Съвременни компоненти за глобално позициониране GNSS - част I

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 9/2021 • 06.01.2022

Съвременни компоненти за глобално позициониране GNSS - част I

Димитър Колев

 

Най-известната глобална навигационна система (Global Positioning System – GPS), първоначално наречена Navstar GPS, е спътниково базирана радионавигационна система – проект, стартиран от министерството на отбраната на САЩ през 1973 г. Първият прототипен спътник е изстрелян през 1978 г., а пълната конфигурация от 24 спътника започва да работи през 1993 г.

До неотдавна единствена алтернатива, днес тя е една от няколкото действащи и бъдещи глобални навигационни системи (Global Navigation Satellite Systems – GNSS), които осигуряват прецизна геолокация и времева информация за наземни или намиращи се близко до земната повърхност обекти, имащи пряка видимост до 4 или повече сателита от системата. Нови проекти на NASA и други космически агенции разработват използването на GNSS дори за спътникова навигация, както и за навигация около и на Луната.

Точността на основните параметри, осигурявани от GPS системата – местоположение, скорост и време, може да бъде ограничавана. И въпреки че това ограничение (SA – Selective availability или Dilution of Precision, DOP) e перманентно отменено през 2000 г., фактически то може и се въвежда по всяко време и на всяко място от оператора на системата. Това е фактор за разработката и пускането в действие и от други страни на собствени системи – BeiDou – Китай, Galileo – Европейски съюз, ГЛОНАСС – Русия, NavIC – Индия и QZSS – Япония (Табл. 1). Тук ще разглеждаме GNSS компоненти, които работят с публичните (некодирани и с по-малка точност) GNSS канали.

За подобряване на времето на стартиране на GPS модулите се използват АGNSS (Assisted GNSS) системи – като данни и изчисления от предишна работа, или при наличност на интернет достъп – чрез извличане на нужната информация от безплатни сървъри, осигурени от производителя. Така времето за стартиране се съкращава до 30 пъти, достигайки до една или няколко секунди.

 

За допълнително подобряване на точността се използват сателитно базирани системи (Satellite Based Augmentation Systems – SBAS) и земно базирани като RTK (Real time kinematic positioning) и DGPS (Differential GPS). SBAS системите подобряват точността чрез локални корекции (йоносферни, времеви и за орбитата), изправност на системата (бърза детекция и индикация на грешки), наличност на системата (ако сигнал за разстояние се излъчва от съответния SBAS спътник). Много важно за точността на подобни системи е използването на антени с голяма площ/висока чувствителност, както и осигуряването на максимална видимост към сателитите.

В практиката RTK системите обикновенно работят с една или няколко статични и с точно определено местоположение базови станции (RTK basestation) и една или няколко мобилни, разположени върху движещите се обекти (RTK rover). Базовата станция излъчва към мобилните информация за местопoложението си и съоветната изчислена грешка, а мобилните станции сравняват приетото и собственото си локално измерване. Това помага за коригиране на различни грешки – атмосферни и други, при приемането на GNSS сигнала и осигурява точност до няколко сантиметра или дори по-малко (Фиг. 1).

Приложенията на RTK са предимно в геодезия, проучване на водоизточници, следене и управление на безпилотни транспортни средства по суша, въздух и вода. Недостатъци на RTK системата са сравнително малкият обхват (10 – 20 km), необходимостта от отделен радиоканал (обикновено ISM 433 MHz, УКВ) за работа в реално време, забавяне при изчисленията (което може да трае от няколко секунди до няколко минути), проблемно функциониране в градски условия (при временна загуба на GNSS сигнала изчисленията на грешката трябва да започнат отначало). Съвременните RTK системи използват множество RTK станции и GSM мрежата, за да увеличат обхвата, без да се налага рестартиране на измерването (NRTK – 0Network RTK).

Друга подобна по-стара система е DGPS (Differential GPS), която работи с мрежа от допълнителни базови станции, които също са разположени на места с точно измерено местоположение. Базовата станция изчислява разликите между вече установената си позиция и приетата/изчислена такава от GNSS спътниците, след което препредава коригираща информация на мобилните приемници. Използват се честоти в 300-килохерцовия обхват (ДВ). Обикновено обхватът на подобна мрежа е 200 морски мили (370 km), като грешките при приемане се увеличават при увеличаване на дистанцията между базовата станция и приемниците и стават максимални, когато двата приемника ”не виждат” едни и същи спътници. Работеща DGPS система осигурява точност на измерването от няколко десетки сантиметра на 100 km. Приложенията на DGPS са в корабоплаването, селското стопанство, отбраната и др.

Всеки GNSS модул всъщност е радиоприемник и като такъв се състои от няколко основни функционални блока – приемна антена (външна, активна отдалечена или монтирана върху платката – вградена), малошумящ усилвател (LNA), режекторен филтър (SAW), аналогова част (RF front end) и процесор/контролер за обработка на приетата информация и евентуална връзка с външен контролер (Фиг. 2). Модулите се захранват от батерия и/или външно захранване, както могат да имат и малка батерия за поддържане на памет и часовник за реално време. Има и модули с разширени възможности като две антени и два обработващи модула, възможност за вградени или интерфейс към външни инерционни и други сензори. Допълнителна информация за GNSS системите може да бъде намерена в интернет страниците на съответните оператори, както и в специализираната техническа литература. Обикновено всеки производител предлага и свой външен софтуер за демонстрация, наблюдение, записване, както и за контрол, настройки и обновяване на системния софтуер, когато това е възможно (Фиг. 3).

 

GNSS интегрални схеми и модули – типове и основни характеристики

Съществуват както самостоятелни GNSS, така и комбинирани комуникационни модули GNSS/GSM/LTE/WiFi/BT. Предимствата на отделните GNSS модули са по-ниска цена, по-голяма гъвкавост и свобода за проектиране, както и възможна по-висока чувствителност. Комбинираните модули пък пестят развойно време и място на печатната платка при разработка на комплексни радиосистеми, например мобилни телефони. В тази статия, се разглеждат само специализираните/самостоятелни GNSS – интегрални схеми, SOC – System on chip (Табл. 2), GNSS модули (Табл. 3) и антени.

Типични представители на GNSS модулите са произвежданите от Quectel двубандови, мултисистемни модули LC29H/LC79H (Фиг. 4) Те могат конкурентно дa следят L1 и L5 сигнали на GPS, BeiDou, Galileo и QZSS, както и на ГЛОНАСС чрез L1. За разлика от GNSS модулите, които използват само L1, LC29H може да следи повече видими сателити, като по-този начин ограничава евентуалните проблеми в сложна градска среда (високи сгради, мостове и т.н.), намалява времето до първа валидна позиция и подобрява точността на позициониране. Модулът е снабден с интегрирани малошумящи усилватели и режекторни филтри. Чувствителността при следене е 165 dBm, а работният температурен диапазон е от -40 до +85°C. Модулите имат защита против заглушаване (Anti jamming) и AGNSS. Граничните параметри на измерването са по височина 10 km, скорост 500 m/s, претоварване 4g. Поддържат се протоколи NME0183, PAIR, PQTM, UART 9600-921600 bps а честотата на обновяване на позицията е 1 – 10 Hz. Други поддържани интерфейси са USB, I2C, SPI. Работното напрежение е 3,1 – 3,6 V при максимална консумация 44 mA.

ZED модулите на ublox, реализират мултибандов GNSS с висока точност, DR и време. Характерен представител е ZED-F9P с размери 17x22x2,4 mm. Поддържа до 4 конкурентни системи едновременно – GPS+QZSS/SBAS, ГЛОНАСС, BeiDou. Интерфейсите включват двоен UART, USB, SPI и DDC (I2C съвместим). Модулът разполага с програмируема флаш памет, автоматичен запис (лог), както и изход за фазата на носещатата честота. Възможни са режими на работа RTK rover и RTK basestation.

Поддържа Anti-jamming и AGNSS и има чувствителност при следене 167 dBm. Работното напрежение е 2,7 – 3,6 V с типична консумация 68 mA, като е предвидена възможност за резервиращо захранване 1,65 – 3,6 V.

На Фиг. 5 e показана блоковата схема на произвеждания от STMicroelectronics TESEO-VIC3D/A с интегриран 6-осен инерционен датчик (3-осен акселерометър и 3-осен жироскоп) ASM330LHH. Няколко от модулите на други производители използват същата GNSS интегрална схема в техните платформи. На Фиг. 6 са показани два модула на Telit – SL869-V3, базиран на Teseo-III, и Telit SL-868, базиран на SirfStarV5.

Статията продължава в следващия брой
на сп. Инженеринг ревю



ЕКСКЛУЗИВНО

Top