Slik bruker du GNSS-moduler til å opprette lokasjonsbevisste løsninger for smarte byer

Lokasjonsbevisste tjenester (LAS – location-aware services) i smartbyer distribueres på tvers av ulike områder, deriblant offentlige tjenester, transport, trafikkstyring, energi, helsevesen og vann og avfall, og skaper tryggere, mer bærekraftige og mer sammenkoblede byer. Det er ofte behov for å forstå avstandene mellom nærliggende enheter i disse konstruksjonene. Etterspørselen etter lokasjonsbaserte funksjoner som bruker GNSS-mottakere (GNSS – global navigation satellite system) for flere konstellasjoner i navigasjonssatellittsystemer for Europas Galileo, USAs GPS, Russlands GLONASS og Kinas BeiDou, er i vekst i LAS-konstruksjoner. Fordelene ved å bruke GNSS-mottakere for flere konstellasjoner inkluderer: Bedre tilgjengelighet av signaler for posisjon, navigasjon og timing (PNT), økt nøyaktighet og integritet og forbedret robusthet. Men det å utvikle mottakere for flere konstellasjoner er en kompleks og tidkrevende aktivitet.

Denne artikkelen gjennomgår viktige faktorer for systemkonstruksjoner når GNSS-mottakere for flere konstellasjoner brukes, og presenterer deretter GNSS-plattformer og utviklingsmiljøer fra u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales og Arduino for å gi effektiv og kostnadseffektiv utvikling av lokasjonsbevisste konstruksjoner for smarte byer.

Forbedringer i GNSS-teknologien, spesielt det reduserte strømbehovet, har vært medvirkende til den økte bruken av GNSS og spredningen av LAS i konstruksjoner for smarte byer. Reduksjonen i GNSS-mottakerens strømforbruk har gått fra 120 milliwatt (mW) i 2010 til 25 mW i 2020 (figur 1). GNSS-mottakerens strømbehov har faktisk gått ned raskere enn strømbehovet til de fleste andre LAS-systemkomponenter. Eldre GNSS-teknologier var strømhungrige sammenlignet med de andre systemelementene. I dag er strømbehovene til GNSS ofte kun en ensifret prosentandel av det totale strømbudsjettet.

Figur 1: GNSS-mottakerens strømforbruk har gått ned fra 120 mW i 2010 til 25 mW i 2020. (Bildekilde: u-blox)

Utfordringer relatert til strømforbruk

Selv om GNSS-mottakerens strømforbruk har gått dramatisk ned, har kompleksiteten som følger av å oppnå den optimale strøm-/ytelsesløsningen mangedoblet seg. Ikke alle LAS-konstruksjoner trenger kontinuerlige GNSS-posisjonsestimeringer eller høy posisjonsnøyaktighet. Konstruktører har ulike verktøy for å optimalisere GNSS-ytelse og -strømforbruk, som omfatter maskinvareoptimalisering og fastvarebaserte tilnærminger.

Bruken av komponenter med lavt strømforbruk, spesielt støysvake RF-forsterkere (LNA – low-noise RF amplifier), oscillatorer og sanntidsklokker (RTC – real-time clock), er det første trinnet når energieffektive GNSS-løsninger skal utvikles. Valget mellom aktive og passive antenner er et godt eksempel. Passive antenner er billigere og mer effektive, men de dekker ikke behovene til alle konstruksjoner. En aktiv antenne kan være et godt valg i urbane kløfter, på innsiden av bygninger eller andre steder med dårlig signalstyrke. LNA-en i den aktive antennen øker muligheten til å motta svake signaler betydelig, men den forbruker også store mengder strøm. Når strømforbruket er kritisk, og antennestørrelsen ikke er like viktig, kan en større passiv antenne ofte gi samme ytelse som en mindre aktiv antenne, samtidig som den gir høy posisjonstilgjengelighet og høye nivåer av nøyaktighet.

De fleste GNSS-mottakere kan levere oppdateringsfrekvenser på 10 Hertz (Hz) eller høyere, men de fleste LAS-konstruksjoner fungerer godt med mye langsommere og mindre strømkrevende oppdateringsfrekvenser. Å velge den mest optimale oppdateringshyppigheten kan ha størst innvirkning på strømforbruket. I tillegg til maskinvarebaserte faktorer, har konstruktører en rekke fastvareverktøy tilgjengelig for optimalisering av strømforbruk, for eksempel oppdateringsfrekvenser, antall GNSS-konstellasjoner som kan spores samtidig, assistert GNSS og en rekke strømsparingsmoduser (figur 2).

Figur 2: I tillegg til å bruke den mest effektive maskinvareløsningen, har konstruktører flere fastvareverktøy for å optimalisere GNSS-ytelse og -energiforbruk. (Bildekilde: u-blox)

Det kan være nødvendig å spore flere GNSS-konstellasjoner samtidig i utfordrende omgivelser. Selv om mottak av signaler ved å bruke forskjellige bånd kan sikre robust posisjonsfastsettelse, økes også strømforbruket. Det er viktig å forstå det bestemte driftsmiljøet, spesielt hvor synlig himmelen er, og bruke det minste antallet GNSS-signaler som kreves for å støtte behovene til den spesifikke LAS-konstruksjonen.

Ved å slå av GNSS-funksjonen spares mest mulig energi, men det resulterer i kaldstart hver gang den slås på. TTFF (time to first fix) for en kaldstart kan være 30 sekunder eller lengre, avhengig av tilgjengeligheten og styrken til GNSS-signalene og størrelsen og plasseringen til antennen. Assistert GNSS kan redusere TTFF og samtidig levere nøyaktig informasjon. Assistert GNSS kan implementeres på flere måter, inkludert gjeldende og forventede satellittlokasjons- og tidsparametere (kalt «efemeride-data»), almanakk og nøyaktige korreksjonsdata for tid og satellittstatus i satellittsystemer som lastes ned over Internett i sanntid eller med intervaller på opptil flere dager. Noen GNSS-mottakere har en autonom modus som beregner GNSS-baneprediksjoner internt, noe som eliminerer behovet for eksterne data og konnektivitet. Bruken av autonom modus kan imidlertid kreve at mottakeren slås på med jevne mellomrom for å laste ned oppdatert efemeride-data.

Strømsparingsmoduser

I tillegg til tilkoblingsalternativer som assistert GNSS, gjør mange GNSS-mottakere det mulig for konstruktører å velge mellom en rekke kompromisser mellom oppdateringsfrekvenser og strømforbruk, inkludert kontinuerlig sporing, syklisk sporing, av/på-drift og øyeblikksbilde av posisjonering (figur 3). Valg av optimal sporingsmodus er en annen viktig faktor når ytelsen til en bestemt konstruksjon skal defineres. Hvis driftsforholdene endres, noe som gjør den optimale strømsparingsmodusen utilgjengelig, bør systemet automatisk bytte til den neste mest energisparende modusen for å sikre kontinuerlig funksjonalitet.

Figur 3: Energisparende driftsmoduser må samsvares med påkrevde oppdateringshyppigheter for å optimalisere GNSS-systemytelsen. (Bildekilde: u-blox)

Kontinuerlig sporing er egnet for konstruksjoner som krever noen få oppdateringer per sekund. GNSS-mottakeren anskaffer posisjonen sin i denne modusen, etablerer en fast posisjon, laster ned almanakk- og efemeride-data, og bytter deretter til sporingsmodus for å redusere strømforbruket.

Syklisk sporing involverer flere sekunder mellom posisjonsoppdateringer og er nyttig når signalene og/eller antennene er tilstrekkelig store til å sikre at posisjonssignalene er tilgjengelige etter behov. Ytterligere strømbesparelser kan oppnås dersom sporing ikke krever anskaffelse av nye satellitter.

På/av-drift innebærer å bytte mellom anskaffelses-/sporingsaktiviteter og dvalemodus. Tiden i dvale er vanligvis flere minutter, og på/av-drift krever sterke GNSS-signaler for å minimere TTFF og derfor strømforbruket etter hver dvaleperiode.

Øyeblikksbilde av posisjonering sparer strøm ved å bruke GNSS-mottakeren for lokal signalbehandling kombinert med skybaserte databehandlingsressurser for den mer beregningsintensive behandlingen av posisjonsestimering. Når en Internett-tilkobling er tilgjengelig, kan øyeblikksbilde av posisjonering redusere GNSS-mottakerens strømforbruk med en faktor på ti. Denne løsningen kan være en effektiv strømsparingsstrategi når det bare er behov for noen få posisjonsoppdateringer per dag.

Integrert antenne støtter GNSS-forsterkning

Konstruktører kan bruke SAM-M8Q-patchantennemodulen fra u-blox for systemer som drar nytte av samtidig mottak av GNSS-signaler fra GPS, Galileo og GLONASS (figur 4). Bruk av tre konstellasjoner samtidig resulterer i høy posisjonsnøyaktighet i utfordrende miljøer som urbane kløfter eller når svake signaler mottas. For å øke posisjoneringshastigheten og forbedre nøyaktigheten, støtter SAM-M8Q forsterkningsfunksjoner som QZSS (quasi-zenith satellite system), GAGAN (GPS aided GEO augmented navigation) og IMES (indoor messaging system), sammen med WAAS (wide area augmentation system), EGNOS (European geostationary navigation overlay service) og MSAS (MSAT satelite augmentation system).

Figur 4: SAM-M8Q-modulen støtter samtidig mottak av opptil tre GNSS-kilder (GPS, Galileo og GLONASS). (Bildekilde: u-blox)

SAM-M8Q-modulen kan også bruke u-blox AssistNow-hjelpetjenesten som tilbyr GNSS-sendingsparametere, deriblant efemeride-data, almanakk, i tillegg til tid eller omtrentlig posisjon, for å redusere TTFF betydelig. Den utvidede gyldigheten til AssistNow Offline-data (opptil 35 dager) og AssistNow Autonomous-data (opptil 3 dager) støtter raskere TTFF, selv etter en lengre periode.

Denne Google Cloud-utviklingsplattformen for tingenes Internett (IoT ) gir en enkel måte å koble til og sikre PIC MCU-baserte konstruksjoner på. GNSS 4 Click fra MikroElektronika inneholder en SAM-M8Q-modul og er konstruert med utviklingskortet PIC® -IoT WG Development Board fra Microchip Technology som kan fremskynde utviklingen av LAS-konstruksjoner for smarte byer (figur 5). PIC-IoT WG-utviklingskortet gir Google Cloud IoT-brukere en måte å akselerere utviklingen av sikre skytilkoblede konstruksjoner på. I tillegg gir PIC-IoT WG-kortet konstruktører analyse- og maskinlæringsverktøy.

Figur 5: GNSS 4 Click-kortet bærer SAM-M8Q-patchantennemodulen fra u-blox. (Bildekilde: DigiKey)

GNSS for flere konstellasjoner pluss trådløs konnektivitet

For små LAS-enheter, for eksempel sporingsenheter som kan dra nytte av støtte for GNSS for flere konstellasjoner (GPS/Galileo/ GLONASS) og global LPWAN LTE-konnektivitet fra én enkelt modul som utnytter «Rel. 14-second generation Cat. M1/NB1/NB2», kan konstruktører velge å bruke Cinterion TX62-modulen fra Thales (Figur 6). Løsningens størrelse kan optimaliseres ytterligere ved å bruke modulens fleksible arkitektur, som har støtte for å kjøre programmer ved hjelp av en vertsprosessor eller inne i modulen ved å bruke den integrerte prosessoren. TX62 støtter strømsparingsmodusen 3GPP PSM (PSM –power saving mode) og utvidet usammenhengende mottak (eDRx) for strømsensitive konstruksjoner. PSM sine dvaletider har en tendens til å være mye lengre enn eDRX. Disse lengre hviletidene gjør at enheten kan gå inn i en dypere dvalemodus med mindre strømforbruk sammenlignet med eDRX. PSM-dvalestrømforbruket er under ti mikroampere, mens eDRX-dvalestrømforbruket er opptil 30 mikroampere.

Figur 6: TX62 IoT-modulen støtter LTE-M-, NB1- og NB2-kommunikasjon og GNSS for flere konstellasjoner. (Bildekilde: Thales)

TX62-sikkerhetsfunksjoner omfatter sikker nøkkellagring og sertifikathåndtering for å støtte tillitsfull registrering i skyplattformer samtidig som enheten og dataene beskyttes, i tillegg til pålitelige identiteter som er forhåndsintegrert i roten til TX62 under produksjonen. Når det er nødvendig, kan konstruktører spesifisere en valgfri integrert eSIM som kan forenkle logistikk- og produksjonsprosesser og forbedre fleksibiliteten ute i felten ved hjelp av dynamiske abonnementsoppdateringer og ekstern klargjøring.

LAS-utviklingen i Arduino Portenta H7-konstruksjoner forenkles ved å bruke skjoldet Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield (Figur 7). Skjoldet kombinerer kantdatabehandlingskraften til Portenta H7 med konnektiviteten til TX62 for å muliggjøre utvikling av LAS-eiendelssporing og ekstern overvåking i konstruksjoner for smarte byer, samt for industri, landbruk, flerbruk og andre bruksområder. Det grunnleggende skjoldet Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield inkluderer ikke en GSM/UMTS-antenne. I stedet for å lete etter en kompatibel antenne, kan konstruktører bruke Arduino sin topolede, vanntette pentabånd-antenne (dipole pentaband waterproof antenna).

Figur 7: Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shield inkluderer TX62-W IoT-modulen (stor gul firkant). (Bildekilde: Arduino)

Ytterligere fordeler med Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shield omfatter følgende:

• Mulighet til å endre konnektivitet uten å endre kortet
• Legge til posisjonering pluss NB-IoT, CAT.M1 til en hvilken som helst Portenta-basert konstruksjon
• Betydelig lavere krav til kommunikasjonsbåndbredde i IoT-enheter
• Kompakt format på 66 mm x 25,4 mm
• Drift i området –40 °C til +85 °C (–104 °F til 185 °F)

Sammendrag

Fremskritt innen GNSS-teknologi med lavt energiforbruk og høy ytelse, er faktorer som driver veksten i LAS-konstruksjoner for smarte byer. Det å ganske enkelt bruke den mest energieffektive maskinvaren, er imidlertid bare utgangspunktet. Det er like viktig å optimalisere fastvaren for å komme frem til en optimal og energieffektiv løsning. Det er mange kombinasjoner av maskinvare og fastvare tilgjengelig å velge mellom når GNSS-baserte LAS-konstruksjoner utvikles, og konstruktører kan bruke en rekke ulike verktøy for å fremskynde utviklingsprosessen.