q имеет функции расширения, включая спутниковую систему Quasi-Zenith (QZSS), расширенную навигацию с помощью GPS (GAGAN), системы расширения IMES и WAAS. Кроме того, поддерживаются европейская спутниковая система дополнений EGNOS и японская MTSAT (MSAS).

Описываемый модуль включает в себя оценочную плату GNSS 4 click Overlay, которая предназначена для работы с комплектом разработки PIC-IoT WG от Microchip Technology в качестве основы для создания устройств умного города. Платформа PIC-IoT WG предоставляет пользователям Google Cloud IoT возможность быстро создавать безопасные приложения, подключенные к облаку, включая решения основанные на анализе данных в процессе машинного обучения (ML).

Модуль Cinterion TX62 от Thales предназначен для работы в небольших устройствах, таких как трекеры. Он обеспечивает поддержку множества спутниковых групп (GPS/Galileo/Глонасс) и одновременно реализует связь в сетях LPWAN LTE. Устройства на его основе может работать на основе ресурсов модуля и, таким образом, использование встроенного процессора, который устраняет необходимость добавления дополнительного внешнего элемента управления, обеспечивает более дешевую реализацию и малую занимаемую площадь.

TX62 поддерживает 3GPP и режим энергосбережения. Расширенный прерывистый прием (eDRx) для устройств с ограниченным энергопотреблением. В PSM время сна обычно намного больше, чем в eDRX, благодаря чему модуль может запускать более глубокий режим деактивации работы, поэтому с меньшим энергопотреблением, чем в eDRX. Ток потребления в режиме PSM ниже 10 мкА, а в режиме eDRX не превышает 30 мкА.

Функции безопасности, доступные на TX62, включают безопасное хранилище ключей и поддержку сертификатов для регистрации доверенных устройств на облачных платформах при защите данных, а также доверенные удостоверения, предварительно интегрированные в корень TX62 во время производства. При необходимости используют дополнительную интегрированную карту eSIM, которая упрощает логистику продуктов и повышает гибкость использования благодаря возможности удаленного обслуживания подписок на услуги, связанные с модулем.

Еще одно предложение — оверлейный модуль Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS, предназначенный для работы с эффективной платформой Arduino Portenta. В нем используется описанный выше IoT-модуль TX62, а вместе такой набор обеспечивает высокую вычислительную производительность, связь в сотовой сети и навигацию, что представляет собой полный набор функциональных возможностей, необходимых для разработки устройств для отслеживания ресурсов и удаленного мониторинга в области интеллектуальных городов, промышленности, сельском хозяйстве.

Выделив модуль связи и навигации на отдельную накладную плату, можно изменить стандарт связи и навигации без дополнительной модификации.

Подведем итоги обзора

Достижения в разработке технологий для энергоэффективных приемников GNSS стимулируют развитие устройств для умного города. Конечно, в решениях с батареечным питанием важно использование самого энергоэффективного модуля в проекте, но не менее важна и настройка прошивки для достижения оптимального баланса между энергопотреблением, частотой обновления данных и точностью позиционирования. Поэтому современные оценочные платформы и модули расширения с приемниками GNSS как раз облегчают разработку приложений LAS на основе GNSS.