GNSS-platform snijdt stroom af, time-to-first-fix

U-blox heeft de M10 onthuld, het nieuwste GNSS-platform (Global Navigation Satellite System) voor low-power positioneringstoepassingen. De U-blox M10 is volledig in eigen huis ontworpen en past in een breed scala aan toepassingen, zoals sporthorloges, trackers voor goederen en vee-tags, allemaal in een kleine vormfactor en met een zeer lange batterijduur.

De M10 is uitgerust met de Super-S-technologie van het bedrijf, die helpt om ruis te filteren en positioneringssignalen te onderscheiden. Het apparaat kan gelijktijdig gegevens verzamelen van maximaal vier GNSS-constellaties, zelfs in onherbergzame omgevingen, zoals stedelijke canyons. Wolkenkrabbers blokkeren de zichtlijn tussen satellieten en ontvangers, waardoor het extreem moeilijk is voor GNSS-ontvangers om lang genoeg vast te houden aan signalen die door satellieten in een baan om de aarde worden uitgezonden om zichzelf continu te lokaliseren. Het verhogen van het aantal satellieten kan een aanzienlijk verschil maken.

In een EE Times interview, Bernd Heidtmann, productmanager positionering bij U-blox AG, benadrukte hoe de M10 is ontworpen om 12 mW te verbruiken in continue volgmodus, een reductie van ongeveer 5 keer ten opzichte van de vorige technologie van het moederbedrijf (M8).

“Super-S-technologie optimaliseert het stroomverbruik en de nauwkeurigheid bij zwakke signalen of kleine antennes. Korte time-to-first-fix (TTFF) zorgt voor een laag stroomverbruik en de functie voor zwakke signaalcompensatie verbetert de positienauwkeurigheid”, aldus Heidtmann.

Figuur 1:u-blox M10 en u-blox M8 (Bron:u-blox)

GNSS-platform

Omdat we steeds meer afhankelijk zijn van satellietpositionering, verwachten we steeds grotere positionele precisie. Dankzij de verlaging van de kosten voor hardware- en software-elektronica is er een grote uitbreiding geweest op het gebied van toepassingen en use-cases.

Met het wereldwijde satellietnavigatiesysteem Galileo van de EU kunnen GNSS-ontvangers ervoor zorgen dat satellietsignalen daadwerkelijk van de Galileo-satellieten komen en niet zijn gewijzigd. Deze aanpak maakt het moeilijker voor hackers om hun "werk" te doen. De Europese GNSS-constellatie zal als eerste gratis geauthenticeerde navigatieberichten aanbieden aan civiele gebruikers.

Galileo is het European Global Navigation Satellite System (GNSS), ontwikkeld om gebruikers over de hele wereld positie-, navigatie- en weersinformatie te verstrekken. In tegenstelling tot andere GNSS-systemen, wordt Galileo beheerd door een civiel orgaan, de European Space Agency (ESA), en is het ontworpen om in te spelen op de behoeften van verschillende gebruikersgemeenschappen.

Het Galileo-satellietsegment omvat het gebruik van 30 satellieten (24 operationele en 6 reserve) in een baan om de aarde op een hoogte van meer dan 23.000 kilometer. De satellieten zullen gelijkmatig over drie baanvlakken worden verdeeld en elk zal ongeveer 14 uur nodig hebben om rond de aarde te draaien.

De gebruikte beveiligingsbenadering bestaat uit het aanbrengen van een versleutelde authenticatiehandtekening op GNSS-navigatieberichten, die kunnen worden gebruikt om berichten te verifiëren op basis van een hybride symmetrische/asymmetrische sleutelbenadering. GNSS-gegevensauthenticatie zal een belangrijke rol spelen in geavanceerde rijhulpsystemen, autonoom rijden of een aantal risicovolle zakelijke activiteiten.

U-blox-hardware

De U-blox M10 is ontworpen om 12 mW te verbruiken in continue volgmodus, waardoor de stroomopname laag blijft voor toepassingen op batterijen. De verhoogde RF-gevoeligheid van de M10 vermindert ook de tijd die het platform nodig heeft om een ​​eerste vaste positie te bereiken bij initialisatie, en werkt zelfs goed met kleine antennes.

“De chipgrootte van de U-blox M10 is 4×4 mm in een QFN-verpakking. De "MAX"-module maakt integratie mogelijk zonder dat externe componenten nodig zijn. De "ZOE"-vormfactor heeft dezelfde functionaliteit als MAX- en NEO-modules. En dit is een zogenaamd systeem in een pakket. Het heeft dezelfde functionaliteit als de max-module, maar dan verpakt in slechts 20 vierkante millimeter”, aldus Heidtmann.

Figuur 2:de drie modules, van links:QFN-pakket, MAX-module en ZOE-vormfactor (Bron:u-blox)

Twee tests uitgevoerd in Australië en Duitsland hebben aangetoond dat zelfs in ruwe omgevingen waar grote gebouwen het signaal kunnen verduisteren, Super-S en de verbeterde "Super-E"-modus nog meer stroomreductie mogelijk maken met lagere updatesnelheden, waardoor de meting wordt geoptimaliseerd waar het signaal is erg laag (figuur 3).

Super-S-technologie pakt twee veelvoorkomende uitdagingen aan die zich voordoen bij industriële tracking en wearable use cases:zwakke GNSS-signalen en onvoldoende antennepositionering, maar ook factoren zoals slecht weer, belemmerd uitzicht op de lucht en stedelijke canyons hebben een nadelige invloed op de kwaliteit van GNSS-signalen die de positionering bereiken ontvanger, waardoor de positioneringsprestaties afnemen. u-blox Super-S-technologie combineert 2 verschillende maten om met deze situaties om te gaan.

GNSS-ontvangers kunnen zich in twee operationele fasen bevinden:de acquisitiefase en de volgfase. In de eerste fase is er een hogere gevoeligheid en wordt de acquisitietijd verkort door een positie te verkrijgen met een hogere waarschijnlijkheid en weinig energie te verbruiken. In de volgende fase is het doel om de positie te behouden.

Figuur 3:Maximale positiebeschikbaarheid met gelijktijdige ontvangst van 4 GNSS in Australië (Bron:u-blox)

Figuur 4:Zwak signaalcompensatie in Duitsland (Bron:u-blox)

“Als je naar de foto kijkt, links van figuur 3, zie je een één en een twee. Bij nummer één zie je dat de gebouwen niet zo hoog zijn als bij nummer twee. En als je naar rechts kijkt, zie je al deze gekleurde lijnen uitlopen, en groen is het ware pad, echt de ware positie. Dan is er M8 geel en M10 in blauw. En voor nummer één zie je dat er bijna geen verschil is. Ze rapporteren in principe de ware situatie. Maar als je naar nummer twee kijkt, zie je een verschil. De gele lijn ligt op ongeveer 20 meter afstand van de groene. En de blauwe lijn is ongeveer 10 meter verwijderd van de groene. En daar zien we in zo'n scenario waar je echt hoge gebouwen hebt in diepe stedelijke gebieden, daar maakt het een verschil om 4 GNSS te hebben, "zei Heidtmann.

Hij voegde eraan toe:"Als je in dit gebied bent, kun je niet elke satelliet zien omdat de gebouwen je een schaduw geven. En als je naar alle vier de sterrenbeelden kunt luisteren, haal je meer satellieten in. En dan heb je natuurlijk een voordeel, want er is altijd een keuze. De ontvanger kijkt dus naar alle beschikbare satellieten en selecteert vervolgens de maximale 30 signalen om te volgen. Maar natuurlijk heb je in deze situatie geen 30, je hebt geluk als je er acht of negen hebt", zei Heidtmann

Kleine antennes of slechte antennelocaties leiden tot een slechte RF-signaalsterkte. Zwakke signaalcompensatie verandert het gedrag van de ontvanger om zich aan deze situatie aan te passen. "Rijtesten toonden een verbetering van>25% op het gebied van positie- en snelheidsnauwkeurigheid", zei Heidtmann.

Figuur 5:blokschema van M10 (Bron:u-blox)

Figuur 6:u-blox M10 en M8 in vergelijking (Bron:u-blox)

u-blox M10 beschikt over geavanceerde spoofing- en storingsdetectie. “Spoofing- en jamming-aanvallen worden gedetecteerd en gerapporteerd aan de host. Spoofingdetectie op basis van onbewerkte GNSS-gegevensanalyse en beperking van spoofingaanvallen door gebruik te maken van een geverifieerd signaal (Galileo OS-NMA)”, aldus Heidtmann.

Kritische applicaties moeten weten hoeveel vertrouwen ze kunnen stellen in hun gegevens die door ontvangers worden verkregen. Het beschermingsniveau beschrijft de maximale positiefout en kwantificeert de betrouwbaarheid van het systeem. Dit niveau wordt beïnvloed door alle bronnen van fouten die vaak van invloed zijn op GNSS-oplossingen.

"Als een GNSS-ontvanger bijvoorbeeld zijn positie bepaalt met een beveiligingsniveau van 95% van één meter, is er slechts 5% kans dat de gerapporteerde positie meer dan één meter verwijderd is van de werkelijke positie", zegt Heidtmann.

Innovaties in systemen en technologieën die verband houden met de GNSS-sector (Global Navigation Satellite System) zijn een proces dat constant en snel evolueert. De onmiddellijke nauwkeurigheid van GPS op deze niveaus was voorbehouden aan de Amerikaanse defensie, maar dit leidde tot de race om betrouwbaardere alternatieve systemen te creëren die leidden tot GNSS (Global Navigation Satellite Systems) met bijdragen van verschillende landen over de hele wereld, zoals het Russische GLONASS , de Chinese Beidou en de Europese Galileo. Galileo-gegevens helpen bij het lokaliseren van bakens en het redden van mensen in nood in allerlei omgevingen.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Tijden.

Verwante inhoud:

• Bedreigingen voor GNSS dwarsbomen
• Satellietnavigatie en Software Defined Radio
• GNSS-platform verbetert ADAS-nauwkeurigheid
• GNSS-correctieservice verbetert de positienauwkeurigheid
• Realtime locatietechnologieën afstemmen op de groeiende behoeften op het gebied van tracking
• Hoe krijg ik betere draadloze prestaties voor mobiele apparaten met kleine PCB's
• Integreren van chipantennes in een PCB:antenne-matching begrijpen
• Hoe het toevoegen van een antenne het ontwerpproces verandert
• abonneer je op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.