作者：Jeff Shepard

在智慧城市中，位置感知服務 （LAS）正在部署到各個領域，包括政府服務、運輸、交通管理、能源、醫(yī)療保健、水和廢棄物處理，以創(chuàng)造更加安全、更加可持續(xù)以及連接更密切的城市。這些應用往往需要了解附近設備之間的距離。歐洲的Galileo、美國的 GPS、俄羅斯的 GLONASS 和中國的北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)都能提供全球?qū)Ш椒?。?LAS 應用中，對使用多星座全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS） 接收器的定位功能的需求日益增長。使用多星座 GNSS 接收器的優(yōu)勢在于：更好地提供定位、導航和定時 （PNT）信號，提高準確性、完整性并改善穩(wěn)健性。但是，開發(fā)多星座接收器是一項復雜且耗時的活動。

本文首先回顧使用多星座 GNSS 接收器的系統(tǒng)設計有哪些重要考慮因素，然后介紹 u-blox、Microchip
Technology、MikroElektronika、Thales 和 Arduino 的 GNSS平臺和開發(fā)環(huán)境，利用這些平臺和開發(fā)環(huán)境可以高效經(jīng)濟地開發(fā)出具有位置感知能力的智慧城市應用。

GNSS 技術(shù)的改進，尤其是功耗需求降低，對 GNSS 的使用增加和 LAS 在智慧城市應用中的擴散起到了重要作用。GNSS 接收器的功耗已經(jīng)從 2010年的 120 mW 下降到 2020 年的 25 mW（圖 1）。事實上，GNSS 接收器的功耗需求下降的速度快于大多數(shù)其他 LAS系統(tǒng)組件的功耗需求下降的速度。與其他系統(tǒng)元件相比，早期 GNSS 技術(shù)非常耗電。如今，GNSS 功耗需求占總功耗預算的百分比只有個位數(shù)。

功耗挑戰(zhàn)

雖然 GNSS 接收器的功耗已大幅下降，但獲得最優(yōu)功耗/性能解決方案的復雜性卻成倍增加。不是每個 LAS 設計都需要連續(xù)的 GNSS位置估算或高定位精度。設計人員有各種工具來優(yōu)化 GNSS 性能和功耗，包括硬件優(yōu)化和基于固件的方法。

使用低功耗元器件，特別是低噪聲射頻放大器 （LNA）、振蕩器和實時時鐘 （RTC），是開發(fā)節(jié)能型 GNSS解決方案的第一步。選擇有源天線還是無源天線，就是一個很好的例子。無源天線成本較低、效率較高，但不能滿足每個應用的需求。在城市街谷、建筑物內(nèi)部或其他信號強度差的地方，有源天線可能是一個不錯的選擇。有源天線中的LNA可大大提高接收微弱信號的能力，但也會消耗大量功率。當功耗很關(guān)鍵，而天線尺寸又不那么重要時，較大的無源天線在性能方面常常與較小的有源天線相同，同時還能提供很高的定位能力和精度水平。

大多數(shù) GNSS 接收器更新率可達 10 Hz 或更高，但大多數(shù) LAS應用在慢得多而耗電少的更新率下工作良好。選擇最優(yōu)更新率可以獲得最大的省電效果。除了基于硬件的考慮之外，設計人員在優(yōu)化功耗時還有很多固件工具可用，包括更新率、同時跟蹤的GNSS 星座數(shù)量、輔助 GNSS 以及各種省電模式（圖 2）。

在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，可能有必要同時跟蹤多個 GNSS星座。雖然使用多種頻帶段接收信號可以確保定位穩(wěn)健，但也會增加功耗。重要的是要了解具體工作環(huán)境，特別是天空視野的開闊程度，并使用所需的最少數(shù)量的 GNSS信號來支持特定 LAS 應用的需求。

關(guān)閉 GNSS 功能最為省電，但這會導致每次打開都需要冷啟動。冷啟動的首次定位時間 （TTFF） 可能是 30 秒或更長時間，具體取決于 GNSS信號的可用性和強度，以及天線的尺寸和位置。輔助 GNSS 可以縮短首次定位時間，同時還能提供準確的信息。輔助 GNSS可以通過多種方式實現(xiàn)，例如：當前和預測的衛(wèi)星位置和時序參數(shù)（稱為“星歷數(shù)據(jù)”）、歷書，以及通過互聯(lián)網(wǎng)實時或間隔幾天下載的衛(wèi)星系統(tǒng)的準確時間和衛(wèi)星狀態(tài)校正數(shù)據(jù)。有些GNSS 接收器具有自主模式，在內(nèi)部計算 GNSS 軌道預測結(jié)果，而無需外部數(shù)據(jù)和連接。然而，使用自主模式可能需要定期打開接收器以下載當前星歷數(shù)據(jù)。

省電模式

除了輔助 GNSS 等連接選項外，許多 GNSS 接收器還支持設計人員在多番權(quán)衡更新率和功耗之后做出選擇，包括連續(xù)跟蹤、循環(huán)跟蹤、開/關(guān)操作和快照定位（圖3）。界定具體應用的性能時，選擇最優(yōu)跟蹤模式是另一個重要的考慮因素。如果工作條件發(fā)生變化，使得最優(yōu)省電模式無法使用，那么系統(tǒng)應當自動切換到次優(yōu)節(jié)能模式，以確保持續(xù)運行。

連續(xù)跟蹤適合于每秒需要更新幾次的應用。在這種模式下，GNSS 接收器獲取其位置、建立定位、下載歷書和星歷數(shù)據(jù)，然后切換到跟蹤模式以減少功耗。

循環(huán)跟蹤的兩次位置更新間隔需要幾秒鐘；如果信號和/或天線足夠大，能確保必要時可獲取定位信號，則這種模式很有用。如果跟蹤不需要獲取新的衛(wèi)星，則還能節(jié)省更多電力。

開/關(guān)操作需要在采集/跟蹤活動與休眠模式之間進行切換。休眠時間通常為幾分鐘，而開/關(guān)操作需要很強的 GNSS信號以盡量縮短首次定位時間，因此每個睡眠周期之后的功耗也很大。

快照定位的省電方式是：使用 GNSS 接收器進行本地信號處理，而更消耗算力的位置估算處理則交由云計算資源進行。當有互聯(lián)網(wǎng)連接時，快照定位可將 GNSS接收器的功耗降低 10 倍。若每天僅需要幾次位置更新，這種解決方案是一種有效的省電策略。

嵌入式天線支持 GNSS 增強功能

對于可以同時接收 GPS、Galileo 和 GLONASS GNSS 信號的系統(tǒng)，設計人員可以使用 u-blox 的 SAM-M8Q 貼片天線模塊（圖4）。在城市街谷等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，或當接收微弱信號時，同時使用三個星座可獲得很高的定位精度。為了加速定位和提高精度，SAM-M8Q支持增強功能，包括準天頂衛(wèi)星系統(tǒng) （QZSS）、GPS 輔助 GEO 增強導航 （GAGAN） 和室內(nèi)消息系統(tǒng) （IMES），以及廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、歐洲地球靜止軌道導航重疊服務 （EGNOS） 和 MTSAT 衛(wèi)星增強系統(tǒng) （MSAS）。

SAM-M8Q 模塊還能使用 u-blox 的 AssistNow 協(xié)助服務來提供 GNSS廣播參數(shù)，包括星歷數(shù)據(jù)、歷書以及時間或粗略位置，從而大大縮短首次定位時間。AssistNow 離線數(shù)據(jù)（長達 35 天）和 AssistNow 自主數(shù)據(jù)（長達3 天）的長有效期支持更快的首次定位，即使在長時間之后也有作用。

該物聯(lián)網(wǎng) （IoT） Google Cloud 開發(fā)平臺是一種連接和保護基于 PIC MCU 的應用的簡單方法。MikroElektronika 的GNSS 4 click 包含 SAM-M8Q 模塊，并利用 Microchip Technology 的 PIC?-IoT WG 開發(fā)板進行設計，以加快LAS 智慧城市應用的開發(fā)（圖 5）。PIC-IoT WG 開發(fā)板可為 Google Cloud IoT 用戶加快安全云連接應用的開發(fā)。此外，PIC-IoTWG 板為設計人員提供了分析和機器學習工具。

多星座 GNSS 加無線連接

對于可以從多星座 GNSS 支持 （GPS/Galileo/GLONASS） 和全球 LPWAN LTE 連接（從單個模塊，利用 Rel.14 第二代Cat.M1/NB1/NB2）獲益的小型 LAS 設備（如跟蹤器），設計人員可以借助 Thales 的 Cinterion TX62模塊（圖6）。該模塊具有一個靈活的架構(gòu)，支持利用主機處理器運行應用，或利用集成處理器在模塊內(nèi)部運行應用，因此解決方案尺寸可以進一步優(yōu)化。TX62 支持 3GPP省電模式 （PSM） 和擴展不連續(xù)接收 （eDRx），適用于對功耗敏感的應用。PSM 的休眠時間往往比 eDRX 長很多。更長的休眠時間使設備可以進入比eDRX 更深度、功耗更低的休眠模式。PSM 的休眠功耗低于 10 μA，而 eDRX 的休眠功耗高達 30 μA。

TX62 的安全功能包括安全密鑰存儲和證書處理，以支持云平臺的可信注冊，同時保護設備和數(shù)據(jù)，另外還有在制造期間預先集成到 TX62根的可信身份。需要時，設計人員可以指定可選的集成 eSIM，以簡化物流和制造過程，并通過動態(tài)訂閱更新和遠程配置提高其在現(xiàn)場的靈活性。

使用Portenta Cat.LAS，簡化了ArduinoPortenta H7應用的開發(fā)。M1/NB IoT GNSS盾牌 （圖7）。該盾板將Portenta H7 的邊緣計算能力與 TX62 的連接能力結(jié)合起來，以便支持智慧城市應用以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、公共事業(yè)和其他領域中的 LAS資產(chǎn)跟蹤和遠程監(jiān)控的開發(fā)?；拘?Portenta Cat.M1/NB IoT GNSS 盾板不包括 GSM/UMTS 天線。設計人員可以使用 Arduino偶極五頻防水天線，而不用尋找兼容天線。

Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS 盾板的其他優(yōu)勢包括：

能夠在不改變電路板的情況下改變連接

為任何基于 Portenta 的設計增加定位能力和 NB-IoT、CAT.M1

顯著降低物聯(lián)網(wǎng)設備的通信帶寬需求

外形緊湊：66 mm x 25.4 mm

工作溫度范圍：-40°C 至 +85°C（-104°F 至 185°F）

總結(jié)

低功耗、高性能 GNSS 技術(shù)的進步是推動 LAS智慧城市應用增長的因素。然而，使用能效最高的硬件只是起點，優(yōu)化固件以達成最優(yōu)節(jié)能解決方案同樣重要。開發(fā)基于 GNSS 的 LAS應用時，有許多硬件和固件的組合可供選擇，設計人員可以借助各種評估工具來加速開發(fā)過程。