Jak na precizní geolokaci v autech a reálném čase

Netrvalo to ani mnoho let a lidská společnost se stala závislou na systémech GNSS (global navigation satellite system).

V autě nám pomohou nalézt různé trasy, díky telefonu se rychle zorientujeme i při procházkách neznámým městem a dalších aplikací – těch je opravdu nepočítaně. Satelitní data spojená s polohou tvoří také nedílnou součást sledovacích či logistických systémů a umožňují též autonomní nebo alespoň částečně nezávislý pohyb zemědělských či průmyslových vozidel a robotů.

První navigace jsme uvnitř automobilů zaznamenali někdy v osmdesátých letech, ale byl to teprve květen 2000, kdy USA přestaly uplatňovat „selektivní dostupnost“, která záměrně snižovala přesnost systému GPS (Global Positioning System) pro civilní využití [1]. Díky přesnosti, která se doslova ze dne na den zvýšila až desetinásobně, došlo konečně k rozmachu takových systémů.

A naše závislost na satelitní navigaci neustále roste. V blízké budoucnosti se např. očekává všeobecné rozšíření autonomních vozidel, nicméně konkrétní načasování nám zůstává stále zahaleno. Aby však s vysokou mírou přesnosti rozpoznaly svou polohu, směr pohybu a také rychlost, neobejdou se bez systémů GNSS. Plně samořiditelné vozy se sice stále nachází ve fázi prototypů, ale precizní informace o poloze budou vyžadovat i současné asistenční funkce spojené např. se změnou jízdního pruhu.

Co se však stane, když automobil vjede do dlouhého tunelu, vícepatrového parkovacího domu nebo jen takového „městského kaňonu“ mezi vysokými budovami? Bez přímého výhledu na satelity ztrácí autonomní vozy přesnou geolokaci, kterou ke své činnosti potřebují.

Satelitní navigace, to není jen tak

Abychom lépe porozuměli překážkám, se kterými musí satelitní navigace bojovat, řekněme si nejprve pár slov k tomu, jak vše funguje. Přijímač systému GNSS, např. v autech nebo chytrém telefonu, v podstatě zachytává signály ze satelitů GNSS, jako je i 31 družic GPS kroužících ve výšce okolo 20 200 km. Mezi další základní systémy patří ruský GLONASS, čínský BeiDou a také Galileo (EU).  

Satelity GPS nesou mimořádně přesné atomové hodiny a budou nepřetržitě vysílat signál s aktuálně platným časem. Přijímač pak dokáže u přenosu porovnat časové razítko se skutečným časem v okamžiku příjmu a spočítat svou vzdálenost od satelitu (když byl signál odeslán).

Na základě porovnání signálů ze čtyř nebo i více družic nyní dokáže přijímač určit svou polohu s přesností cca na 7 metrů (95 % času, [2]). Taková míra přesnosti se již ale neobejde bez složitých výpočtů zohledňujících i další faktory, jako je např. vliv počasí na přenosovou trasu.

Jak jsme již ale zmínili, satelitní signály může blokovat vše, co se jim postaví přímo do cesty – vysoké budovy, mosty, tunely či poschoďové parkovací domy. Takové komplikace se však pravděpodobně často vyskytnou právě ve chvíli, kdy bude zapotřebí aktuální, přesná informace o poloze – při opuštění parkovacího domu nebo např. tunelu.

Další problém v hustě zastavěných oblastech představuje vícecestný příjem. Signály GNSS se odráží od budov a přijímač tak obdrží i nepřímé signály, což nakonec společně s klesající přesností zapříčiní jejich bědnou integritu. Signály lze rovněž rušit či podvrhnout. Rušení zde spojujeme s vnějším zdrojem, který v kmitočtovém pásmu GNSS způsobuje interference, takže přijímač ztrácí informaci o poloze. Ve druhém případě zase hovoříme o záměrném vysílání falešných signálů GNSS s cílem narušit příjem a oklamat uživatele vysláním nepravdivé informace. Zmíněné postupy byly původně vyvinuty pro vojenské účely, nicméně v současné době je mohou používat i někteří členové veřejných nebo zločinných organizací za účelem narušení dané služby. Docela slabé signály GNSS pomůže zesílit externí anténa s přijímačem, ovšem u mnoha vozidel se toho přednostně nevyužívá.

Základní potíž spočívá v tom, že systémy satelitní navigace spoléhají na data ze systému GNSS, která ale nemají zaručeno, že budou pokaždé k dispozici, zvláště když dojde k nějakému přerušení. Pro člověka za volantem to bude mrzuté, v případě autonomních vozů již ale hovoříme doslova o pohromě.

Jak tedy lze dosáhnout přesné navigace v reálném čase a zvítězit nad omezeními systémů založených na GNSS? Odpovědí je navigace výpočtem (tzv. „dead reckoning“), která mezery v GNSS vyplňuje s využitím informací z čidel pohybu a také otáčejících se kol.

Základy navigace výpočtem

Navigace výpočtem patří k metodám, které fungují po stovky let, kdy již např. lodě používaly ke stanovení svého směru kompas, ale i další postupy, jak sledovat uraženou vzdálenost. Může to sice vypadat zastarale, nicméně jde o metodu, se kterou dokážeme zvýšit přesnost většiny moderních systémů GNSS.

Navigační systém potřebuje pro tyto účely znát akceleraci a rychlost, které lze dále skloubit s daty z GNSS a stanovit přitom přesnější polohu, resp. pokračovat v mapování posunu vozidla od jeho posledně známé pozice zjištěné systémem GNSS.

Řešení pro navigaci výpočtem v takovém případě používají gyroskopy a akcelerometry, typicky v rámci bloku IMU (inertial measurement unit). Systém UDR (untethered dead reckoning) bude závislý na zmíněných inerciálních datech, zatímco ADR (automotive dead reckoning) přidává informace ze snímačů kol sledujících jejich otáčení, takže lze spočítat ujetou vzdálenost i rychlost.

Moderní vozy již budou data spojená s otáčením kol zřejmě používat k dalším účelům, jako je třeba elektronické řízení stability. Navigačnímu systému pak obvykle jen stačí, když si takovou informaci na sběrnici CAN přečte.

Abychom to uzavřeli, ADR bude podle všeho přesnější, hlavně tehdy, když údaje z GNSS vypadnou po dobu jedné nebo i více minut [3]. Na druhou stranu se však jedná o nákladnější řešení, než je tomu v případě UDR, takže bude zapotřebí vše posoudit případ od případu.

Kombinace GNSS a navigace výpočtem

Když jsme si tedy představili základní koncepty, pojďme se nyní podrobněji věnovat UDR, ADR a také některým komerčně dostupným řešením.

Jako příklad modulu UDR si uveďme NEO-M8U na obr. 1 od u-blox. Zajišťuje zde nepřetržitou navigaci, aniž by přitom od vozidla vyžadoval informaci o rychlosti, takže je samostatný, a tudíž i nezávislý na jakémkoli elektrickém spojení s autem, tedy vyjma napájení.

Obr. 1 NEO-M8U od u-blox (zdroj: Mouser Electronics)

Modul NEO-M8U vychází z přijímače GNSS poslední generace od u-blox a nabízí vysokou citlivost nebo i rychlé získávání satelitního signálu, včetně souvisejícího sledování. Z pohledu konstelací přichází v úvahu signály GNSS ze systémů Galileo, GPS, GLONASS a BeiDou.

K zajištění funkcí UDR zde bude modul v rámci jediného pouzdra integrovat senzory, 3D akcelerometr a gyroskop. Využívá rovněž inteligentních algoritmů, se kterými skloubí data z IMU s informacemi z GNSS, takže lze získat údaje o poloze společně s rychlostí aktualizace v reálném čase na úrovni až 30 Hz. Za účelem flexibilního připojení a také jednoduché integrace lze u modulu počítat s rozhraním UART, USB, DDC (v souladu s I²C) či SPI.

Stejně jako GNSS a navigaci výpočtem bude modul dále podporovat i tzv. systémy SBAS (satellite-based augmentation system). SBAS zde doplňuje informace z GPS o dodatečná rozšiřující data, která lze na straně přijímače GNSS použít ke zlepšení přesnosti a také dosažitelnosti. Jako příklad si uveďme regionální systém QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) pokrývající Japonsko či Austrálii.

Pokud jde o schopnosti ADR, nejnovějším modulem u-blox se stává NEO-M9V na obr. 2, který je k dispozici v rámci vývojové sady EVK-M9DR pro účely GNSS a navigace výpočtem od stejného výrobce. Modul přitom nabízí jak UDR, tak i ADR a pro vývojáře je tudíž zárukou ještě větší flexibility, protože mohou v jednodušších případech zvolit UDR, resp. ADR, to když pro změnu ocení vyšší přesnost, včetně sofistikovaných funkcí.

Obr. 2 Blokový diagram NEO-M9V (zdroj: u-blox)

NEO-M9V dokáže zprostředkovat robustní zaměřování pozice přes GNSS a s přesností již od metrové úrovně, zatímco souběžně přijímá až čtyři signály GNSS (GPS, GLONASS, BeiDou a Galileo). Maximalizuje se tím počet viditelných a také použitelných satelitů, což jen zvyšuje přesnost měření. Nechybí zde ani podpora SBAS či QZSS, pokud jde o další rozšiřující funkce.

Stejně jako v případě NEO-M8U bude i NEO-M9V zahrnovat 3D inerciální senzory s vlastní šestiosou jednotkou IMU. Zároveň může získávat i rychlostní data ze snímačů kol u vozidla, a to buď rovnou z čidla, nebo jako zprávu prostřednictvím sériového rozhraní.

U obou modulů u-blox platí, že používají čipy GNSS vyhovující standardům automobilového průmyslu AEC-Q100.

Závěr

Díky společnému sloučení různých snímačů a informací ze systému GNSS mohou vývojáři ve vozidlech docílit přesného zjišťování polohy v reálném čase. Vypořádají se tak s výpadky signálu GNSS příznačnými pro městskou zástavbu nebo např. tunely a nezbytnou přesnost zprostředkují též pro autonomní vozy.

Aby v u-blox vyhověli různým požadavkům, vyvinuli řadu modulů GNSS zahrnujících senzory IMU. Systém NEO-M9V kupříkladu zajišťuje trojnásobně vyšší přesnost, než je tomu v případě přijímačů podporujících jen GNSS. Plynulou navigaci si lze proto užít dokonce i v přelidněných městech.

Řidiči jsou stále větší měrou závislí na asistenčních systémech, zatímco se nám na obzoru dále rýsují plně autonomní vozy. Rozšíření systému GNSS o navigaci výpočtem zde proto pomůže vyřešit požadavek na precizní navigaci bez výpadků.

www.mouser.com

Odkazy:

[1] https://www.gps.gov/systems/gps/performance/accuracy/

[2] https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/gps/howitworks

[3] https://www.u-blox.com/en/blogs/tech/dead-reckoning-misconceptions