Verwendung von GNSS-Modulen zur Entwicklung standortbezogener Smart-City-Lösungen

Standortbezogene Dienste (Location-aware services, LAS) in intelligenten Städten werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter Behördendienste, Verkehr, Verkehrsmanagement, Energie, Gesundheitswesen, Wasser und Abfall, um sicherere, nachhaltigere und besser vernetzte Städte zu schaffen. Bei diesen Anwendungen besteht häufig die Notwendigkeit, die Entfernungen zwischen nahegelegenen Geräten zu kennen. Die Nachfrage nach positionsbasierten Funktionen unter Verwendung von GNSS-Empfängern (Global Navigation Satellite System) mit mehreren Konstellationen für das europäische Galileo, das US-amerikanische GPS, das russische GLONASS und das chinesische BeiDou-Navigations-Satellitensystem wächst bei LAS-Anwendungen. Zu den Vorteilen der Verwendung von GNSS-Empfängern mit mehreren Konstellationen gehören eine bessere Verfügbarkeit der Positions-, Navigations- und Zeitsignale (PNT-Signale), eine höhere Genauigkeit und Integrität sowie eine verbesserte Robustheit. Die Entwicklung von Mehrkonstellationsempfängern ist jedoch eine komplexe und zeitaufwändige Aufgabe.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über wichtige Überlegungen zum Systemdesign bei der Verwendung von GNSS-Empfängern mit mehreren Konstellationen, bevor GNSS-Plattformen und Entwicklungsumgebungen von u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales und Arduino für die effiziente und kostengünstige Entwicklung von standortbezogenen Smart-City-Anwendungen vorgestellt werden.

Verbesserungen in der GNSS-Technologie, insbesondere die Verringerung des Energiebedarfs, haben maßgeblich zur verstärkten Nutzung von GNSS und der Verbreitung von LAS in Smart-City-Anwendungen beigetragen. Die Leistungsaufnahme der GNSS-Empfänger wurde von 120 Milliwatt (mW) im Jahr 2010 auf 25 mW im Jahr 2020 reduziert (Abbildung 1). Tatsächlich ist der Energiebedarf der GNSS-Empfänger schneller gesunken als der Energiebedarf der meisten anderen Komponenten des LAS-Systems. Ältere GNSS-Technologien waren im Vergleich zu den anderen Systemelementen sehr stromhungrig. Heute macht der GNSS-Strombedarf oft nur noch einen einstelligen Prozentsatz des gesamten Strombudgets aus.

Abbildung 1: Die Leistungsaufnahme von GNSS-Empfängern ist von 120 mW im Jahr 2010 auf 25 mW im Jahr 2020 gesunken. (Bildquelle: u-blox)

Herausforderungen beim Stromverbrauch

Während der Stromverbrauch von GNSS-Empfängern drastisch gesunken ist, hat sich die Komplexität der Lösung für ein optimales Leistungsverhältnis vervielfacht. Nicht jeder LAS-Entwurf benötigt kontinuierliche GNSS-Positionsschätzungen oder eine hohe Positionsgenauigkeit. Entwicklern stehen verschiedene Tools zur Optimierung der GNSS-Leistung und des Stromverbrauchs zur Verfügung, darunter Hardware-Optimierung und Firmware-basierte Ansätze.

Der Einsatz von stromsparenden Komponenten, insbesondere rauscharmen HF-Verstärkern (LNAs), Oszillatoren und Echtzeituhren (RTCs), ist der erste Schritt zur Entwicklung energieeffizienter GNSS-Lösungen. Die Wahl zwischen aktiven und passiven Antennen ist ein gutes Beispiel dafür. Passive Antennen sind preiswerter und effizienter, erfüllen aber nicht die Anforderungen aller Anwendungen. Eine aktive Antenne kann in Häuserschluchten, innerhalb von Gebäuden oder an anderen Orten mit schlechter Signalstärke eine gute Wahl sein. Der LNA in der aktiven Antenne erhöht die Fähigkeit zum Empfang schwacher Signale erheblich, verbraucht aber auch viel Strom. Wenn der Stromverbrauch kritisch ist und die Größe der Antenne nicht so wichtig ist, kann eine größere passive Antenne oft die gleiche Leistung wie eine kleinere aktive Antenne erbringen und trotzdem eine hohe Positionsverfügbarkeit und Genauigkeit bieten.

Die meisten GNSS-Empfänger können Aktualisierungsraten von 10 Hertz (Hz) oder mehr liefern, aber die meisten LAS-Anwendungen funktionieren auch mit viel langsameren und weniger stromverbrauchenden Aktualisierungsraten. Die Wahl der optimalen Aktualisierungsrate kann den größten Einfluss auf den Stromverbrauch haben. Zusätzlich zu den hardwarebasierten Überlegungen stehen den Entwicklern bei der Optimierung des Stromverbrauchs eine Reihe von Firmware-Tools zur Verfügung, darunter Aktualisierungsraten, die Anzahl der gleichzeitig verfolgten GNSS-Konstellationen, assistiertes GNSS und eine Reihe von Stromsparmodi (Abbildung 2).

Abbildung 2: Zusätzlich zur Verwendung der effizientesten Hardware-Lösung stehen den Entwicklern mehrere Firmware-Tools zur Optimierung der GNSS-Leistung und des Energieverbrauchs zur Verfügung. (Bildquelle: u-blox)

In schwierigen Umgebungen kann es erforderlich sein, mehrere GNSS-Konstellationen gleichzeitig zu verfolgen. Der Empfang von Signalen über verschiedene Bänder kann zwar eine zuverlässige Positionsbestimmung gewährleisten, erhöht aber auch den Stromverbrauch. Es ist wichtig, die spezifische Betriebsumgebung zu verstehen, insbesondere wie offen die Sicht auf den Himmel ist, und die minimale Anzahl von GNSS-Signalen zu verwenden, die für die Anforderungen der jeweiligen LAS-Anwendung erforderlich sind.

Das Ausschalten der GNSS-Funktion spart am meisten Energie, führt aber bei jedem Einschalten zu einem Kaltstart. Die Zeit bis zur ersten Ortung (TTFF) bei einem Kaltstart kann 30 Sekunden oder länger betragen, je nach Verfügbarkeit und Stärke der GNSS-Signale sowie der Größe und Platzierung der Antenne. Assistiertes GNSS kann die TTFF reduzieren und trotzdem genaue Informationen liefern. Die GNSS-Unterstützung kann auf verschiedene Weise erfolgen, einschließlich der aktuellen und vorhergesagten Satellitenposition und der Zeitparameter (so genannte Ephemeridendaten), des Almanachs und der genauen Zeit- und Satellitenstatuskorrekturdaten für die Satellitensysteme, die in Echtzeit oder in Abständen von bis zu mehreren Tagen über das Internet heruntergeladen werden. Einige GNSS-Empfänger verfügen über einen autonomen Modus, der intern GNSS-Bahnvorhersagen berechnet, so dass keine externen Daten und Verbindungen benötigt werden. Die Verwendung des autonomen Modus kann jedoch erfordern, dass der Empfänger regelmäßig eingeschaltet wird, um aktuelle Ephemeridendaten herunterzuladen.

Energiesparmodi

Zusätzlich zu Verbindungsoptionen wie Assisted GNSS ermöglichen viele GNSS-Empfänger den Entwicklern, aus einer Reihe von Kompromissen zwischen Aktualisierungsraten und Stromverbrauch zu wählen, einschließlich kontinuierlicher Verfolgung, zyklischer Verfolgung, Ein-/Aus-Betrieb und Snapshot-Positionierung (Abbildung 3). Die Auswahl des optimalen Tracking-Modus ist ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Festlegung der Leistung einer bestimmten Anwendung. Ändern sich die Betriebsbedingungen, so dass der optimale Energiesparmodus nicht mehr zur Verfügung steht, sollte das System automatisch in den nächsthöheren Energiesparmodus wechseln, um eine kontinuierliche Funktion zu gewährleisten.

Abbildung 3: Energiesparende Betriebsmodi müssen auf die erforderlichen Aktualisierungsraten abgestimmt werden, um die Leistung des GNSS-Systems zu optimieren. (Bildquelle: u-blox)

Die kontinuierliche Verfolgung eignet sich für Anwendungen, die einige Aktualisierungen pro Sekunde erfordern. In diesem Modus ermittelt der GNSS-Empfänger seine Position, stellt einen Fixpunkt her, lädt Almanach- und Ephemeridendaten herunter und schaltet dann in den Tracking-Modus, um den Stromverbrauch zu senken.

Die zyklische Verfolgung umfasst mehrere Sekunden zwischen den Positionsaktualisierungen und ist nützlich, wenn die Signale und/oder die Antennen ausreichend groß sind, um sicherzustellen, dass die Positionssignale bei Bedarf zugänglich sind. Zusätzliche Energieeinsparungen können erzielt werden, wenn für die Nachführung keine neuen Satelliten erfasst werden müssen.

Beim Ein/Aus-Betrieb wird zwischen Erfassungs- und Verfolgungsaktivitäten und dem Ruhezustand umgeschaltet. Die Zeit im Ruhezustand beträgt in der Regel mehrere Minuten, und der Ein-/Aus-Betrieb erfordert starke GNSS-Signale, um die TTFF und damit den Stromverbrauch nach jeder Ruhephase zu minimieren.

Die Snapshot-Positionierung spart Energie, indem sie den GNSS-Empfänger für die lokale Signalverarbeitung und Cloud-Computing-Ressourcen für die rechenintensivere Verarbeitung der Positionsschätzung nutzt. Wenn eine Internetverbindung verfügbar ist, kann die Snapshot-Positionierung den Stromverbrauch des GNSS-Empfängers um das Zehnfache reduzieren. Diese Lösung kann eine effektive Energiesparstrategie sein, wenn nur wenige Positionsaktualisierungen pro Tag erforderlich sind.

Integrierte Antenne unterstützt GNSS-Erweiterung

Für Systeme, die vom gleichzeitigen Empfang von GPS-, Galileo- und GLONASS-GNSS-Signalen profitieren, können Entwickler auf das Patch-Antennenmodul SAM-M8Q von u-blox zurückgreifen (Abbildung 4). Die gleichzeitige Verwendung von drei Konstellationen führt zu einer hohen Positionsgenauigkeit in schwierigen Umgebungen wie Straßenschluchten oder bei schwachem Signalempfang. Um die Positionierung zu beschleunigen und die Genauigkeit zu verbessern, unterstützt der SAM-M8Q Erweiterungsfunktionen, darunter ein Quasi-Zenith-Satellitensystem (QZSS), eine GPS-gestützte GEO-Erweiterung (GAGAN) und ein Indoor-Messaging-System (IMES) sowie ein Wide-Area-Augmentation-System (WAAS), den European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) und das MTSAT-Satellite-Augmentation-System (MSAS).

Abbildung 4: Das Modul SAM-M8Q unterstützt den gleichzeitigen Empfang von bis zu drei GNSS-Quellen (GPS, Galileo, GLONASS). (Bildquelle: u-blox)

Das Modul SAM-M8Q kann auch den Assistenzdienst AssistNow von u-blox nutzen, der GNSS-Sendeparameter, einschliesslich Ephemeridendaten, Almanach sowie Zeit oder grobe Position, bereitstellt, um die TTFF deutlich zu reduzieren. Die verlängerte Gültigkeit von AssistNow-Offline-Daten (bis zu 35 Tage) und AssistNow-Autonomidaten (bis zu 3 Tage) unterstützt eine schnellere TTFF auch nach längerer Zeit.

Diese Google-Cloud-Entwicklungsplattform für das Internet der Dinge (IoT) bietet eine einfache Möglichkeit zur Verbindung und Sicherung von PIC-MCU-basierten Anwendungen. GNSS 4 click von MikroElektronika enthält ein SAM-M8Q-Modul und wurde mit dem Entwicklungsboard PIC®-IoT WG von Microchip Technology entwickelt, um die Entwicklung von LAS-Smart-City-Anwendungen zu beschleunigen (Abbildung 5). Das Entwicklungsboard PIC-IoT-WG bietet Google-Cloud-IoT-Kunden eine weitere Option, um die Entwicklung von Cloud-verbundenen Anwendungen zu beschleunigen, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Darüber hinaus bietet das PIC-IoT-WG-Board Entwicklern Tools für Analysen und maschinelles Lernen.

Abbildung 5: Das Click-Board GNSS 4 trägt das Patch-Antennenmodul SAM-M8Q von u-blox. (Bildquelle: DigiKey)

GNSS mit mehreren Konstellationen und drahtlose Vernetzung

Für kleine LAS-Geräte wie z. B. Tracker, die von der Unterstützung für GNSS mit mehreren Konstellationen (GPS/Galileo/GLONASS) und globaler LPWAN-LTE-Vernetzung über ein einziges Modul mit Rel. 14-Sekunden-Generation Kat. M1/NB1/NB2 profitieren können, können Entwickler auf das Modul Cinterion TX62 von Thales zurückgreifen (Abbildung 6). Die Größe der Lösung kann durch die flexible Architektur des Moduls weiter optimiert werden, die die Ausführung von Anwendungen über einen Host-Prozessor oder innerhalb des Moduls über den integrierten Prozessor unterstützt. Das TX62 unterstützt den 3GPP-Energiesparmodus (PSM) und erweiterten diskontinuierlichen Empfang (eDRx) für stromsparende Anwendungen. PSM-Ruhezeiten sind in der Regel viel länger als eDRX. Diese längeren Ruhezeiten ermöglichen es dem Gerät, in einen tieferen, stromsparenderen Ruhemodus als eDRX zu wechseln. Der PSM-Ruhestrom liegt unter zehn Mikroampere, während der eDRX-Ruhestrom bis zu 30 Mikroampere beträgt.

Abbildung 6: Das IoT-Modul TX62 unterstützt LTE-M-, NB1- und NB2-Kommunikation sowie GNSS mit mehreren Konstellationen. (Bildquelle: Thales)

Zu den Sicherheitsmerkmalen des TX62 gehören die sichere Speicherung von Schlüsseln und die Handhabung von Zertifikaten, um eine vertrauenswürdige Anmeldung bei Cloud-Plattformen zu unterstützen und gleichzeitig das Gerät und die Daten zu schützen. Bei Bedarf können Entwickler ein optionales integriertes eSIM spezifizieren, das die Logistik- und Fertigungsprozesse vereinfacht und die Flexibilität im Feld durch dynamische Abonnement-Updates und Fernbereitstellung verbessert.

Die LAS-Entwicklung in Arduino-„Portenta H7“-Anwendungen wird durch das Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield vereinfacht (Abbildung 7). Das Shield kombiniert die Edge-Computing-Leistung des Portenta H7 mit der Vernetzung des TX62, um die Entwicklung von LAS-Asset-Tracking und Fernüberwachung in Smart-City-Anwendungen sowie in der Industrie, Landwirtschaft, Versorgung und anderen Bereichen zu ermöglichen. Die Basisversion des Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield enthält keine GSM/UMTS-Antenne. Anstatt nach einer kompatiblen Antenne zu suchen, können Entwickler die wasserdichte Arduino-Dipol-Pentaband-Antenne verwenden.

Abbildung 7: Das Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shield enthält das IoT-Modul TX62-W (großes gelbes Quadrat). (Bildquelle: Arduino)

Weitere Vorteile des Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS shield:

• Möglichkeit, die Verbindung zu ändern, ohne das Board auszutauschen
• Hinzufügen von Positionierung plus NB-IoT, CAT.M1 zu jedem Portenta-basierten Design
• Deutlich verringerte Anforderungen an die Kommunikationsbandbreite in IoT-Geräten
• Kompaktes Format: 66 mm x 25,4 mm
• Betrieb von -40 °C bis +85 °C (-104 °F bis 185 °F)

Zusammenfassung

Fortschritte in der stromsparenden und leistungsstarken GNSS-Technologie sind Faktoren, die das Wachstum von LAS-Smart-City-Anwendungen vorantreiben. Die Verwendung der energieeffizientesten Hardware ist jedoch nur der Ausgangspunkt; ebenso wichtig ist es, die Firmware zu optimieren, um eine optimale und energieeffiziente Lösung zu erreichen. Bei der Entwicklung von GNSS-basierten LAS-Anwendungen stehen zahlreiche Kombinationen von Hardware und Firmware zur Auswahl, und die Entwickler können auf eine Vielzahl von Entwicklungswerkzeugen zurückgreifen, um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen.