Helymeghatározás alapú intelligens városi megoldások létrehozása GNSS modulokkal

Az intelligens városokban számos területen használnak helyfüggő szolgáltatásokat (location-aware services, LAS), többek között a kormányzati szolgáltatások, a közlekedés, a forgalomirányítás, az energia, az egészségügy, a víz- és hulladékgazdálkodás területén, melyek mind hozzájárulnak egy biztonságosabb, fenntarthatóbb és jobban összekapcsolt városok létrehozásához. Ezekben az alkalmazásokban gyakran van szükség az egymáshoz közeli eszközök közötti távolságok ismeretére. Az európai Galileo, az amerikai GPS, az orosz GLONASS és a kínai BeiDou navigációs műholdrendszerek vételére képes több konstellációs GNSS-vevőkkel történő helymeghatározás-alapú képességek iránti igény egyre nő a helyfüggő szolgáltatási rendszerekben. A több konstellációs GNSS-vevők használatának előnyei többek között a következők: a helymeghatározó, navigációs és időzítési (position, navigation, és timing, PNT) jelek jobb rendelkezésre állása, nagyobb pontosság és integritás, valamint az alkalmazások nagyobb robusztussága. A több konstellációs vevők kifejlesztése azonban összetett és időigényes feladat.

Ez a cikk a több konstellációs GNSS-vevők használatára vonatkozó fontos rendszertervezési szempontokat tekinti át, majd bemutatja az u-blox, a Microchip Technology, a MikroElektronika, a Thales és az Arduino GNSS platformjait és fejlesztőkörnyezeteit, helytudatos intelligens városi alkalmazások hatékony és viszonylag olcsó kifejlesztéséhez.

A GNSS-technológia terén elért fejlődés, különösen az energiaigény csökkenése nagyban hozzájárult a GNSS fokozott használatához és a helyfüggő szolgáltatások (LAS) elterjedéséhez az intelligens városi rendszerekben. A GNSS-vevők teljesítményfelvétele a 2010-es évi 120 mW-ról 2020-ra 25 mW-ra csökkent (1. ábra). Sőt, a GNSS-vevők áramigénye gyorsabban csökkent a legtöbb más LAS-rendszerelem áramigényéhez képest. A régebbi GNSS-technológiák a köréjük épülő többi rendszerelemhez képest jóval nagyobb energiaigényűek voltak. Napjainkban viszont a GNSS áramigénye gyakran csak egyszámjegyű százaléka a teljes teljesítményigénynek.

1. ábra: A GNSS-vevők teljesítményfelvétele a 2010-es évi 120 mW-ról 2020-ra 25 mW-ra csökkent (kép: u-blox)

Energiafogyasztási problémák

Habár a GNSS-vevők energiafogyasztása drámaian lecsökkent, az áramigény/működési teljesítmény közötti optimális egyensúly biztosításának bonyolultsága megsokszorozódott. Nem minden LAS-kialakítás esetén van szükség folyamatos GNSS-pozícióbecslésre vagy magas szintű helyzeti pontosságra. A tervezőknek különböző eszközök állnak rendelkezésre a GNSS-rendszer működési teljesítményének és energiafogyasztásának optimalizálására, beleértve a hardveroptimalizálást és a firmware-alapú megközelítéseket.

Energiahatékony GNSS-megoldások kifejlesztésekor első lépés az alacsony fogyasztású alkatrészek, mégpedig kiszajú RF-erősítők, oszcillátorok és valós idejű órák (RTC-k) használata. Jó példa erre, hogy egy kialakítás esetén aktív vagy passzív antennát kell-e választani. A passzív antennák olcsóbbak és hatásfokuk is nagyobb, de nem képesek minden alkalmazás igényeit kielégíteni. Egy aktív antenna jó választás lehet városi kanyonokban, épületek belsejében vagy más, gyenge jelerősségű helyeken. Az aktív antennában lévő kiszajú erősítő jelentősen növeli a gyenge jelek vételi képességét, de komoly energiafogyasztás árán. Ha az energiafogyasztás egy kritikus szempont, az antenna mérete viszont nem olyan fontos, egy nagyobb passzív antenna gyakran ugyanazt a teljesítményt tudja nyújtani, mint egy kisebb aktív antenna, miközben továbbra is magas szintű helymeghatározási képességet és pontosságot biztosít.

A legtöbb GNSS-vevő 10 Hz-es vagy annál magasabb frissítési sebességet tud biztosítani, de a legtöbb LAS-alkalmazás sokkal lassabb és kevésbé energiaigényes frissítési sebességgel is jól működik. Az energiafogyasztást a legnagyobb mértékben leginkább az optimális frissítési sebesség kiválasztása befolyásolhatja. A hardveralapú döntések mellett a tervezőknek számos firmware-eszköz is rendelkezésére áll az energiafogyasztás optimalizálására, beleértve a frissítési sebességet, az egyidejűleg követett GNSS-konstellációk számát, az Assisted GNSS-t és a különböző energiatakarékos üzemmódokat (2. ábra).

2. ábra: A leghatékonyabb hardveres megoldás használata mellett a tervezőknek számos firmware-eszköz áll rendelkezésére a GNSS-kapcsolat működési teljesítményének és az energiafogyasztás optimalizálására (kép: u-blox)

Előfordulhat, hogy problémás környezetekben több GNSS-konstelláció egyidejű követésére van szükség. Bár a különböző sávokon továbbított különböző jelek vételével megvalósított megoldás megbízható pozíciómeghatározást biztosíthat, ez ugyanakkor növeli az energiafogyasztást. Fontos ismerni az adott működési környezetet, különösen azt, hogy mennyire akadályozott az égboltra való rálátás, és az adott LAS-alkalmazás igényeinek kielégítéséhez szükséges minimális számú GNSS-jelet kell használni.

A GNSS funkció kikapcsolásával lehet a legtöbb energiát megtakarítani, de ez minden bekapcsoláskor hidegindítást jelent. A helyzetazonosítási idő (time to first fix, TTFF) hidegindítás esetén a GNSS-jelek rendelkezésre állásától és erősségétől, valamint az antenna méretétől és elhelyezésétől függően 30 másodperc vagy annál hosszabb is lehet. Az Assisted GNSS (támogatott GNSS) használata segíthet a TTFF csökkentésében, miközben a pontos információk szolgáltatása továbbra is biztosított. Az Assisted GNSS többféleképpen is megvalósítható, például a műholdak aktuális és előrejelzett pontos helyeinek és idejeinek (ún. „ephemeris” adatok) biztosításával, az almanach adatállománnyal, valamint a műholdas rendszerek pontos idő- és műholdállapot-korrekciós adatai segítségével, amelyek az interneten keresztül valós időben vagy többnapos időközönként letölthetők. Egyes GNSS-vevők rendelkeznek autonóm üzemmóddal, amely belsőleg számítja ki a GNSS műholdak előrejelzett pályáit, így nincs szükség külső adatokra és kapcsolatra. Az autonóm üzemmód használata azonban megkövetelheti, hogy a vevőt időszakosan bekapcsolják az aktuális ephemeris adatok letöltéséhez.

Energiatakarékos üzemmódok

Az olyan csatlakozási lehetőségek mellett, mint például az Assisted GNSS, számos GNSS-vevő a tervezők számára lehetővé teszi, hogy az eltérő frissítési sebességek kiválasztásával kompromisszumos megoldásokat tudjanak hozni az energiafogyasztás terén, a folyamatos követéstől kezdve, a ciklikus követésen, és a be/ki kapcsoláson át a pillanatfelvételes pozicionálásig (3. ábra). Fontos szempont olyan optimális követési módot választani, amely megfelel az adott alkalmazás működési igényének. Ha a működési feltételek megváltoznak, és az optimális energiatakarékos üzemmód nem elérhető, a rendszernek automatikusan át kell váltania a következő energiatakarékos üzemmódra a folyamatos működés biztosítása érdekében.

3. ábra: Mindegyik energiatakarékos üzemmódhoz egy adott szükséges frissítési sebesség párosul a GNSS-rendszer optimális működéséhez (kép: u-blox)

A folyamatos követés olyan rendszerekhez alkalmas, amelyeknél másodpercenkénti néhány frissítésre van szükség. A GNSS-vevő ebben az üzemmódban megszerzi a pozícióját, külső referencia pontok segítségével meghatározza a saját helyzetét, letölti az almanachot és az ephemeris adatokat, majd az energiafogyasztás csökkentése érdekében követési üzemmódba kapcsol.

Ciklikus követéskor az egyes pozíciófrissítések között néhány másodperc telik el, és ez az üzemmód akkor hasznos, ha a jelek és/vagy az antennák elég erősek illetve nagyok ahhoz, hogy a pozíciójelek szükség szerint bármikor elérhetők. További energiamegtakarítás érhető el, ha a követés megvalósítása nem igényli új műholdakkal való kapcsolat felvételét.

Be/ki kapcsolás esetén az eszköz az adatgyűjtés/követés és az alvó üzemmódokban való működést váltogatja. Az eszköz jellemzően néhány percet tölt alvó üzemmódban, és a be- és kikapcsoláshoz erős GNSS-jelekre van szükség a TTFF és következtetésképpen az egyes alvó időszakokat követő energiafogyasztás minimalizálásához.

Pillanatfelvételes helymeghatározáskor az energia megtakarítása annak köszönhető, hogy az eszköz a helyi jelek feldolgozására a GNSS-vevőt, a számításigényesebb pozícióbecslési adatfeldolgozáshoz pedig a felhőalapú számítástechnikai erőforrásokat használja. Ha rendelkezésre áll internetkapcsolat, a pillanatfelvételes helymeghatározás tízszeresére csökkentheti a GNSS-vevő energiafogyasztását. Ez hatékony megoldás tud lenni az energiatakarékosság terén, ha naponta csak néhány pozíciófrissítésre van szükség.

Beágyazott antennával a GNSS kisegítéséhez

A tervezők az u-blox SAM-M8Q patch antenna moduljához fordulhatnak azon rendszerek esetében, amelyek ki tudják használni a GPS, Galileo és GLONASS GNSS-jelek egyidejű vételéből származó előnyöket (4. ábra). Három konstelláció egyidejű használatával nagy helymeghatározási pontosság érhető el problémás környezetekben, mint például városi kanyonokban vagy gyenge jelek vétele esetén. A helymeghatározás felgyorsítása és a pontosság javítása érdekében a SAM-M8Q támogatja a kiegészítő funkciókat, beleértve a QZSS (quasi-zenith satellite system), a GAGAN (GPS aided GEO augmented navigation) és az IMES (indoor messaging system) rendszerek használatát, a WAAS (wide area augmentation system), az EGNOS (European geostationary navigation overlay service) és az MSAS (MTSAT satellite augmentation system) rendszerekkel együtt

4. ábra: A SAM-M8Q modul akár három GNSS-forrás (GPS, Galileo, GLONASS) egyidejű vételére is képes (kép: u-blox)

A SAM-M8Q modul az u-blox saját fejlesztésű AssistNow segédszolgáltatását is használhatja, amely GNSS sugárzási paramétereket biztosít, beleértve az ephemeris adatokat, az almanachot, valamint az időt vagy a durva pozíciót a TTFF jelentős lecsökkentéséhez. Az AssistNow Offline adatok meghosszabbított érvényessége (max. 35 nap) és az AssistNow Autonomous adatok (max. 3 nap) igen rövid TTFF időt biztosítanak még hosszabb idő után is.

Ez az IoT Google Cloud fejlesztői platform egyszerű módját kínálja a PIC MCU-alapú alkalmazások csatlakoztatásának és levédésének. A MikroElektronika GNSS 4 click kártyája tartalmaz egy SAM-M8Q modult, és a Microchip Technology PIC®-IoT WG fejlesztői kártyájával együtt arra tervezték, hogy felgyorsítsa az LAS-alapú, intelligens városi alkalmazások kifejlesztését (5. ábra). A Google Cloud IoT felhasználói számára a PIC-IoT WG fejlesztői kártya lehetőséget nyújt a felhővel összekapcsolt védett alkalmazások kifejlesztésének felgyorsítására. Ezen túlmenően a PIC-IoT WG kártya analitikai és gépi tanulási eszközöket is biztosít a tervezőknek.

5. ábra: A GNSS 4 click kártyára az u-blox SAM-M8Q patch antenna modulja van rászerelve (kép: DigiKey)

Több konstellációs GNSS és vezeték nélküli csatlakozás

Az olyan kisméretű LAS-eszközök, például nyomkövetők esetében, amelyeknél előnyös a több konstellációs GNSS-támogatás (GPS/Galileo/GLONASS) és egy egyetlen modulon keresztül megvalósított, második generációs Rel-14 Cat. M1/NB1/NB2-re épülő globális LPWAN LTE-csatlakoztathatóság, a tervezők számára rendelkezésre áll a Thales Cinterion TX62 modulja (6. ábra). A megoldások mérete tovább optimalizálható a modul rugalmas architektúrájának köszönhetően, amely támogatja az alkalmazásoknak egy gazdaprocesszorral vagy a modulon belüli integrált processzorral történő futtatását. A TX62 támogatja a 3GPP energiahatékonyságot segítő PSM (Power Saving Mode) és eDRX (extended Discontinuous Reception) működési módjait az energiafogyasztásra érzékeny alkalmazásokhoz. A PSM alvási idők általában sokkal hosszabbak, mint az eDRX-idő. Ezek a hosszabb alvási idők lehetővé teszik, hogy a készülék mélyebb, alacsonyabb fogyasztású alvó üzemmódba lépjen, mint az eDRX. Az energiafogyasztás a PSM alvó üzemmódban tíz mikroamper alatt van, míg ez az eDRX alvó üzemmódban elérheti a 30 mikroampert is.

6. ábra: A TX62 IoT modul támogatja az LTE-M, NB1 és NB2 kommunikációt és a több konstellációs GNSS-t (kép: Thales)

A TX62 biztonsági jellemzői közé tartozik a biztonságos kulcstárolás és a tanúsítványok kezelése, amelyeknek köszönhetően biztosított a megbízható kapcsolódás a felhőplatformokhoz, miközben az eszköz és az adatok védve maradnak, valamint a gyártás során a TX62 gyökerébe előre integrált megbízható identitások. Szükség esetén a tervezők opcionális integrált eSIM-et is megadhatnak, amely a dinamikus előfizetés-frissítések és a távoli üzembe helyezés révén egyszerűsítheti a logisztikai és gyártási folyamatokat, valamint javíthatja a rugalmasságot is terepi használat során.

Az Arduino Portenta H7 környezetében történő LAS alkalmazásfejlesztés leegyszerűsödik a Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield kártya használatával (7. ábra). A kártya a Portenta H7 peremhálózati számítástechnikai erejét ötvözi a TX62 csatlakoztathatóságával LAS-alapú eszközkövetés és távfelügyelet kifejlesztéséhez intelligens városi alkalmazásokban, valamint az ipari, mezőgazdasági, közüzemi és egyéb területeken. Az alapvető Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS kártya nem tartalmaz egy GSM/UMTS antennát, de kompatibilis antenna után való keresés helyett a tervezők az Arduino vízálló ötsávos dipólus antennáját is használhatják.

7. ábra: A Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS kártya tartalmazza a TX62-W IoT modult (nagy sárga négyzet) (kép: Arduino)

A Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS kártya további főbb előnyös tulajdonságai:

• lehetőség a csatlakoztathatóság megváltoztatására a kártya cseréje nélkül;
• helymeghatározás és NB-IoT, CAT.M1 képesség bármely Portenta alapú kialakítás esetén;
• jelentősen csökkentett kommunikációs sávszélességigény IoT-eszközök esetében;
• 66 mm x 25,4 mm-es kompakt méret;
• -40 °C és +85 °C közötti működés.

Összegzés

A technológiai fejlődésnek köszönhetően a GNSS-eszközök energiafogyasztásának csökkentése és teljesítményük növelése ösztönzőleg hatnak az intelligens városi LAS alkalmazások egyre nagyobb számú elterjedésére. A leghatékonyabb hardvert használni csupán egy alap, ugyanilyen fontos a firmware optimalizálása is, ha egy optimális és energiatakarékos megoldást szeretnénk. A GNSS-alapú LAS szolgáltatások fejlesztése során számos hardver-firmware kombináció választható, és a fejlesztési folyamat felgyorsítása érdekében a tervezők több különböző fejlesztőeszköz közül is választhatnak.