GPS moduly u-blox 6 získaly nová vylepšení

Trvalé požadavky na zlepšování vlastností systémů GPS jsou velkou výzvou pro firmy specializované na vývoj a výrobu modulů pro navigaci GPS. Současný systém GPS je výsledkem nákladných vypuštění mnoha družic na oběžnou dráhu, které začaly před 30 lety. Vzhledem k tomu, že se jedná o zavedený systém, lze na straně družic očekávat pouze malá zlepšení. Zlepšení vlastností GPS tedy leží přímo na bedrech vývojářů přijímačů GPS.

Současný systém GPS má dvě základní omezení:

• Velmi slabý signál – Oběžná dráha satelitů GPS je ve výšce 20 tis. km. Než signál dorazí z družice k přijímači GPS, klesne jeho hodnota téměř na –120 dBm. Tento signál je dále degradován např. ve městech s vysokou zástavbou, s mnoha zdroji rušení a izolovat jej z okolního šumu je první velkou výzvou vývojářů.
• Nízký datový tok – Kompletní datový rámec obsahující data potřebná k navigaci má velikost 1500 bitů a vzhledem k nízkému datovému toku 50 b/s trvá jeho přenos 30 s. Aby bylo možno spočítat pozici, je nutno najít minimálně čtyři družice a získat od nich navigační zprávu.

Uvedená omezení způsobují známé zpoždění začátku navigace zvláště v případě tzv. studeného startu, běžného po delším vypnutí přijímače GPS, kdy ztratí platnost navigační data. Po zapnutí modul začne vyhledávat družice a okamžitě po jejich nalezení začne nezbytné získávání dat, které trvá minimálně 30 s, v místech s horším příjmem signálu i déle. Je zřejmé, že tato omezení kazí radost z „okamžité polohy“.

Abychom překonali uvedená omezení a získali ze systému GPS lepší výsledky, musí být vyvinuty nové technologie, které lze aplikovat na straně přijímače. Firma u-blox, jedna z několika světových firem se specializací na vývoj v oblasti GPS, se soustředila na následující požadavky:

• rychleji vyhledat signály satelitů GPS,
• rychleji získat nebo extrapolovat navigační data (efemeridy),
• snížit spotřebu,
• využít GSM ke zlepšení a doplnění nových vlastností.

Podívejme se, jak se povedla implementace těchto požadavků pokročilými softwarovými triky v novém firmwaru 7 a hardwarovými úpravami v modulech u-blox 6.

Zvýšená citlivost a přesnější navigace

V souvislosti se zvyšováním počtu funkcí a miniaturizací mobilních zařízení, jako jsou mobilní telefony a navigace GPS, rostou požadavky na zmenšování použitých antén. Výsledkem miniaturizace je extrémně malá úroveň signálu na vf vstupu modulu, jež přináší požadavek na zvyšování citlivosti přijímače GPS. Poslední změny modulů u-blox 6 řeší zvýšení citlivosti ve třech základních režimech, kterými jsou přijetí navigační zprávy, samotná navigace a obnovení navigace.

První případ nastává zejména v situacích, kdy byl modul delší dobu vypnutý bez možnosti aktualizace navigačních dat, která tak pozbyla platnost. Citlivost je v tomto případě velmi důležitá pro samotný začátek navigace, kdy přijímač musí bezchybně izolovat signály z družic a přijmout navigační zprávu. Citlivost v tomto režimu byla zlepšena o 1 dB na –148 dBm.

Po obdržení navigačních dat začne samotná navigace a přijímač musí spolehlivě sledovat satelity, aby kolísání signálu, ke kterému dochází například v místech s vysokou zástavbou, nemělo vliv na navigaci a nedošlo k jejímu přerušení. Moduly u-blox 6 mohou k navigaci použít satelity, jejichž signál dosahuje hodnot –162 dBm.

Speciálním případem je krátká ztráta signálu GPS, která je typická například pro průjezd tunelem. Navýšení citlivosti o 5 dB na –160 dBm může ušetřit cenné sekundy a rychlejším startem ulehčit kritické situace, které vznikají na křižovatkách těsně za tunelem nebo výjezdem z podzemního parkoviště.

S firmwarem 7 se do modulů u-blox vrací podpora protokolu RTCM. To umožní zvýšit přesnost navigace prostřednictvím vysílačů RTCM, které nabízí korekční data k jednotlivým satelitům GPS jejichž signál je ovlivněn atmosférickými vlivy.

Start navigace bez externího A-GPS

Systémy A-GPS umožňují dodání navigačních dat jinou cestou než přímo z družic. Běžně jde o přenos dat ze serveru poskytovatele zpravidla prostřednictvím GPRS. Tento postup může znatelně zrychlit studený start. Firma u-blox nabízí dvě verze nazvané AssistNow online a AssistNow of-line, které se liší zejména délkou platnosti navigačních dat. Obě zmíněné verze však vyžadují externí server a vzdálené připojení, které umožní přenos dat.

Obr. 1 AssistNow Autonomous

Moduly u-blox 6 přináší novou bezplatnou technologii AssistNow Autonomous (obr. 1), která nabízí funkci podobnou A-GPS, ovšem bez nutnosti získání dat na dálku ze serveru. Přijímač GPS zpracovává data přijatá z družic GPS a na jejich základě automaticky generuje přesná data, která mohou být použita pro získání navigace při pozdějších startech.

Koncept je založen na periodicitě pohybu satelitů GPS, jejichž poloha se každých 24 hodin opakuje. Na základě získaných efemeridů ve specifických časech během standardního provozu přijímače GPS a následných startů navigace v odpovídajících časových pásmech lze později po delší nečinnosti přijímače mnohem rychleji zahájit navigaci. AssistNow Autonomous spolehlivě zajistí zrychlení startu navigace po dobu 3 dnů.

Funkce je ideální v aplikacích s požadavkem na rychlý start navigace, který se opakuje každý den v určitém časovém intervalu. Typické využití najde v elektronických knihách jízd, záznamnících pozice, ale i v běžných navigacích GPS, které jsou každodenně uvedeny do provozu ve stejném časovém úseku.

Součinnost s moduly GSM u-blox

Obr. 2 Modul LISA (3,75 G HSDPA) podporuje všechny moduly GPS u-blox 6

Všechny moduly u-blox 6 jsou vybaveny rozhraním pro komunikaci s moduly GSM/GPRS LEON a moduly 3G LISA (obr. 2). Tato součinnost otevírá nové možnosti využití navigace:

• Přenos informace o poloze – spotřební elektronika může nabídnout nové služby nad rámec základní navigace, jako je výběr obsahu internetových stránek a sociálních sítí na základě polohy, lokalizace pro záchranné systémy a vyhledávání osob.
• Sledování vozového parku, průmyslové aplikace – s kombinací modulů GPS a GSM u-blox lze zjistit přesnou pozici vozidel a movitého majetku kdekoliv v dosahu sítí GSM a UMTS. To umožňuje lidem, stejně jako automatizovaným zařízením, řídit cenné zásilky a dohlížet na ně, optimalizovat přepravní řetězec a zajistit ochranu a přehled o poloze nákladných zařízení.
• Zpoplatnění silnic – v souvislosti s nárůstem provozu vozidel nabízí přesné určení a přenos polohy vozidel a ujeté vzdálenosti řešení výběru odpovídající výše poplatků. Postup lze použít i pro pojištění typu pay-as-you-go.
• Tísňové volání – Palubní počítač vozidla automaticky detekuje havárii a zahájí hovor s pohotovostní službou a současně předá přesnou polohu a další technické informace o havárii. Varianta modulu GSM LEON s implementací modemu in-band podporuje v součinnosti s moduly GPS u-blox evropský systém eCall a ruský systém ERA-GLONASS.

CellLocate

Nová funkce umožňuje určení polohy podle systému GSM. Funkce zvyšuje spolehlivost navigace a doplňuje navigaci v krytých prostorech. Ačkoliv je GPS rozšířená technologie, není všude dostupná. Zvláště se jedná o stíněné prostory, jako jsou kryté místnosti, uzavřená parkoviště nebo o případy rušení signálu GPS. Situace může být zlepšena rozšířením dat z přijímače GPS o informace o buňkách GSM, které mohu využít četné aplikace.

Obr. 3 CellLocate zjistí přibližnou polohu i v místech bez signálu GPS

U-blox prostřednictvím vlastního vývoje modulů GSM a UMTS integroval tento typ navigace, zvaný CellLocate, ve svých modulech LEON a LISA. Technologie umožňuje nezávislý odhad pozice založený na informacích o blízkých buňkách GSM v součinnosti se systémem GPS, který muže být využit v několika situacích:

• Signál GPS je nedostupný – přijímač GPS nemůže stanovit pozici v místech, kde je nedostupný signál ze satelitů, jako například tunely, uvnitř budov, v kovových kontejnerech. Ve správě vozového parku a řízení přepravního řetězce je tato situace nepřijatelná. Situaci může vyřešit systém CellLocate, který nabídne odhad pozice. To je výhodné v aplikacích, jako je sledování vozidel nebo kontejnerů, které upřednostňují alespoň přibližnou polohu než žádnou. Tento systém je funkční ve skladech, nádražích, na letištích, v tunelech a na dalších místech s dostupným signálem GSM.
• Signál GPS je rušený – rušičky signálu GPS jsou snadno dostupné. Tato zařízení, která mohou odstavit přijímač GPS, jsou často využívána při krádežích vozidel. Záložní systém GSM v takovém případě pomůže, protože signál GSM může zůstat stále dostupný. Informace o rušení GPS může rozšířit funkcionalitu o informaci, že je přítomno rušení a systém je ohrožen.
• Aplikace M2M – mnoho aplikací M2M vyžaduje informaci o pozici v rámci určité oblasti, jako je město, podél železniční trati, blízkost hlavního vozidla nebo místo konání akcí (výstavy, zdravotní aktivity apod.) Spolehlivost navigace lze v těchto případech posílit prostřednictvím sítě GSM. Na základě rozšíření Assist- Now Online, které u-blox nabízí, je využita služba CellLocate, která sestaví informace o poloze buněk systému GSM spárované s dříve získanými polohami při úspěšné navigaci. Toto „samoučící se“ řešení může být praktické v aplikacích, ve kterých jsou jednotky opakovaně využívány v určitých oblastech, jako je taxi služba nebo přeprava kontejnerů a palet mezi sklady. V těchto případech se rychle vygeneruje databáze potřebných buněk a služba spolehlivě nabídne současnou pozici.

V uvedených případech můžeme těžit z kombinace modulů GSM a GPS, která nabídne ucelenější výsledky než samostatná technologie GPS.

Nižší spotřeba

Optimalizovaný úsporný režim vybavený automatickým řízením spotřeby redukuje spotřebu ve srovnání s předchozí generací o 35 %. Režim automaticky vypíná a zapíná vf a řídicí obvody v závislosti na jejich potřebě. To umožňuje dosáhnout výborného poměru spotřeba – výkon, který současné aplikace vyžadují.

Úsporný režim lze účinně aplikovat už při frekvenci navigace 1 Hz, kdy spotřeba dosahuje hodnot 12 mA při 3,0 V nebo 1,8 V.

Detekce rušení

Bonus v novém firmware je věnován rozšiřující se nabídce levných rušiček GPS. Detekce rušení rozpozná jeho přítomnost a zvyšuje tak úroveň zabezpečení například v případech krádeží vozidel nebo při sledování majetku. Schopnost přijímače GPS u-blox 6 rozpoznat, zda je přítomno rušení a oznámit to mikrokontroléru, může zvýšit navigačním systémům užitnou hodnotu. Na základě oznámení lze aktivovat alarm, popřípadě zprávu o závadě nebo spustit zálohu, jako například lokalizaci prostřednictvím funkce CellLocate.

Firma u-blox již s téměř 15letou tradicí určuje trend vývoje technologií pro navigaci. Jako první nabídla modul GPS pro plošnou montáž a v současnosti nabízí nejmenší modul GPS. Započala trend zvyšování citlivosti, soustřeďuje se na spolehlivost navigace a dalším krokem byla diferenciace přijímacích kanálů, která vedla k optimalizaci spotřeby, startu a citlivosti navigace. Výrobce zaznamenal značný úspěch vstupem na trh v zaběhnuté technologii GSM, kterému pomohly výborná spolupráce s vývojáři firmy Neonseven, návrh založený na ověřené architektuře, dobrá interoperabilita s dalšími komponenty, zejména s moduly GPS, a v neposlední řadě výborná technická podpora, na kterou jsou zákazníci u-blox zvyklí již při vývoji s dosavadními technologiemi společně s výhodnou cenovou nabídkou. Výrobky u-blox nacházejí využití zejména v automobilových aplikacích, jako je zabezpečení a sledování vozidel a v průmyslu jako časové normály a pro sběr a zpracování dat.