כיצד להשתמש במודולי GNSS ליצירת פתרונות עיר חכמה מודעים-למיקום

שירותים מודעים-למיקום (LAS‏=Location-Aware Services) בערים חכמות נפרסים על פני תחומים שונים, כולל שירותים ממשלתיים, תחבורה, ניהול תנועה, אנרגיה, שירותי בריאות, מים וביוב, ויצירת ערים בטוחות יותר, בנות-קיימא יותר ומקושרות יותר. ביישומים אלה יש לעתים צורך להבין את המרחקים בין התקנים קרובים. הביקוש ליכולת מבוססת-מיקום באמצעות מקלטי מערכת לוויני ניווט גלובלית (GNSS‏) רבי-קונסטלציות עבור Galileoשל אירופה, GPS של ארה"ב, GLONASS של רוסיה ומערכות לוויין הניווט של סין BeiDou הולך וגדל ביישומי LAS. היתרונות של שימוש במקלטי GNSS רבי-קונסטלציות כוללים; זמינות טובה יותר של אותות מיקום, ניווט ותזמון (PNT) ושיפור הדיוק, התקינות והחוסן. אך פיתוח מקלטים רבי-קונסטלציות הוא פעילות מורכבת וגוזלת-זמן.

מאמר זה סוקר שיקולי תכנון מערכת חשובים בעת שימוש במקלטי GNSS רבי-קונסטלציות לפני הצגת פלטפורמות GNSS וסביבות פיתוח של u-blox‏, Microchip Technology‏, mikroElektronika‏, Thales‏ ו-Arduino‏ עבור פיתוח יעיל וחסכוני של יישומי עיר חכמה מודעים-למיקום.

שיפורים בטכנולוגיית GNSS, במיוחד דרישות הספק מופחתות, השפיעו על השימוש המוגבר ב-GNSS ובהתפשטות ה-LAS ביישומי עיר חכמה. הפחתת צריכת ההספק של מקלט GNSS הייתה מ-120 מיליוואט (mW) ב-2010 ל-mW‏ 25 ב-2020 (איור 1). למעשה, הדרישה להספק של מקלט GNSS ירדה מהר יותר מצורכי ההספק של רוב רכיבי מערכת LAS האחרים. טכנולוגיות GNSS ישנות יותר היו יותר רעבות-הספק בהשוואה לרכיבי המערכת האחרים. כיום, צורכי ההספק של GNSS הם לרוב רק אחוז חד-ספרתי מתקציב ההספק הכולל.

איור 1: צריכת ההספק של מקלט GNSS ירדה מ-‎120 mW ב-2010 ל-‎25 mW ב-2020. (מקור התמונה: u-blox)

אתגרי צריכת ההספק

בעוד שצריכת ההספק של מקלט GNSS ירדה באופן דרמטי, המורכבות של השגת הפתרון האופטימלי להספק/ביצועים הוכפלה. לא כל תכן LAS זקוק להערכות מיקום GNSS‏ רציפות או רמות גבוהות של דיוק מיקום. למתכננים יש כלים שונים למיטוב ביצועי GNSS וצריכת ההספק, כולל אופטימיזציה של החומרה וגישות מבוססות-קושחה.

השימוש ברכיבים בהספק נמוך, במיוחד מגברי RF עם רעש נמוך (LNA), מתנדים ושעוני זמן-אמת (RTC), הוא הצעד הראשון בפיתוח פתרונות GNSS יעילים-אנרגטית. הבחירה בין אנטנות אקטיביות לפסיביות היא דוגמה טובה. אנטנות פסיביות הן בעלות נמוכה והן יעילות יותר אך אינן עונות על הצרכים של כל יישום. אנטנה אקטיבית עשויה להיות בחירה טובה בקניונים עירוניים, בתוך בניינים או במקומות אחרים עם עוצמת אות חלשה. ה-LNA באנטנה אקטיבית משפר משמעותית את היכולת לקלוט אותות חלשים אך גם צורך כמויות משמעותיות של הספק. כאשר צריכת ההספק היא קריטית, וגודל האנטנה אינו כל כך חשוב, אנטנה פסיבית גדולה יותר יכולה לרוב לספק את אותם ביצועים כמו אנטנה אקטיבית קטנה יותר, תוך מתן רמות זמינות ודיוק מיקום גבוהות.

רוב מקלטי GNSS יכולים לספק קצבי עדכון של 10 הרץ (Hz) ומעלה, אך רוב יישומי LAS עובדים היטב עם קצבי עדכון הרבה יותר איטיים וצורכים פחות הספק. לבחירת קצב העדכון האופטימלי יכולה להיות ההשפעה הגדולה ביותר על צריכת ההספק. בנוסף לשיקולים מבוססי-חומרה, למתכננים יש מגוון של כלי קושחה זמינים בעת אופטימיזציה של צריכת ההספק, כולל קצבי עדכון, מספר קבוצות GNSS במעקב בו-זמנית, GNSS עם סיוע ומגוון אופני חיסכון-בהספק (איור 2).

איור 2: בנוסף לשימוש בפתרון החומרה היעיל ביותר, למתכננים יש כמה כלי קושחה למיטוב ביצועי GNSS וצריכת האנרגיה. (מקור התמונה: u-blox)

ייתכן שיהיה צורך לעקוב אחר מספר קונסטלציות GNSS במקביל בסביבות מאתגרות. בעוד שקליטת אותות באמצעות פסי-תדרים שונים יכולה להבטיח קביעת מיקום חסונה, היא גם מגדילה את צריכת ההספק. חשוב להבין את סביבת הפעולה הספציפית, במיוחד עד כמה הראות לשמיים פתוחה, ולהשתמש במספר המינימלי של אותות GNSS הנדרש כדי לתמוך בצרכים של יישום LAS המסוים.

כיבוי פונקציית GNSS חוסך את מירב האנרגיה אך מביא לאתחול קר בכל פעם שהיא מופעלת. הזמן-לקביעה-ראשונה (TTFF) עבור אתחול קר יכול להיות 30 שניות, או יותר, תלוי בזמינות ובעוצמה של אותות GNSS ובגודל ומיקום האנטנה. GNSS עם סיוע יכול לקצר את ה-TTFF תוך מתן מידע מדויק. ניתן לממש GNSS עם סיוע בכמה דרכים, כולל פרמטרי מיקום ותזמון הלווין הנוכחיים והחזויים (הנקראים 'נתוני אפמריס (Ephemeris‏)', אלמנך ונתוני תיקון זמן וסטטוס לוויין מדויקים עבור מערכות הלוויין שהורדו דרך האינטרנט בזמן-אמת או במרווחים של עד מספר ימים. למספר ממקלטי GNSS יש אופן אוטונומי המחשב פנימית את חיזוי מסלול ה-GNSS, ומבטל את הצורך בנתונים חיצוניים ובחיבוריות. עם זאת, שימוש באופן אוטונומי עשוי לדרוש שהמקלט יופעל מעת לעת כדי להוריד נתוני אפמריס נוכחיים.

אופני חיסכון בהספק

בנוסף לאפשרויות חיבוריות כגון GNSS עם סיוע, מקלטי GNSS רבים מאפשרים למתכננים לבחור מתוך מגוון של פשרות בין קצבי עדכון לבין צריכת הספק, כולל מעקב רצוף, מעקב מחזורי, פעולת הפעלה/כיבוי ומיקום מהיר (איור 3). בחירת אופן המעקב האופטימלי היא שיקול חשוב נוסף בעת הגדרת הביצועים של יישום ספציפי. אם תנאי הפעולה משתנים והופכים את אופן חיסכון-ההספק לבלתי זמין, המערכת אמורה לעבור אוטומטית לאופן חיסכון-האנרגיה הבא אחריו הקרוב ביותר כדי להבטיח פונקציונליות רצופה.

איור 3: יש להתאים את אופני הפעולה של חיסכון-באנרגיה לקצבי העדכון הנדרשים כדי למטב את ביצועי מערכת ה-GNSS. (מקור התמונה: u-blox)

מעקב רצוף מתאים עבור יישומים הדורשים כמה עדכונים בכל שנייה. באופן זה מקלט ה-GNSS רוכש את מיקומו, מבסס קביעת מיקום, מוריד אלמנך ונתוני אפמריס, ולאחר מכן עובר לאופן מעקב כדי להפחית את צריכת ההספק.

מעקב מחזורי כרוך במספר שניות בין עדכוני מיקום והוא שימושי כאשר האותות ו/או האנטנות גדולות מספיק כדי להבטיח שאותות המיקום הם נגישים לפי הצורך. חיסכון נוסף בהספק ניתן להשיג אם המעקב אינו מצריך קליטת לוויינים חדשים.

פעולת הפעלה/כיבוי כוללת מעבר בין פעילויות רכישה/מעקב ואופן שינה. הזמן באופן שינה הוא בדרך כלל מספר דקות והפעלה/כיבוי דורשים אותות GNSS חזקים כדי לקצר למינימום את ה-TTFF, ולכן גם את צריכת ההספק לאחר כל מחזור שינה.

מיקום מהיר חוסך הספק הודות לשימוש במקלט GNSS עבור עיבוד אותות מקומי בשילוב עם משאבי מחשוב ענן עבור עיבוד הערכת מיקום עתיר-מחשוב. כאשר קיים חיבור אינטרנט, מיקום מהיר יכול להפחית את צריכת ההספק של מקלט GNSS בפקטור של עשר. פתרון זה יכול להיות אסטרטגיה יעילה לחיסכון בהספק כאשר יש צורך רק במספר מועט של עדכוני מיקום בכל יום.

אנטנה משובצת תומכת בהרחבת GNSS

המתכננים יכולים לפנות למודול אנטנת Patch‏ SAM-M8Q של u-blox עבור מערכות הנהנות מקליטה בו-זמנית של אותות GPS‏, Galileo‏ ו-GLONASS GNSS (איור 4). שימוש בשלוש קונסטלציות בו-זמנית מביא לדיוק מיקום גבוה בסביבות מאתגרות כמו קניונים עירוניים או בעת קליטת אותות חלשים. כדי להאיץ את זיהוי המיקום ולשפר את הדיוק, ה-SAM-M8Q‏ תומך בפונקציות הרחבה, לרבות מערכת לוויין Quasi-Zenith‏ (QZSS‏), ניווט מורחב GEO‏ בסיוע GPS‏ (GAGAN‏), ומערכת הודעות לשימושי פנים (IMES‏), ביחד עם מערכת הרחבת שטח רחב (WAAS‏), שירות כיסוי ניווט גיאוסטציונרי אירופאי (EGNOS), ומערכת הרחבת לווייני MTSAT‏ להגדלת הלוויין (MSAS‏).

איור 4: מודול SAM-M8Q תומך בקליטה בו-זמנית של עד שלושה מקורות (GPS‏, Galileo‏, GLONASS‏). (מקור התמונה: u-blox)

מודול SAM-M8Q יכול גם להשתמש בשירות הסיוע AssistNow‏ של u-blox המספק פרמטרי שידור פומבי GNSS, כולל נתוני אפמריס, אלמנך פלוס זמן או מיקום גס, כדי להפחית את ה-TTFF משמעותית. התוקף המורחב של נתוני AssistNow Offline (עד 35 ימים) ונתוני AssistNow Autonomous (עד 3 ימים) תומך ב-TTFF מהיר יותר אפילו לאחר זמן ממושך.

פלטפורמת פיתוח זו של האינטרנט של דברים (IoT) של Google Cloud מספקת דרך פשוטה לחבר ולאבטח אפליקציות מבוססות PIC MCU. לוח GNSS 4 Click של MicroElektronika מכיל מודול SAM-M8Q והוא תוכנן עם לוח פיתוח PIC®-IoT WG של Microchip Technology כדי להאיץ את הפיתוח של יישומי LAS לעיר חכמה (איור 5). לוח הפיתוח PIC-IoT WG מספק למשתמשי Google Cloud IoT דרך להאיץ את הפיתוח של יישומים מאובטחים המחוברים לענן. בנוסף, לוח PIC-IoT WG מספק למתכננים כלי ניתוח ולמידת מכונה.

איור 5‏: לוח Click‏ GNSS 4‏ הנושא את מודול אנטנת Patch‏ SAM-M8Q‏ של u-blox‏. (מקור התמונה: DigiKey)

GNSS רב-קונסטלציות פלוס חיבוריות אלחוטית

עבור התקני LAS קטנים כגון עוקבים היכולים להפיק תועלת מתמיכת GNSS רב-קונסטלציות (GPS/Galileo/GLONASS) וחיבוריות LPWAN LTE כלל-עולמית במודול יחיד הממנף את Rel. 14-second generation Cat. M1/NB1/NB2, המתכננים יכולים לפנות למודול Cinterion TX62‏ של Thales‏ (איור 6‏). את גודל הפתרון ניתן למטב עוד יותר באמצעות הארכיטקטורה הגמישה של המודול התומכת באפליקציות תוך שימוש במעבד מארח, או בתוך המודול באמצעות מעבד משולב. ה-TX62 תומך באופן חיסכון בהספק (PSM‏) 3GPP‏ ובקליטה לא-רצופה מורחבת (eDRx‏) עבור יישומים הרגישים לצריכת הספק. זמני השינה של PSM נוטים להיות ארוכים בהרבה לעומת eDRX. זמני שינה ארוכים יותר אלה מאפשרים להתקן להיכנס לאופן שינה עמוקה יותר ועם צריכת הספק נמוכה יותר לעומת eDRX. צריכת ההספק בשינה של PSM‏ הוא פחות מ-10 מיקרו-אמפר, בעוד שצריכת ההספק בשינה של eDRx‏ היא עד 30 מיקרו-אמפר.

איור 6: מודול IoT‏ TX62‏ תומך בתקשורת LTE-M‏, NB1‏ ו-NB2‏ ו-GNSS רב-קונסטלציות. (מקור התמונה: Thales)

מאפייני האבטחה של TX62 כוללים אחסון מפתחות מאובטח וטיפול באישורים לתמיכה בהרשמה מהימנה לפלטפורמות ענן תוך הגנה על ההתקן והנתונים, פלוס זהויות מהימנות המשולבות מראש בשורש ה-TX62 במהלך הייצור. בעת הצורך, המתכננים יכולים להגדיר eSIM משולב אופציונלי היכול לפשט את תהליכי הלוגיסטיקה והייצור ולשפר את הגמישות בשטח באמצעות עדכוני מנויים דינמיים והקצאה מרחוק.

פיתוח LAS ביישומי Portenta H7‏ של Arduino מפושט באמצעות לוח Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield (איור 7‏). הלוח משלב את כוח מחשוב הקצה של ה-Portenta H7 עם החיבוריות של ה-TX62 כדי לאפשר פיתוח של מעקב נכסים LAS וניטור מרחוק ביישומי ערים חכמות, כמו גם בתעשייה, חקלאות, תשתיות ותחומים אחרים. לוח Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield הבסיסי אינו כולל אנטנת GSM/UMTS‏. במקום לחפש אנטנה תואמת, המתכננים יכולים להשתמש באנטנת דיפול 5-פסים חסינת-מים של Arduino‏.

איור 7‏: לוח Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shieldכולל את מודול IoT‏ TX62-W‏ (הריבוע הצהוב הגדול). (מקור התמונה: Arduino)

יתרונות נוספים שללוח Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shield כוללים:

• היכולת לשנות חיבוריות מבלי לשנות את הלוח
• הוספת מיקום פלוס NB-IoT‏, M1‏ .CAT‏לכל תכן מבוסס-Portenta‏
• דרישות רוחב-פס תקשורת מופחתות משמעותית בהתקני IoT‏
• פורמט קומפקטי של 66 מ"מ x‏ 25.4 מ"מ
• תחום טמפרטורות פעולה של 40‎°C- עד 85°C+‏ (F‏ִ°‏104‏- עד F‏ִ°‏185‏)

סיכום

החידושים בטכנולוגיית GNSS בהספק נמוך וביצועים עיליים הם גורמים המניעים את הגידול ביישומי עיר חכמה LAS. עם זאת, השימוש בחומרה החסכונית ביותר באנרגיה היא רק נקודת ההתחלה; חשוב לא פחות למטב את הקושחה כדי להגיע לפתרון אופטימלי וחסכוני באנרגיה. ישנם שילובים רבים של חומרה וקושחה הזמינים לבחירה בעת פיתוח יישומי LAS מבוססי GNSS, והמתכננים יכולים לפנות למגוון של כלי הערכה כדי להאיץ את תהליך הפיתוח.