Miten GNSS-moduuleja käytetään paikkamukautuvien älykaupunkiratkaisujen luomiseen?

Älykaupungeissa käytetään paikkamukautuvia palveluja (LAS, Location-Aware Service) monenlaisiin tarkoituksiin, mukaan lukien julkiset palvelut, liikenne, liikenteenhallinta, energia, terveydenhuolto sekä vesi- ja jätehuolto sekä turvallisempien, kestävämpien ja paremmin verkottuneiden kaupunkien luominen. Näissä sovelluksissa on usein tarpeen ymmärtää lähellä olevien laitteiden väliset etäisyydet. Useita satelliittijärjestelmiä käyttävän GNSS (Global Navigation Satellite System) -paikannuksen kysyntä kasvaa LAS-sovelluksissa. Näissä käytetään Euroopan Galileo-, Yhdysvaltojen GPS-, Venäjän GLONASS- ja Kiinan BeiDou-navigointisatelliittijärjestelmiä. Useita satelliittijärjestelmiä käyttävien GNSS-vastaanottimien käytön etuja ovat muun muassa sijainti-, navigointi- ja ajoitussignaalien (PNT-signaalien) parempi saatavuus, suurempi tarkkuus ja eheys sekä parempi kestävyys. Useita satelliittijärjestelmiä käyttävien vastaanottimien kehittäminen on kuitenkin kompleksista ja aikaa vievää.

Tässä artikkelissa tarkastellaan tärkeitä useita satelliittijärjestelmiä käyttävien GNSS-vastaanottimien järjestelmäsuunnitteluun liittyviä näkökohtia. Sen jälkeen siinä esitellään valmistajien u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales ja Arduino GNSS-alustoja ja kehitysympäristöjä, jotka mahdollistavat paikkamukautuvien älykaupunkisovellusten tehokkaan ja kustannustehokkaan kehittämisen.

GNSS-teknologian parannukset, erityisesti pienentynyt tehontarve, ovat vaikuttaneet merkittävästi GNSS-teknologian käytön lisääntymiseen ja LAS-teknologian yleistymiseen älykaupunkisovelluksissa. GNSS-vastaanottimen tehonkulutus on laskenut 120 milliwatista (mW) vuonna 2010 25 milliwattiin vuonna 2020 (kuva 1). Itse asiassa GNSS-vastaanottimen tehontarve on laskenut nopeammin kuin useimpien muiden LAS-järjestelmän komponenttien tehontarve. Vanhemmat GNSS-tekniikat vaativat järjestelmän muihin elementteihin verrattuna paljon virtaa. Nykyään GNSS:n tehontarve on usein vain yksinumeroinen prosenttiosuus koko tehobudjetista.

Kuva 1: GNSS-vastaanottimen tehonkulutus on laskenut 120 milliwatista (mW) vuonna 2010 25 milliwattiin vuonna 2020. (Kuvan lähde: u-blox)

Virrankulutuksen haasteet

Vaikka GNSS-vastaanottimen virrankulutus onkin laskenut dramaattisesti, optimaalisen teho/suorituskyky -ratkaisun löytämisen kompleksisuus on moninkertaistunut. Kaikki LAS-ratkaisut eivät tarvitse jatkuvaa GNSS-paikannusarvioita tai korkeaa paikannustarkkuutta. Suunnittelijoilla on käytössään erilaisia työkaluja GNSS-suorituskyvyn ja virrankulutuksen optimoimiseksi, mukaan lukien laitteiston optimointi ja laiteohjelmistopohjaiset lähestymistavat.

Energiatehokkaiden GNSS-ratkaisujen kehittämisen ensimmäinen askel on vähävirtaisten komponenttien, erityisesti vähäkohinaisten RF-vahvistimien (LNA), oskillaattorien ja reaaliaikakellojen (RTC) käyttö. Aktiivisten ja passiivisten antennien välinen valinta on hyvä esimerkki. Passiiviset antennit ovat edullisempia ja tehokkaampia, mutta ne eivät täytä kaikkien sovellusten tarpeita. Aktiivinen antenni voi olla hyvä valinta kaupunkikanjonissa, rakennusten sisällä tai muissa paikoissa, joissa signaalin voimakkuus on heikko. Aktiiviantennin LNA parantaa merkittävästi laitteen kykyä vastaanottaa heikkoja signaaleja, mutta kuluttaa myös huomattavan paljon virtaa. Kun virrankulutus on kriittistä ja antennin koko ei ole tärkeä, kookas passiivinen antenni voi usein tarjota saman suorituskyvyn kuin pienempi aktiivinen antenni, mutta silti mahdollistaa sijaintitietojen korkean saatavuuden ja korkean tarkkuuden.

Useimmat GNSS-vastaanottimet pystyvät tarjoamaan vähintään 10 hertsin (Hz) päivitysnopeuden, mutta useimmat LAS-sovellukset käyttävät paljon hitaampaa ja vähemmän virtaa kuluttavaa päivitysnopeutta. Optimaalisen päivitysnopeuden valinnalla voi olla suurin vaikutus virrankulutukseen. Laitteistopohjaisten näkökohtien lisäksi suunnittelijoilla on käytettävissään useita laiteohjelmistoon kuuluvia työkaluja virrankulutuksen optimoimiseksi, mukaan lukien päivitysnopeus, samanaikaisesti seurattavien GNSS-satelliittijärjestelmien määrä, avustettu GNSS ja erilaiset virransäästötilat (kuva 2).

Kuva 2: Tehokkaimman laitteistoratkaisun käyttämisen lisäksi suunnittelijoilla on käytössään useita laiteohjelmistoon kuuluvia työkaluja GNSS-suorituskyvyn ja energiankulutuksen optimoimiseksi. (Kuvan lähde: u-blox)

Haastavissa ympäristöissä voi olla tarpeen seurata samanaikaisesti useita GNSS-satelliittijärjestelmiä. Vaikka signaalien vastaanottaminen useilla taajuuskaistoilla voi parantaa sijainninmääritystä, se myös lisää virrankulutusta. On tärkeää ymmärtää ympäristö, jossa laitetta käytetään, erityisesti se, kuinka avoin näkymä taivaalle on. Näin voidaan käyttää mahdollisimman vähän GNSS-signaaleja halutun LAS-sovelluksen tarpeiden täyttämiseksi.

GNSS-toiminnon kytkeminen pois päältä säästää eniten energiaa, mutta aiheuttaa kylmäkäynnistyksen aina, kun se kytketään päälle. Kylmäkäynnistyksen TTFF-aika (Time To First Fix) voi olla 30 sekuntia tai enemmän GNSS-signaalien saatavuudesta ja voimakkuudesta sekä antennin koosta ja sijoituksesta riippuen. Avustettu GNSS voi vähentää TTFF-aikaa ja antaa silti tarkkoja tietoja. Avustettu GNSS voidaan toteuttaa useilla eri tavoilla, mukaan lukien nykyiset ja ennustetut satelliittipaikannus- ja ajoitusparametrit (joita kutsutaan "efemeriditiedoiksi"), almanakka sekä satelliittijärjestelmien tarkat aika- ja satelliittitilan korjaustiedot, jotka ladataan internetin kautta reaaliaikaisesti tai jopa useiden päivien välein. Joissakin GNSS-vastaanottimissa on autonominen tila, joka laskee sisäisesti GNSS-radan ennakoidut arvot, jolloin ulkoisia tietoja ja yhteyksiä ei tarvita. Autonomisen tilan käyttäminen voi kuitenkin vaatia, että vastaanotin kytketään ajoittain päälle päivitettyjen efemeriditietojen lataamista varten.

Virransäästötilat

Avustetun GNSS:n kaltaisten liitettävyysvaihtoehtojen lisäksi monet GNSS-vastaanottimet antavat suunnittelijoille mahdollisuuden valita mm. haluttu kompromissi päivitysnopeuden ja virrankulutuksen välisiä, esimerkkeinä jatkuva seuranta, syklinen seuranta, on/off-toiminta ja hetkittäinen paikannus (kuva 3). Optimaalisen seurantatilan valinta on toinen tärkeä näkökohta määriteltäessä suorituskykyä halutulle sovellukselle. Jos käyttöolosuhteet muuttuvat niin, ettei optimaalista virransäästötilaa voida käyttää, järjestelmän pitäisi siirtyä automaattisesti seuraavaksi parhaaseen energiansäästötilaan jatkuvan toiminnan varmistamiseksi.

Kuva 3: Energiansäästötilat on valittava vaadittujen päivitysnopeuksien mukaan GNSS-järjestelmän suorituskyvyn optimoimiseksi. (Kuvan lähde: u-blox)

Jatkuva seuranta sopii sovelluksiin, joissa vaaditaan useita päivityksiä per sekunti. GNSS-vastaanotin hakee sijaintidatan tässä tilassa, määrittää sijainnin korjaukset, lataa almanakkatiedot ja efemeridatiedot ja siirtyy sitten seurantatilaan virrankulutuksen vähentämiseksi.

Syklisessä seurannassa sijaintipäivitysten välillä on useita sekunteja. Tätä voidaan käyttää silloin, kun signaalit ja/tai antennit ovat riittävän suuria ja mahdollistavat sen, että sijaintisignaalit saadaan aina tarvittaessa. Tehosäästöjä lisää myös se, jos uusia satelliitteja ei tarvitse seurata.

On/off-toiminnassa vaihdetaan tilaa haku/seurantatoiminnan ja lepotilan välillä. Aika lepotilassa on tyypillisesti useita minuutteja. On/off-toiminta edellyttää voimakasta GNSS-signaalia TTFF-ajan minimoimiseksi ja siten myös virrankulutuksen minimoimiseksi kunkin lepojakson jälkeen.

Hetkittäinen paikannus säästää virtaa käyttämällä GNSS-vastaanotinta paikalliseen signaalinkäsittelyyn ja pilvipalveluresursseja laskentaintensiivisempään sijaintiarvion laskemiseen. Kun käytettävissä on internet-yhteys, hetkittäinen paikannus voi laskea GNSS-vastaanottimen virrankulutuksen kymmenesosaan. Tämä ratkaisu voi olla tehokas virransäästöstrategia, kun sijaintia on päivitettävä ainoastaan muutama kerta päivässä.

Sulautettu antenni tukee GNSS-lisäystä

Suunnittelijat voivat käyttää u-bloxin litteää SAM-M8Q-antennimoduulia järjestelmissä, joissa halutaan ottaa samanaikaisesti vastaan GPS-, Galileo- ja GLONASS GNSS-signaaleja (kuva 4). Käyttämällä samanaikaisesti kolmea satelliittijärjestelmää saavutetaan korkea paikannustarkkuus haastavissa ympäristöissä, kuten kaupunkien kanjoneissa tai vastaanotettaessa heikkoja signaaleja. Paikannuksen nopeuttamiseksi ja tarkkuuden parantamiseksi SAM-M8Q tukee myös sellaisia lisäfunktioita kuten QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), GAGAN (GPS Aided GEO Augmented Navigation) ja IMES (Indoor Messaging System) sekä WAAS (Wide Area Augmentation System), EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) ja MSAS (MTSAT Satellite Augmentation System).

Kuva 4: SAM-M8Q-moduuli tukee samanaikaista vastaanottoa jopa kolmesta GNSS-lähteestä (GPS, Galileo, GLONASS). (Kuvan lähde: u-blox)

SAM-M8Q-moduuli voi myös käyttää u-blox AssistNow -lisäpalvelua, joka tarjoaa sellaiset GNSS-lähetysparametrit kuten efemeridatiedot, almanakka sekä aika tai karkea sijainti. Tämä voi lyhentää TTFF-aikaa merkittävästi. AssistNow Offline -tietojen pidennetty voimassaoloaika (jopa 35 päivää) ja AssistNow Autonomous -tietojen pidennetty voimassaoloaika (jopa 3 päivää) lyhentää TTFF-aikaa myös pidennetyn ajan kuluttua.

Tämä esineiden internetin (IoT) Google Cloud -kehitysalusta tarjoaa yksinkertaisen tavan yhdistää ja suojata PIC MCU -pohjaisia sovelluksia. MikroElektronika GNSS 4 click käyttää SAM-M8Q-moduulia ja Microchip Technologyn PIC®-IoT WG -kehitysalustaa. Laitetta voidaan käyttää nopeuttamaan LAS-älykaupunkisovellusten kehittämistä (kuva 5). PIC-IoT WG -kehitysalusta tarjoaa Google Cloud IoT -käyttäjille mahdollisuuden nopeuttaa turvallisten pilviyhteyttä käyttävien sovellusten kehittämistä. Lisäksi PIC-IoT WG -alusta tarjoaa suunnittelijoille analytiikka- ja koneoppimistyökalut.

Kuva 5: GNSS 4 click -kortti käyttää u-bloxin litteää SAM-M8Q-antennimoduulia. (Kuvan lähde: DigiKey)

Usean satelliittijärjestelmän GNSS plus langattomat yhteydet

Sellaisten pienten LAS-laitteiden kuten seurantalaitteiden, joissa halutaan käyttää usean satelliittijärjestelmän GNSS-tukea (GPS/Galileo/GLONASS) sekä globaaleja LPWAN LTE -yhteyksiä yksittäisessä moduulissa (Rel. 14 toisen sukupolven Cat. M1/NB1/NB2), suunnittelijat voivat käyttää Thalesin Cinterion TX62 -moduulia (kuva 6). Ratkaisun kokoa voidaan optimoida edelleen hyödyntämällä moduulin joustavaa arkkitehtuuria, joka tukee sovellusten suorittamista isäntäprosessorissa tai moduuliin integroidussa prosessorissa. TX62 tukee 3GPP-virransäästötilaa (PSM) sekä eDRx (extended Discontinuous Reception) -toimintoa. Näitä voidaan käyttää sovelluksissa, joissa virrankulutus on kriittistä. PSM-lepoajat tapaavat olla paljon pidemmät kuin eDRX-lepoajat. Nämä pidemmät lepoajat mahdollistavat, että laite siirtyy syvempään lepotilaan kuin eDRX-tilaa käytettäessä. PSM-lepovirta on alle kymmenen mikroampeeria, kun eDRX-lepovirta on jopa 30 mikroampeeria.

Kuva 6: TX62 IoT-moduuli tukee LTE-M-, NB1- ja Nb2-yhteyksiä sekä usean satelliittijärjestelmän GNSS-yhteyksiä. (Kuvan lähde: Thales)

TX62-piirin tietoturvaominaisuuksiin kuuluu turvallinen avainten tallennus ja varmenteiden käsittely, jotka tukevat luotettavaa rekisteröintiä pilvialustoille ja suojaavat samalla laitetta ja tietoja. Laite tarjoaa myös luotettavat identiteetit, jotka on integroitu valmiiksi TX62:n juureen valmistuksen aikana. Suunnittelijat voivat tarvittaessa myös valita laitteeseen integroidun eSIM-ominaisuuden, joka yksinkertaistaa logistiikka- ja valmistusprosesseja sekä parantaa joustavuutta kentällä dynaamisten tilauspäivitysten ja etäkäytön avulla.

LAS-kehitystä Arduino Portenta H7 -sovelluksissa voidaan yksinkertaistaa käyttämällä Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield -lisäkorttia (kuva 7). Lisäkortti yhdistää Portenta H7 -piirin reunalaskentatehon ja TX62-piirin yhteydet sekä mahdollistaa LAS-omaisuudenseurantasovellusten ja älykaupungin etäseurantasovellusten kehittämisen. Sitä voidaan käyttää myös teollisuudessa, maataloudessa, veden ja sähkönjakelussa sekä muilla alueilla. Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS-lisäkortin perusmalli ei sisällä GSM/UMTS-antennia. Yhteensopivan antennin hakemisen sijaan suunnittelijat voivat käyttää viisikaistaista ja vedenpitävää Arduino dipoliantennia.

Kuva 7: Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS-lisäkortti sisältää TX62-W IoT -moduulin (suuri keltainen neliö). (Kuvan lähde: Arduino)

Muita Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS-lisäkortin etuja ovat:

• Yhteyttä voidaan vaihtaa korttia vaihtamatta
• Lisää paikannus plus NB-IoT, CAT.M1 haluamaasi Portenta-pohjaiseen tuotteeseen
• Merkittävästi alhaisemmat kommunikoinnin kaistanleveysvaatimukset IoT-laitteissa
• Kompakti koko 66 mm x 25,4 mm
• Käyttölämpötila -40 °C ... +85 °C

Yhteenveto

GNSS-teknologian edistysaskeleet virrankulutuksen laskemisessa ja suorituskyvyn kasvattamisessa edistävät LAS-älykaupunkisovellusten kasvua. Energiatehokkaimman laitteiston käyttäminen on kuitenkin vain alkuaskel; yhtä tärkeää on optimoida laiteohjelmisto optimaalisen ja energiatehokkaan ratkaisun aikaansaamiseksi. GNSS-pohjaisia LAS-sovelluksia kehitettäessä voidaan käyttää lukuisia erilaisia laitteisto- ja laiteohjelmistoyhdistelmiä, ja suunnittelijat voivat käyttää erilaisia arviointityökaluja kehitysprosessin nopeuttamiseksi.