Hoe GNSS-modules gebruiken om locatiebewuste oplossingen voor slimme steden te creëren

Locatiebewuste diensten (LAS) in slimme steden worden op verschillende gebieden ingezet, waaronder overheidsdiensten, vervoer, verkeersbeheer, energie, gezondheidszorg, en water en afval, en zorgen voor veiligere, duurzamere en beter verbonden steden. Bij deze toepassingen is het vaak nodig inzicht te hebben in de afstanden tussen apparaten in de buurt. In LAS-toepassingen neemt de vraag toe naar positiebepaling met behulp van GNSS-ontvangers (Global Navigation Satellite System) met meerdere constellaties voor het Europese Galileo, het Amerikaanse GPS, het Russische GLONASS en het Chinese BeiDou navigatiesatellietsysteem. De voordelen van het gebruik van GNSS-ontvangers met meerdere constellaties zijn onder meer: betere beschikbaarheid van de positie-, navigatie- en tijdsbepalingssignalen (PNT), grotere nauwkeurigheid en integriteit, en verbeterde robuustheid. Maar het ontwikkelen van multi-constellatie-ontvangers is een complexe en tijdrovende bezigheid.

Dit artikel geeft een overzicht van belangrijke systeemontwerpoverwegingen bij het gebruik van multi-constellatie GNSS-ontvangers voordat GNSS-platforms en ontwikkelomgevingen van u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales en Arduino worden gepresenteerd voor de efficiënte en kosteneffectieve ontwikkeling van locatiebewuste smart city-toepassingen.

Verbeteringen in de GNSS-technologie, met name lagere energievereisten, hebben bijgedragen tot het toegenomen gebruik van GNSS en de proliferatie van LAS in toepassingen voor slimme steden. Het stroomverbruik van GNSS-ontvangers is gedaald van 120 milliWatt (mW) in 2010 tot 25 mW in 2020 (Afbeelding 1). Het vermogen van GNSS-ontvangers is zelfs sneller afgenomen dan het vermogen van de meeste andere componenten van het LAS-systeem. Oudere GNSS-technologieën waren energieverslindend in vergelijking met de andere systeemelementen. Tegenwoordig bedraagt het benodigde GNSS-vermogen vaak slechts een ééncijferig percentage van het totale stroombudget.

Afbeelding 1: Het vermogenverbruik van GNSS-ontvangers is gedaald van 120 mW in 2010 tot 25 mW in 2020. (Bron afbeelding: u-blox)

Uitdagingen inzake vermogenverbruik

Terwijl het vermogenverbruik van GNSS-ontvangers drastisch is gedaald, is de complexiteit van het vinden van de optimale vermogen/prestatie-oplossing verveelvoudigd. Niet elk LAS-ontwerp vereist continue GNSS-positieramingen of een hoge mate van positienauwkeurigheid. Ontwerpers beschikken over diverse instrumenten om de GNSS-prestaties en het vermogenverbruik te optimaliseren, waaronder hardware-optimalisering en op firmware gebaseerde benaderingen.

Het gebruik van componenten met laag stroomverbruik, met name RF-versterkers (LNA's) met lage ruis, oscillatoren en real-time klokken (RTC's), is de eerste stap in de ontwikkeling van energie-efficiënte GNSS-oplossingen. De keuze tussen actieve en passieve antennes is een goed voorbeeld. Passieve antennes zijn goedkoper en efficiënter, maar voldoen niet aan de behoeften van elke toepassing. Een actieve antenne kan een goede keuze zijn in stedelijke ravijnen, binnen gebouwen, of op andere plaatsen met een zwakke signaalsterkte. De LNA in de actieve antenne verhoogt het vermogen om zwakke signalen te ontvangen aanzienlijk, maar verbruikt ook aanzienlijke hoeveelheden stroom. Wanneer het stroomverbruik kritisch is en de grootte van de antenne niet zo belangrijk, kan een grotere passieve antenne vaak dezelfde prestaties leveren als een kleinere actieve antenne en toch een hoge beschikbaarheid en nauwkeurigheid van de positie bieden.

De meeste GNSS-ontvangers kunnen een updatefrequentie van 10 Hertz (Hz) of hoger leveren, maar de meeste LAS-toepassingen werken goed met veel tragere en minder energieverslindende updatefrequenties. De keuze van de optimale updatefrequentie kan het grootste effect hebben op het stroomverbruik. Naast de overwegingen met betrekking tot de hardware beschikken ontwerpers over een reeks firmwaremiddelen om het stroomverbruik te optimaliseren, onder meer wat betreft de updatefrequentie, het aantal gelijktijdig gevolgde GNSS-constellaties, ondersteunde GNSS en een verscheidenheid aan energiebesparende modi (figuur 2).

Afbeelding 2: Naast het gebruik van de meest efficiënte hardwareoplossing beschikken ontwerpers over diverse firmwaretools om de GNSS-prestaties en het energieverbruik te optimaliseren. (Bron afbeelding: u-blox)

Het kan nodig zijn om in moeilijke omgevingen meerdere GNSS-constellaties tegelijk te volgen. Hoewel de ontvangst van signalen via verschillende banden voor een robuuste positiebepaling kan zorgen, neemt hierdoor ook het stroomverbruik toe. Het is belangrijk de specifieke gebruiksomgeving te begrijpen, met name hoe open het zicht op de hemel is, en het minimumaantal GNSS-signalen te gebruiken dat nodig is om te voldoen aan de behoeften van de specifieke LAS-toepassing.

Het uitschakelen van de GNSS-functie bespaart de meeste energie, maar resulteert in een koude start telkens als hij wordt ingeschakeld. De tijd tot de eerste fix (TTFF) voor een koude start kan 30 seconden bedragen, of langer, afhankelijk van de beschikbaarheid en sterkte van de GNSS-signalen en de grootte en plaatsing van de antenne. Ondersteunde GNSS kan de TTFF verminderen en toch nauwkeurige informatie leveren. Ondersteunde GNSS kan op verschillende manieren worden geïmplementeerd, onder meer door de huidige en voorspelde locatie- en tijdparameters van de satellieten (de zogenaamde "efemeridegegevens"), almanak, en nauwkeurige tijd- en satellietstatuscorrectiegegevens voor de satellietsystemen die in realtime of met tussenpozen van maximaal enkele dagen via internet worden gedownload. Sommige GNSS-ontvangers hebben een autonome modus die intern GNSS-baanvoorspellingen berekent, zodat geen externe gegevens en connectiviteit nodig zijn. Het gebruik van de autonome modus kan echter vereisen dat de ontvanger periodiek wordt ingeschakeld om de actuele efemeridegegevens te downloaden.

Energiebesparende modi

Naast connectiviteitsopties zoals ondersteund GNSS kunnen ontwerpers bij veel GNSS-ontvangers kiezen uit een reeks compromissen tussen updatefrequentie en energieverbruik, waaronder continu volgen, cyclisch volgen, aan/uit-werking en snapshot-positionering (Afbeelding 3). De keuze van de optimale volgmodus is een andere belangrijke overweging bij het bepalen van de prestaties van een specifieke toepassing. Als de bedrijfsomstandigheden veranderen, waardoor de optimale energiebesparende modus niet beschikbaar is, moet het systeem automatisch overschakelen op de volgende meest energiebesparende modus om een continue werking te garanderen.

Afbeelding 3: Energiebesparende bedrijfsmodi moeten worden afgestemd op de vereiste updatefrequenties om de prestaties van het GNSS-systeem te optimaliseren. (Bron afbeelding: u-blox)

Continu volgen is geschikt voor toepassingen die een paar updates per seconde vereisen. De GNSS-ontvanger verwerft zijn positie in deze modus, stelt een positiebepaling in, downloadt almanak- en efemeridegegevens, en schakelt dan over op de volgmodus om het stroomverbruik te verminderen.

Cyclisch volgen houdt in dat er enkele seconden verstrijken tussen de positie-updates en is nuttig wanneer de signalen en/of de antennes voldoende groot zijn om ervoor te zorgen dat de positiesignalen toegankelijk zijn wanneer dat nodig is. Extra energie kan worden bespaard indien voor het volgen geen nieuwe satellieten hoeven te worden verworven.

De aan/uit-werking houdt in dat wordt geschakeld tussen acquisitie/tracing-activiteiten en slaapstand. De slaapperiode duurt meestal enkele minuten en de aan/uit-werking vereist sterke GNSS-signalen om de TTFF en dus het stroomverbruik na elke slaapperiode tot een minimum te beperken.

Snapshot-positionering bespaart energie door gebruik te maken van de GNSS-ontvanger voor lokale signaalverwerking in combinatie met cloud computing-bronnen voor de meer rekenintensieve verwerking van positie-inschattingen. Wanneer een internetverbinding beschikbaar is, kan snapshotpositionering het stroomverbruik van de GNSS-ontvanger met een factor tien verminderen. Deze oplossing kan een effectieve energiebesparende strategie zijn wanneer slechts een paar positie-updates per dag nodig zijn.

Ingebouwde antenne ondersteunt GNSS augmentatie

Ontwerpers kunnen een beroep doen op de SAM-M8Q patchantennemodule van u-blox voor systemen die baat hebben bij de gelijktijdige ontvangst van GPS-, Galileo- en GLONASS GNSS-signalen (Afbeelding 4). Het gebruik van drie constellaties tegelijk resulteert in een hoge positienauwkeurigheid in uitdagende omgevingen, zoals stedelijke ravijnen of wanneer zwakke signalen worden ontvangen. Om de positiebepaling te versnellen en de nauwkeurigheid te verbeteren, ondersteunt de SAM-M8Q augmentatiefuncties, waaronder een quasi-zenitussatellietsysteem (QZSS), GPS-aided GEO augmented navigation (GAGAN), en een indoor messaging system (IMES), samen met een wide area augmentation system (WAAS), de European geostationary navigation overlay service (EGNOS), en het MTSAT satellite augmentation system (MSAS).

Afbeelding 4: De SAM-M8Q-module ondersteunt gelijktijdige ontvangst van maximaal drie GNSS-bronnen (GPS, Galileo, GLONASS). (Bron afbeelding: u-blox)

De SAM-M8Q-module kan ook gebruik maken van de u-blox AssistNow-assistentiedienst die GNSS broadcast parameters levert, inclusief ephemeris data, almanak, plus tijd of ruwe positie, om de TTFF aanzienlijk te verminderen. De verlengde geldigheid van AssistNow Offline-gegevens (tot 35 dagen) en AssistNow Autonomous-gegevens (tot 3 dagen) ondersteunt een snellere TTFF, zelfs na langere tijd.

Dit internet of things (IoT) Google Cloud-ontwikkelingsplatform biedt een eenvoudige manier om PIC MCU-gebaseerde toepassingen aan te sluiten en te beveiligen. GNSS 4 click van MikroElektronika bevat een SAM-M8Q-module en is ontworpen met de PIC®-IoT WG Development Board van Microchip Technology om de ontwikkeling van LAS slimme steden-toepassingen te versnellen (Afbeelding 5). Het PIC-IoT WG -ntwikkelbord biedt Google Cloud IoT gebruikers een manier om de ontwikkeling van veilige cloud-connected applicaties te versnellen. Bovendien biedt het PIC-IoT WG board ontwerpers tools voor analyse en machinaal leren.

Afbeelding 5: De GNSS 4 click board is voorzien van de SAM-M8Q patch antennemodule van u-blox. (Bron afbeelding: DigiKey)

GNSS met meerdere constellaties plus draadloze connectiviteit

Voor kleine LAS-apparaten zoals trackers die kunnen profiteren van GNSS-ondersteuning met meerdere constellaties (GPS/Galileo/ GLONASS) en wereldwijde LPWAN LTE-connectiviteit vanuit één enkele module die gebruik maakt van Rel. 14-seconden generatie Cat. M1/NB1/NB2, kunnen ontwerpers een beroep doen op de Cinterion TX62-module van Thales (Afbeelding 6). De omvang van de oplossing kan verder worden geoptimaliseerd door gebruik te maken van de flexibele architectuur van de module, die het mogelijk maakt toepassingen uit te voeren met behulp van een hostprocessor of in de module met behulp van de geïntegreerde processor. De TX62 ondersteunt 3GPP energiebesparende modus (PSM) en uitgebreide discontinue ontvangst (eDRx) voor energiegevoelige toepassingen. PSM-slaaptijden zijn over het algemeen veel langer dan eDRX. Deze langere slaaptijden stellen het apparaat in staat om in een diepere slaapstand met lager energieverbruik te gaan dan eDRX. Het slaapvermogen van PSM is minder dan tien microampère, terwijl het slaapvermogen van eDRX tot 30 microampère kan oplopen.

Afbeelding 6: De TX62 IoT-module ondersteunt LTE-M-, NB1- en NB2-communicatie en GNSS met meerdere constellaties. (Bron afbeelding: Thales)

De beveiligingsfuncties van de TX62 omvatten een veilige opslag van sleutels en verwerking van certificaten om een betrouwbare registratie in cloudplatforms te ondersteunen en tegelijkertijd het apparaat en de gegevens te beschermen, plus vertrouwde identiteiten die tijdens de fabricage in de wortel van de TX62 zijn geïntegreerd. Indien nodig kunnen ontwerpers een optionele geïntegreerde eSIM specificeren die logistieke en productieprocessen kan vereenvoudigen en de flexibiliteit in het veld kan verbeteren door dynamische abonnementsupdates en provisioning op afstand.

LAS ontwikkeling in Arduino Portenta H7 toepassingen wordt vereenvoudigd met behulp van de Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS-schild (Afbeelding 7). Het schild combineert de edge computing kracht van de Portenta H7 met de connectiviteit van de TX62 om de ontwikkeling van LAS asset tracking en bewaking op afstand mogelijk te maken in slimme steden-toepassingen en in de industrie, landbouw, nutssector en andere gebieden. De basis Portenta Cat. Het M1/NB IoT GNSS-schild bevat geen GSM/UMTS-antenne. In plaats van te zoeken naar een compatibele antenne, kunnen ontwerpers de Arduino dipool pentaband waterdichte antenne gebruiken.

Afbeelding 7: De Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS-schild bevat de TX62-W IoT-module (groot geel vierkant). (Bron afbeelding: Arduino)

Bijkomende voordelen van de Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS-schild omvatten:

• Mogelijkheid om connectiviteit te veranderen zonder het bord te veranderen
• Voeg positionering plus NB-IoT, CAT toe.M1 elk op Portenta gebaseerd ontwerp
• Aanzienlijk lagere eisen voor communicatiebandbreedte in IoT-apparaten
• Compact formaat 66 mm x 25,4 mm
• Bedrijf van -40 °C tot +85 °C (-104 °F tot 185 °F)

Samenvatting

Vooruitgang op het gebied van GNSS-technologie met laag vermogen en hoge prestaties zijn factoren die de groei van LAS slimme steden-toepassingen stimuleren. Het gebruik van de meest energie-efficiënte hardware is echter slechts het beginpunt; het is even belangrijk de firmware te optimaliseren om tot een optimale en energie-efficiënte oplossing te komen. Er zijn talrijke combinaties van hardware en firmware beschikbaar om uit te kiezen bij de ontwikkeling van op GNSS gebaseerde LAS-toepassingen en ontwerpers kunnen een beroep doen op diverse eval-tools om het ontwikkelingsproces te versnellen.