Съвременни компоненти за глобално позициониране GNSS - част II

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1/2022 • 01.03.2022

Съвременни компоненти за глобално позициониране GNSS - част II

Димитър Колев


В първата част на статията, публикувана в бр. 9/2021 на сп. Инженеринг ревю, бяха представени базовите принципи и технологии на глобалните навигационни системи (GNSS). Разгледани бяха и някои съвременни GNSS компоненти – интегрални схеми и модули. Тук продължаваме с основните фактори при избора на елементна база (ИС, модули и периферия) за реализация на GNSS устройства.

 

Избор на интегрални схеми и модули

При конструиране на GNSS устройства изборът най-често е между LGA модул с висока степен на интеграция (наричан още SoC – System on Chip) и модул за SMD или стандартен монтаж върху печатна платка. Модулите могат да изискват включване на външна антена или да са интегрирани с вътрешна (он-борд) антена. Използването на LGA модул изисква повече време, умения и опит при проектиране на печатната платка, разполагане на антената или конектор за нея.

При конструиране с модул за външна антена обикновено броят на периферните компоненти е минимален и процесът отнема по-малко време, но отново трябва да се отдели подходящо внимание на печатната платка и антенния интерфейс, като изключим случая на модули с интегриран конектор (MCX, IPEX или подобен). При конструиране на модул с печатна антена, инженерните усилия са най-малки, но отново трябва да се спазват правила за подходящо и достатъчно отдалечено разполагане спрямо други радиочестотни компоненти (GSM, WiFi, BT), както и да се осигури линейно или добре филтрирано импулсно захранване.

Всеки производител предлага кратки описания на основните параметри за ИС и модули, които могат да бъдат стартова точка за сравнение. На следващ етап много полезни са хардуерните описания, примерните приложения и детайлните инструкции относно важните точки и параметри, които трябва да се съблюдават при конструиране. При възникнали въпроси производителите обикновено предлагат възможност за безплатна и платена техническа поддръжка, както и тестване и съгласуване на антенните модули.

 

Критерии при избор на модул

Достъпност и цена. Това звучи нетрадиционно като първи критерий, но 2021 година ни доказа колко крехка може да бъде системата за производство и доставка на електронни компоненти. GNSS компонентите, основни и периферни ИС се оказаха в същата сложна ситуация, както и останалата част от индустрията. Освен ако не конструирате нещо много специфично или клиентът държи на конкретен производител/модел, в случай че не можете да получите модулите навреме, на цената на която искате (или с поносима разлика) и в количеството нужно за проекта – всички други параметри са без значение и могат да бъдат предмет на обсъждане и инженерен компромис.

Тип модул и за какво ни трябва. Например модул със стандартна или висока точност, модул само с времеви изход, модул с възможност да използва RTK или да бъде RTK базова станция. Освен това модулите могат да са с фиксирана памет (ROM), с възможност за обновяване и добавяне на собствен код (FLASH). Модулите могат да бъдат автономни или да работят с външен контролер. Разбира се, важни са и типът и броят на интерфейсите, които ще се използват за комуникация и управление – UART, SPI, I2C. Ако модулът ще действа самостоятелно, е важно да има възможност за цифрови и аналогови вход/изходи с общо предназначение (GPIO, ADC/DAC и др.). Друг важен параметър е дали се изисква външна антена (например за стационарно, автомобилно, самолетно или корабно приложение) или вградена такава (за портативен тракер, мобилен телефон и т.н.).

Брой канали. Независимо колко и какви спътници са видими в момента, модулът, който използвате, сканира само ограничен набор от радиочестоти/канали и от това зависи времето, за което ще стигнете до първата валидна позиция. Тъй като модулът обикновено “не знае” кои точно спътници са видими в момента, колкото по-бързо и повече честоти може да сканира за минимално време, толкова по-бързо ще може да стигне до валидна позиция/местоположение. След като това се случи, ще продължат да се сканират само определени канали/модули и да се предават на следващите (при движение), докато останалите ще бъдат изключени, за да се пести енергия и да се намали консумацията. Ако нямате нищо против да чакате малко за валидна позиция, 12 – 14 канала ще са напълно достатъчни за добро проследяване.

Точност и бързодействие. Възможностите за допълнително увеличаване на точността са чрез вече споменатите спътниково базирани системи (SBAS) и наземно базирани такива (RTK, DGPS). Съществуват и начини за намаляване на времето за стартиране и достигане до валидно местоположение чрез AGNSS – посредством информация, която се съхранява резервирана с допълнителна батерия или най-често чрез интернет свързаност. Времето, нужно за стартиране, времето до първо валидно местоположение и бързината на обновяване на местоположението зависят от конкретното приложение. Фиксирани и пешеходни/туристически приложения няма да изискват обновяване повече от един път в секунда (1 Hz), докато автомобилни, самолетни или корабни приложения имат причини да изискват 10 – 20 Hz, когато има възможност за това. Тук, разбира се, изключваме военните приложения за управляеми муниции и ракети.

Електрически и физически параметри. Електрическите включват захранващо напрежение, консумация, захранване на външна антена, а физическите – размер, тегло, работен температурен обхват, устойчивост на вибрации, защита от влага и прах. Една примерна консумация за цифрова част е около 30 mA на 3,3 V, но не трябва да се забравя, че обикновено има достатъчно аналогови елементи и цифрови елементи, сензори и допълнителна периферия, които изискват повече енергия и могат да повишат значително крайната консумация.

 

Избор на антена и други GNSS периферни компоненти

Първият елемент в приемната верига е антената и правилният й избор помага за добрата работа на GNSS. Приемната антена може да бъде външна или вградена, активна или пасивна.

Външните активни антени могат да се разполагат на метри разстояние от приемния модул, за да им се осигури добра видимост и чувствителност. Те трябва да са добре защитени от климатични влияния, обикновено постоянно фиксирани или с подходящо магнитно закрепване.

Вградените антени са относително малки и пестят място, компоненти (външни филтри, LNA, захранване). Модерните GNSS модули, които поддържат две и повече честоти, могат да имат един единичен, два или повече мултиплексирани антенни входа, което дава възможност за използване на повече работни честоти. Възможно е и използване на няколко паралелни GNSS приемника.

Външните антени обикновено са фиксирани (върху сгради, коли, плавателни съдове, самолети и т.н.) и са с по-голяма чувствителност, като общото правило е, че колкото по-голяма е антената, толкова по-добра чувствителност има. Тъй като предаваните GNSS сигнали са с RHCP (Right Hand Circular Polarization) поляризация, приемните антени трябва също да бъдат с такава поляризация, Външните антени могат да бъдат само за GNSS, но често са комбинирани за GNSS/GSM/WiFi/BT/FM/DAB и други – с което трябва да бъдем внимателни, за да поддържаме нивото на шум между отделните системи минимално.

Вградените (он-борд) антени обикновено са керамични с RHCP поляризация, керамични линейни, метални линейни, гъвкави и специализирани/комбинирани.
Антените с RCHP поляризация печелят с по-високата си чувствителност (3 dB), но имат по-тясна диаграма на насоченост и трябва да бъдат по-добре ориентирани към “чисто” небе за по-добра видимост към спътници. Линейните антени имат по-широка диаграма на приемане и съответно са подходящи за вграждане в портативни устройства, които постоянно сменят положението си в пространството и съответно променят позицията на антената спрямо небето.

Керамичните “patch” антени с RCHP поляризация и ОЕМ GNSS модулите с тях са най-често предпочитани за мобилни и портативни устройства. Усилването и ефективността при тях са относително ниски, тъй като размерите им са малки, но те все пак са достатъчни за стабилна работа на милиони устройства от този клас.

Типичните им размери са между 10 и 35 mm. На Фиг. 1a е показана подобна керамична антена. Съгласуването и донастройката й се извършва чрез промяна на размера на металното/заземяващо поле под нея, реализирано на печатната платка. Позицията на антената спрямо центъра на заземяването също има значение.

Керамичните антени като тези могат да се монтират класически (THT) и чрез повърхностен монтаж (SMT).
Важен момент при планирането и проектирането на печатните платки с GNSS антени е фактът, че всички елементи, които се намират близко до антената, могат да променят нейната ефективност. Затова общо правило е да не се разполагат никакви елементи на по-малко от 5 mm от антената. Същото се отнася и за стените на кутията около нея.

Аналогични “patch” антени се използват и във външните активни антени, но в този случай обикновено те са изолирани от други близки източници на шум, разположени са върху много по-голяма метална повърхност и разполагат с много по-добра видимост, което води до максимално усилване и чувствителност.
Другият тип най-често използвани GNSS антени са керамичните “chip” линейни антени (Фиг. 1б). Трябва да отбележим техните по-малки физически размери, по-ниското усилване (линейно, не RHCP), както и по-широката честотна лента. Характерно е и изискването за голямо заземяващо поле под тях, което намалява използваемата площ на печатните платки, върху които се монтират. Както винаги, изборът между различните типове антени е инженерен и ценови компромис между начални изисквания, налично физическо пространство и практическо изпълнение и ефективност.

Други специфични елементи за изграждане на една GNSS система са малошумящи усилватели (LNA), ИС за захранване на външни антени, съгласуващи блокове, режекторни филтри (SAW), други филтри по захранващата и радио част, RTC (real time clock) ИС, различни видове антенни конектори. Някои от тези елементи са представени в Таблица 1.

 

Обработка на грешки и прецизно местоположение

Новите приложения в промишлеността, логистиката и други области изискват все по-кратко време за реакция и все-по висока точност и това е възможно днес. В Таблица 2 са представени разликите между съществуващите техники за корекция днес: Observation Space Representation (OSR) – наблюдава грешката от кода и носещата честота за съответната локация (RTK и Precise Point Positioning (SBAS), и следващата генерация State Space Representation (SSR) – модели за изчисляване на грешката от кода и носещата честота във всяка възможна локация.

 

 

Бъдещо развитие на GNSS системите

Ако се върнем към 2010 г., ще установим, че GNSS системата беше само една (GPS), мобилният достъп до интернет и данни не беше толкова евтин, а и самите GNSS модули и периферията бяха по-скъпи (Табл. 3). Днес, в началото на 2022 г. GNSS системите са вече 5, със съответните действащи спътникови и наземни системи за корекция. GNSS модулите са с много по-висока степен на интеграция и много по-евтини (независимо от проблемите с доставките през последната година), мобилният достъп до данни е малко или повече достъпен за всеки и навсякъде. Следващите стъпки са свързани с използването на G5 мрежата за допълнително увеличаване на точността в GNSS приложения както в сгради, така и между тях, в открити пространства, във въздуха, водата и космоса.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top