如何使用 GNSS 模塊創(chuàng)建具有位置感知能力的智慧城市解決方案

作者：Jeff Shepard

在智慧城市中，位置感知服務(wù) （LAS）正在部署到各個(gè)領(lǐng)域，包括政府服務(wù)、運(yùn)輸、交通管理、能源、醫(yī)療保健、水和廢棄物處理，以創(chuàng)造更加安全、更加可持續(xù)以及連接更密切的城市。這些應(yīng)用往往需要了解附近設(shè)備之間的距離。歐洲的Galileo、美國(guó)的 GPS、俄羅斯的 GLONASS 和中國(guó)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)都能提供全球?qū)Ш椒?wù)。在 LAS 應(yīng)用中，對(duì)使用多星座全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS） 接收器的定位功能的需求日益增長(zhǎng)。使用多星座 GNSS 接收器的優(yōu)勢(shì)在于：更好地提供定位、導(dǎo)航和定時(shí) （PNT）信號(hào)，提高準(zhǔn)確性、完整性并改善穩(wěn)健性。但是，開發(fā)多星座接收器是一項(xiàng)復(fù)雜且耗時(shí)的活動(dòng)。

本文首先回顧使用多星座 GNSS 接收器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有哪些重要考慮因素，然后介紹 u-blox、Microchip
Technology、MikroElektronika、Thales 和 Arduino 的 GNSS平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，利用這些平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境可以高效經(jīng)濟(jì)地開發(fā)出具有位置感知能力的智慧城市應(yīng)用。

GNSS 技術(shù)的改進(jìn)，尤其是功耗需求降低，對(duì) GNSS 的使用增加和 LAS 在智慧城市應(yīng)用中的擴(kuò)散起到了重要作用。GNSS 接收器的功耗已經(jīng)從 2010年的 120 mW 下降到 2020 年的 25 mW（圖 1）。事實(shí)上，GNSS 接收器的功耗需求下降的速度快于大多數(shù)其他 LAS系統(tǒng)組件的功耗需求下降的速度。與其他系統(tǒng)元件相比，早期 GNSS 技術(shù)非常耗電。如今，GNSS 功耗需求占總功耗預(yù)算的百分比只有個(gè)位數(shù)。

功耗挑戰(zhàn)

雖然 GNSS 接收器的功耗已大幅下降，但獲得最優(yōu)功耗/性能解決方案的復(fù)雜性卻成倍增加。不是每個(gè) LAS 設(shè)計(jì)都需要連續(xù)的 GNSS位置估算或高定位精度。設(shè)計(jì)人員有各種工具來(lái)優(yōu)化 GNSS 性能和功耗，包括硬件優(yōu)化和基于固件的方法。

使用低功耗元器件，特別是低噪聲射頻放大器 （LNA）、振蕩器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC），是開發(fā)節(jié)能型 GNSS解決方案的第一步。選擇有源天線還是無(wú)源天線，就是一個(gè)很好的例子。無(wú)源天線成本較低、效率較高，但不能滿足每個(gè)應(yīng)用的需求。在城市街谷、建筑物內(nèi)部或其他信號(hào)強(qiáng)度差的地方，有源天線可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。有源天線中的LNA可大大提高接收微弱信號(hào)的能力，但也會(huì)消耗大量功率。當(dāng)功耗很關(guān)鍵，而天線尺寸又不那么重要時(shí)，較大的無(wú)源天線在性能方面常常與較小的有源天線相同，同時(shí)還能提供很高的定位能力和精度水平。

大多數(shù) GNSS 接收器更新率可達(dá) 10 Hz 或更高，但大多數(shù) LAS應(yīng)用在慢得多而耗電少的更新率下工作良好。選擇最優(yōu)更新率可以獲得最大的省電效果。除了基于硬件的考慮之外，設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化功耗時(shí)還有很多固件工具可用，包括更新率、同時(shí)跟蹤的GNSS 星座數(shù)量、輔助 GNSS 以及各種省電模式（圖 2）。

在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，可能有必要同時(shí)跟蹤多個(gè) GNSS星座。雖然使用多種頻帶段接收信號(hào)可以確保定位穩(wěn)健，但也會(huì)增加功耗。重要的是要了解具體工作環(huán)境，特別是天空視野的開闊程度，并使用所需的最少數(shù)量的 GNSS信號(hào)來(lái)支持特定 LAS 應(yīng)用的需求。

關(guān)閉 GNSS 功能最為省電，但這會(huì)導(dǎo)致每次打開都需要冷啟動(dòng)。冷啟動(dòng)的首次定位時(shí)間 （TTFF） 可能是 30 秒或更長(zhǎng)時(shí)間，具體取決于 GNSS信號(hào)的可用性和強(qiáng)度，以及天線的尺寸和位置。輔助 GNSS 可以縮短首次定位時(shí)間，同時(shí)還能提供準(zhǔn)確的信息。輔助 GNSS可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，例如：當(dāng)前和預(yù)測(cè)的衛(wèi)星位置和時(shí)序參數(shù)（稱為“星歷數(shù)據(jù)”）、歷書，以及通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)或間隔幾天下載的衛(wèi)星系統(tǒng)的準(zhǔn)確時(shí)間和衛(wèi)星狀態(tài)校正數(shù)據(jù)。有些GNSS 接收器具有自主模式，在內(nèi)部計(jì)算 GNSS 軌道預(yù)測(cè)結(jié)果，而無(wú)需外部數(shù)據(jù)和連接。然而，使用自主模式可能需要定期打開接收器以下載當(dāng)前星歷數(shù)據(jù)。

省電模式

除了輔助 GNSS 等連接選項(xiàng)外，許多 GNSS 接收器還支持設(shè)計(jì)人員在多番權(quán)衡更新率和功耗之后做出選擇，包括連續(xù)跟蹤、循環(huán)跟蹤、開/關(guān)操作和快照定位（圖3）。界定具體應(yīng)用的性能時(shí)，選擇最優(yōu)跟蹤模式是另一個(gè)重要的考慮因素。如果工作條件發(fā)生變化，使得最優(yōu)省電模式無(wú)法使用，那么系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)自動(dòng)切換到次優(yōu)節(jié)能模式，以確保持續(xù)運(yùn)行。

連續(xù)跟蹤適合于每秒需要更新幾次的應(yīng)用。在這種模式下，GNSS 接收器獲取其位置、建立定位、下載歷書和星歷數(shù)據(jù)，然后切換到跟蹤模式以減少功耗。

循環(huán)跟蹤的兩次位置更新間隔需要幾秒鐘；如果信號(hào)和/或天線足夠大，能確保必要時(shí)可獲取定位信號(hào)，則這種模式很有用。如果跟蹤不需要獲取新的衛(wèi)星，則還能節(jié)省更多電力。

開/關(guān)操作需要在采集/跟蹤活動(dòng)與休眠模式之間進(jìn)行切換。休眠時(shí)間通常為幾分鐘，而開/關(guān)操作需要很強(qiáng)的 GNSS信號(hào)以盡量縮短首次定位時(shí)間，因此每個(gè)睡眠周期之后的功耗也很大。

快照定位的省電方式是：使用 GNSS 接收器進(jìn)行本地信號(hào)處理，而更消耗算力的位置估算處理則交由云計(jì)算資源進(jìn)行。當(dāng)有互聯(lián)網(wǎng)連接時(shí)，快照定位可將 GNSS接收器的功耗降低 10 倍。若每天僅需要幾次位置更新，這種解決方案是一種有效的省電策略。

嵌入式天線支持 GNSS 增強(qiáng)功能

對(duì)于可以同時(shí)接收 GPS、Galileo 和 GLONASS GNSS 信號(hào)的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以使用 u-blox 的 SAM-M8Q 貼片天線模塊（圖4）。在城市街谷等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，或當(dāng)接收微弱信號(hào)時(shí)，同時(shí)使用三個(gè)星座可獲得很高的定位精度。為了加速定位和提高精度，SAM-M8Q支持增強(qiáng)功能，包括準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng) （QZSS）、GPS 輔助 GEO 增強(qiáng)導(dǎo)航 （GAGAN） 和室內(nèi)消息系統(tǒng) （IMES），以及廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）、歐洲地球靜止軌道導(dǎo)航重疊服務(wù) （EGNOS） 和 MTSAT 衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng) （MSAS）。

SAM-M8Q 模塊還能使用 u-blox 的 AssistNow 協(xié)助服務(wù)來(lái)提供 GNSS廣播參數(shù)，包括星歷數(shù)據(jù)、歷書以及時(shí)間或粗略位置，從而大大縮短首次定位時(shí)間。AssistNow 離線數(shù)據(jù)（長(zhǎng)達(dá) 35 天）和 AssistNow 自主數(shù)據(jù)（長(zhǎng)達(dá)3 天）的長(zhǎng)有效期支持更快的首次定位，即使在長(zhǎng)時(shí)間之后也有作用。

該物聯(lián)網(wǎng) （IoT） Google Cloud 開發(fā)平臺(tái)是一種連接和保護(hù)基于 PIC MCU 的應(yīng)用的簡(jiǎn)單方法。MikroElektronika 的GNSS 4 click 包含 SAM-M8Q 模塊，并利用 Microchip Technology 的 PIC?-IoT WG 開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)，以加快LAS 智慧城市應(yīng)用的開發(fā)（圖 5）。PIC-IoT WG 開發(fā)板可為 Google Cloud IoT 用戶加快安全云連接應(yīng)用的開發(fā)。此外，PIC-IoTWG 板為設(shè)計(jì)人員提供了分析和機(jī)器學(xué)習(xí)工具。

多星座 GNSS 加無(wú)線連接

對(duì)于可以從多星座 GNSS 支持 （GPS/Galileo/GLONASS） 和全球 LPWAN LTE 連接（從單個(gè)模塊，利用 Rel.14 第二代Cat.M1/NB1/NB2）獲益的小型 LAS 設(shè)備（如跟蹤器），設(shè)計(jì)人員可以借助 Thales 的 Cinterion TX62模塊（圖6）。該模塊具有一個(gè)靈活的架構(gòu)，支持利用主機(jī)處理器運(yùn)行應(yīng)用，或利用集成處理器在模塊內(nèi)部運(yùn)行應(yīng)用，因此解決方案尺寸可以進(jìn)一步優(yōu)化。TX62 支持 3GPP省電模式 （PSM） 和擴(kuò)展不連續(xù)接收 （eDRx），適用于對(duì)功耗敏感的應(yīng)用。PSM 的休眠時(shí)間往往比 eDRX 長(zhǎng)很多。更長(zhǎng)的休眠時(shí)間使設(shè)備可以進(jìn)入比eDRX 更深度、功耗更低的休眠模式。PSM 的休眠功耗低于 10 μA，而 eDRX 的休眠功耗高達(dá) 30 μA。

TX62 的安全功能包括安全密鑰存儲(chǔ)和證書處理，以支持云平臺(tái)的可信注冊(cè)，同時(shí)保護(hù)設(shè)備和數(shù)據(jù)，另外還有在制造期間預(yù)先集成到 TX62根的可信身份。需要時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以指定可選的集成 eSIM，以簡(jiǎn)化物流和制造過(guò)程，并通過(guò)動(dòng)態(tài)訂閱更新和遠(yuǎn)程配置提高其在現(xiàn)場(chǎng)的靈活性。

使用Portenta Cat.LAS，簡(jiǎn)化了ArduinoPortenta H7應(yīng)用的開發(fā)。M1/NB IoT GNSS盾牌 （圖7）。該盾板將Portenta H7 的邊緣計(jì)算能力與 TX62 的連接能力結(jié)合起來(lái)，以便支持智慧城市應(yīng)用以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、公共事業(yè)和其他領(lǐng)域中的 LAS資產(chǎn)跟蹤和遠(yuǎn)程監(jiān)控的開發(fā)?；拘?Portenta Cat.M1/NB IoT GNSS 盾板不包括 GSM/UMTS 天線。設(shè)計(jì)人員可以使用 Arduino偶極五頻防水天線，而不用尋找兼容天線。

Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS 盾板的其他優(yōu)勢(shì)包括：

能夠在不改變電路板的情況下改變連接

為任何基于 Portenta 的設(shè)計(jì)增加定位能力和 NB-IoT、CAT.M1

顯著降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信帶寬需求

外形緊湊：66 mm x 25.4 mm

工作溫度范圍：-40°C 至 +85°C（-104°F 至 185°F）

總結(jié)

低功耗、高性能 GNSS 技術(shù)的進(jìn)步是推動(dòng) LAS智慧城市應(yīng)用增長(zhǎng)的因素。然而，使用能效最高的硬件只是起點(diǎn)，優(yōu)化固件以達(dá)成最優(yōu)節(jié)能解決方案同樣重要。開發(fā)基于 GNSS 的 LAS應(yīng)用時(shí)，有許多硬件和固件的組合可供選擇，設(shè)計(jì)人員可以借助各種評(píng)估工具來(lái)加速開發(fā)過(guò)程。