如何使用 GNSS 模块创建具有位置感知能力的智慧城市解决方案
作者：Jeff Shepard
在智慧城市中，位置感知服务 (LAS) 正在部署到各个领域，包括政府服务、运输、交通管理、能源、医疗保健、水和废弃物处理，以创造更加安全、更加可持续以及连接更密切的城市。这些应用往往需要了解附近设备之间的距离。欧洲的 Galileo、美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS 和中国的北斗导航卫星系统都能提供全球导航服务。在 LAS 应用中，对使用多星座全球导航卫星系统 (GNSS) 接收器的定位功能的需求日益增长。使用多星座 GNSS 接收器的优势在于：更好地提供定位、导航和定时 (PNT) 信号，提高准确性、完整性并改善稳健性。但是，开发多星座接收器是一项复杂且耗时的活动。
本文首先回顾使用多星座 GNSS 接收器的系统设计有哪些重要考虑因素，然后介绍 u-blox、Microchip Technology、MikroElektronika、Thales 和 Arduino 的 GNSS 平台和开发环境，利用这些平台和开发环境可以高效经济地开发出具有位置感知能力的智慧城市应用。
GNSS 技术的改进，尤其是功耗需求降低，对 GNSS 的使用增加和 LAS 在智慧城市应用中的扩散起到了重要作用。GNSS 接收器的功耗已经从 2010 年的 120 mW 下降到 2020 年的 25 mW（图 1）。事实上，GNSS 接收器的功耗需求下降的速度快于大多数其他 LAS 系统组件的功耗需求下降的速度。与其他系统元件相比，早期 GNSS 技术非常耗电。如今，GNSS 功耗需求占总功耗预算的百分比只有个位数。
图 1：GNSS 接收器的功耗已经从 2010 年的 120 mW 下降到 2020 年的 25 mW。（图片来源：u-blox）
功耗挑战
虽然 GNSS 接收器的功耗已大幅下降，但获得最优功耗/性能解决方案的复杂性却成倍增加。不是每个 LAS 设计都需要连续的 GNSS 位置估算或高定位精度。设计人员有各种工具来优化 GNSS 性能和功耗，包括硬件优化和基于固件的方法。
使用低功耗元器件，特别是低噪声射频放大器 (LNA)、振荡器和实时时钟 (RTC)，是开发节能型 GNSS 解决方案的第一步。选择有源天线还是无源天线，就是一个很好的例子。无源天线成本较低、效率较高，但不能满足每个应用的需求。在城市街谷、建筑物内部或其他信号强度差的地方，有源天线可能是一个不错的选择。有源天线中的 LNA 可大大提高接收微弱信号的能力，但也会消耗大量功率。当功耗很关键，而天线尺寸又不那么重要时，较大的无源天线在性能方面常常与较小的有源天线相同，同时还能提供很高的定位能力和精度水平。
大多数 GNSS 接收器更新率可达 10 Hz 或更高，但大多数 LAS 应用在慢得多而耗电少的更新率下工作良好。选择最优更新率可以获得最大的省电效果。除了基于硬件的考虑之外，设计人员在优化功耗时还有很多固件工具可用，包括更新率、同时跟踪的 GNSS 星座数量、辅助 GNSS 以及各种省电模式（图 2）。
图 2：除了使用最有效的硬件解决方案外，设计人员还有一些固件工具来优化 GNSS 性能和能耗。（图片来源：u-blox）
在具有挑战性的环境中，可能有必要同时跟踪多个 GNSS 星座。虽然使用多种频带段接收信号可以确保定位稳健，但也会增加功耗。重要的是要了解具体工作环境，特别是天空视野的开阔程度，并使用所需的最少数量的 GNSS 信号来支持特定 LAS 应用的需求。
关闭 GNSS 功能最为省电，但这会导致每次打开都需要冷启动。冷启动的首次定位时间 (TTFF) 可能是 30 秒或更长时间，具体取决于 GNSS 信号的可用性和强度，以及天线的尺寸和位置。辅助 GNSS 可以缩短首次定位时间，同时还能提供准确的信息。辅助 GNSS 可以通过多种方式实现，例如：当前和预测的卫星位置和时序参数（称为“星历数据”）、历书，以及通过互联网实时或间隔几天下载的卫星系统的准确时间和卫星状态校正数据。有些 GNSS 接收器具有自主模式，在内部计算 GNSS 轨道预测结果，而无需外部数据和连接。然而，使用自主模式可能需要定期打开接收器以下载当前星历数据。
省电模式
除了辅助 GNSS 等连接选项外，许多 GNSS 接收器还支持设计人员在多番权衡更新率和功耗之后做出选择，包括连续跟踪、循环跟踪、开/关操作和快照定位（图 3）。界定具体应用的性能时，选择最优跟踪模式是另一个重要的考虑因素。如果工作条件发生变化，使得最优省电模式无法使用，那么系统应当自动切换到次优节能模式，以确保持续运行。
图 3：节能工作模式需要与所需的更新率相匹配，以优化 GNSS 系统性能。（图片来源：u-blox）
连续跟踪适合于每秒需要更新几次的应用。在这种模式下，GNSS 接收器获取其位置、建立定位、下载历书和星历数据，然后切换到跟踪模式以减少功耗。
循环跟踪的两次位置更新间隔需要几秒钟；如果信号和/或天线足够大，能确保必要时可获取定位信号，则这种模式很有用。如果跟踪不需要获取新的卫星，则还能节省更多电力。
开/关操作需要在采集/跟踪活动与休眠模式之间进行切换。休眠时间通常为几分钟，而开/关操作需要很强的 GNSS 信号以尽量缩短首次定位时间，因此每个睡眠周期之后的功耗也很大。
快照定位的省电方式是：使用 GNSS 接收器进行本地信号处理，而更消耗算力的位置估算处理则交由云计算资源进行。当有互联网连接时，快照定位可将 GNSS 接收器的功耗降低 10 倍。若每天仅需要几次位置更新，这种解决方案是一种有效的省电策略。
嵌入式天线支持 GNSS 增强功能
对于可以同时接收 GPS、Galileo 和 GLONASS GNSS 信号的系统，设计人员可以使用 u-blox 的 SAM-M8Q 贴片天线模块（图 4）。在城市街谷等具有挑战性的环境中，或当接收微弱信号时，同时使用三个星座可获得很高的定位精度。为了加速定位和提高精度，SAM-M8Q 支持增强功能，包括准天顶卫星系统 (QZSS)、GPS 辅助 GEO 增强导航 (GAGAN) 和室内消息系统 (IMES)，以及广域增强系统 (WAAS)、欧洲地球静止轨道导航重叠服务 (EGNOS) 和 MTSAT 卫星增强系统 (MSAS)。
图 4：SAM-M8Q 模块支持同时接收多达三个 GNSS 源（GPS、Galileo、GLONASS）。（图片来源：u-blox）
SAM-M8Q 模块还能使用 u-blox 的 AssistNow 协助服务来提供 GNSS 广播参数，包括星历数据、历书以及时间或粗略位置，从而大大缩短首次定位时间。AssistNow 离线数据（长达 35 天）和 AssistNow 自主数据（长达 3 天）的长有效期支持更快的首次定位，即使在长时间之后也有作用。
该物联网 (IoT) Google Cloud 开发平台是一种连接和保护基于 PIC MCU 的应用的简单方法。MikroElektronika 的 GNSS 4 click 包含 SAM-M8Q 模块，并利用 Microchip Technology 的 PIC®-IoT WG 开发板进行设计，以加快 LAS 智慧城市应用的开发（图 5）。PIC-IoT WG 开发板可为 Google Cloud IoT 用户加快安全云连接应用的开发。此外，PIC-IoT WG 板为设计人员提供了分析和机器学习工具。
图 5：GNSS 4 click 板搭载 u-blox 的 SAM-M8Q 贴片天线模块。（图片来源：Digi-Key）
多星座 GNSS 加无线连接
对于可以从多星座 GNSS 支持 (GPS/Galileo/GLONASS) 和全球 LPWAN LTE 连接（从单个模块，利用 Rel.14 第二代 Cat.M1/NB1/NB2）获益的小型 LAS 设备（如跟踪器），设计人员可以借助 Thales 的 Cinterion TX62 模块（图6）。该模块具有一个灵活的架构，支持利用主机处理器运行应用，或利用集成处理器在模块内部运行应用，因此解决方案尺寸可以进一步优化。TX62 支持 3GPP 省电模式 (PSM) 和扩展不连续接收 (eDRx)，适用于对功耗敏感的应用。PSM 的休眠时间往往比 eDRX 长很多。更长的休眠时间使设备可以进入比 eDRX 更深度、功耗更低的休眠模式。PSM 的休眠功耗低于 10 μA，而 eDRX 的休眠功耗高达 30 μA。
图 6：TX62 物联网模块支持 LTE-M、NB1、NB2 通信和多星座 GNSS。（图片来源: Thales）
TX62 的安全功能包括安全密钥存储和证书处理，以支持云平台的可信注册，同时保护设备和数据，另外还有在制造期间预先集成到 TX62 根的可信身份。需要时，设计人员可以指定可选的集成 eSIM，以简化物流和制造过程，并通过动态订阅更新和远程配置提高其在现场的灵活性。
使用Portenta Cat.LAS，简化了ArduinoPortenta H7应用的开发。M1/NB IoT GNSS盾牌 （图7）。该盾板将 Portenta H7 的边缘计算能力与 TX62 的连接能力结合起来，以便支持智慧城市应用以及工业、农业、公共事业和其他领域中的 LAS 资产跟踪和远程监控的开发。基本型 Portenta Cat.M1/NB IoT GNSS 盾板不包括 GSM/UMTS 天线。设计人员可以使用 Arduino 偶极五频防水天线，而不用寻找兼容天线。
图 7：Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS 盾板包括 TX62-W 物联网模块（较大黄色方块所示）。（图片来源：Arduino）
Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS 盾板的其他优势包括：
· 能够在不改变电路板的情况下改变连接
· 为任何基于 Portenta 的设计增加定位能力和 NB-IoT、CAT.M1
· 显著降低物联网设备的通信带宽需求
· 外形紧凑：66 mm x 25.4 mm
· 工作温度范围：-40°C 至 +85°C（-104°F 至 185°F）
总结
低功耗、高性能 GNSS 技术的进步是推动 LAS 智慧城市应用增长的因素。然而，使用能效最高的硬件只是起点，优化固件以达成最优节能解决方案同样重要。开发基于 GNSS 的 LAS 应用时，有许多硬件和固件的组合可供选择，设计人员可以借助各种评估工具来加速开发过程。
