GNSS-Plattform schneidet Strom ab, Zeit bis zur ersten Fehlerbehebung

U-blox hat mit dem M10 seine neueste GNSS-Plattform (Global Navigation Satellite System) für Positionsbestimmungsanwendungen mit geringem Stromverbrauch vorgestellt. Das vollständig im eigenen Haus entwickelte U-blox M10 passt in eine Vielzahl von Anwendungen wie Sportuhren, Warenverfolgungs- und Viehanhänger, alles in einem kleinen Formfaktor und mit einer sehr langen Akkulaufzeit.

Der M10 ist mit der Super-S-Technologie des Unternehmens ausgestattet, die hilft, Rauschen zu filtern und Positionssignale zu unterscheiden. Das Gerät kann selbst in unwirtlichen Umgebungen, wie beispielsweise in Stadtschluchten, gleichzeitig Daten von bis zu vier GNSS-Konstellationen erfassen. Wolkenkratzer blockieren die Sichtlinie zwischen Satelliten und Empfängern, was es für GNSS-Empfänger extrem schwierig macht, Signale von Satelliten im Orbit lange genug zu erfassen, um sich selbst kontinuierlich zu orten. Die Erhöhung der Anzahl der Satelliten kann einen erheblichen Unterschied machen.

In einer EE Times Interview Bernd Heidtmann, Produktmanager Positionierung bei der U-blox AG, hob hervor, wie der M10 entwickelt wurde, um 12 mW im kontinuierlichen Tracking-Modus zu verbrauchen, eine Reduzierung um etwa das Fünffache gegenüber der vorherigen Technologie des Mutterunternehmens (M8).

„Die Super-S-Technologie optimiert den Stromverbrauch und die Genauigkeit bei schwachen Signalen oder kleinen Antennen. Short Time-to-First-Fix (TTFF) sorgt für einen geringen Stromverbrauch und die Funktion zur Kompensation schwacher Signale verbessert die Positionsgenauigkeit“, sagte Heidtmann.

Abbildung 1:u-blox M10 und u-blox M8 (Quelle:u-blox)

GNSS-Plattform

Da wir uns zunehmend auf die Satellitenortung verlassen, erwarten wir weiterhin eine höhere Positionsgenauigkeit. Dank der Reduzierung der Hardware- und Software-Elektronikkosten hat es eine große Erweiterung in Bezug auf Anwendungen und Anwendungsfälle gegeben.

Das globale Navigationssatellitensystem Galileo der EU ermöglicht es GNSS-Empfängern sicherzustellen, dass die Satellitensignale tatsächlich von den Galileo-Satelliten stammen und nicht verändert wurden. Dieser Ansatz erschwert es Hackern, ihren „Job“ zu erledigen. Die europäische GNSS-Konstellation wird die erste sein, die zivilen Benutzern kostenlose authentifizierte Navigationsnachrichten anbietet.

Galileo ist das European Global Navigation Satellite System (GNSS), das entwickelt wurde, um Benutzern auf der ganzen Welt Positions-, Navigations- und Wetterinformationen bereitzustellen. Im Gegensatz zu anderen GNSS-Systemen wird Galileo von einer zivilen Einrichtung, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), verwaltet und wurde als Reaktion auf die Bedürfnisse verschiedener Benutzergemeinschaften entwickelt.

Das Galileo-Satellitensegment umfasst den Einsatz von 30 Satelliten (24 betriebsbereit und 6 Ersatzsatelliten) im Orbit in einer Höhe von über 23.000 Kilometern. Die Satelliten werden gleichmäßig auf drei Umlaufbahnen verteilt und jede wird etwa 14 Stunden brauchen, um die Erde zu umkreisen.

Der verwendete Sicherheitsansatz besteht darin, eine verschlüsselte Authentifizierungssignatur an GNSS-Navigationsnachrichten anzubringen, die verwendet werden kann, um Nachrichten basierend auf einem hybriden symmetrischen/asymmetrischen Schlüsselansatz zu verifizieren. Die GNSS-Datenauthentifizierung wird eine wichtige Rolle bei fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen, autonomem Fahren oder einer Reihe von riskanten Geschäftsaktivitäten spielen.

U-blox-Hardware

Der U-blox M10 ist auf einen Verbrauch von 12 mW im kontinuierlichen Tracking-Modus ausgelegt, wodurch der Verbrauch für batteriebetriebene Anwendungen niedrig gehalten wird. Die erhöhte HF-Empfindlichkeit des M10 verkürzt auch die Zeit, die die Plattform braucht, um nach der Initialisierung eine erste feste Position zu erreichen, und funktioniert auch mit kleinen Antennen gut.

„Die Chipgröße von U-blox M10 beträgt 4×4 mm in einem QFN-Gehäuse. Das „MAX“-Modul ermöglicht die Integration ohne erforderliche externe Komponenten. Der Formfaktor „ZOE“ hat die gleiche Funktionalität wie MAX- und NEO-Module. Und das ist ein sogenanntes System im Paket. Es hat die gleiche Funktionalität wie das max-Modul, ist aber auf nur 20 Quadratmillimeter verpackt“, so Heidtmann.

Abbildung 2:Die drei Module, von links:QFN-Paket, MAX-Modul und ZOE-Formfaktor (Quelle:u-blox)

Zwei in Australien und Deutschland durchgeführte Tests haben gezeigt, dass Super-S und der verbesserte „Super-E“-Modus selbst in rauen Umgebungen, in denen große Gebäude das Signal verdecken können, eine noch stärkere Leistungsreduzierung mit geringeren Aktualisierungsraten ermöglichen und die Messung dort optimieren, wo das Signal ist sehr niedrig (Abbildung 3).

Die Super-S-Technologie adressiert zwei häufige Herausforderungen, die bei industriellen Tracking- und Wearable-Anwendungsfällen auftreten:schwache GNSS-Signale und unzureichende Antennenpositionierung, aber auch Faktoren wie schlechtes Wetter, behinderte Himmelsansichten und Straßenschluchten beeinträchtigen die Qualität der GNSS-Signale, die die Positionsbestimmung erreichen Empfänger, wodurch die Positionierungsleistung verringert wird. Die u-blox Super-S-Technologie kombiniert 2 verschiedene Größen, um diesen Situationen gerecht zu werden.

GNSS-Empfänger können sich in zwei Betriebsphasen befinden:der Erfassungsphase und der Verfolgungsphase. In der ersten Phase ist die Sensitivität höher und die Erfassungszeit wird reduziert, indem eine Position mit höherer Wahrscheinlichkeit erreicht wird und wenig Energie verbraucht wird. In der nächsten Phase gilt es, die Position zu halten.

Abbildung 3:Maximale Positionsverfügbarkeit bei gleichzeitigem Empfang von 4 GNSS in Australien (Quelle:u-blox)

Abbildung 4:Schwachsignalkompensation in Deutschland (Quelle:u-blox)

„Wenn Sie sich das Bild ansehen, sehen Sie links in Abbildung 3 eine Eins und eine Zwei. Bei Nummer eins sieht man, dass die Gebäude nicht so hoch sind wie bei Nummer zwei. Und wenn Sie nach rechts schauen, sehen Sie all diese farbigen Linien, und Grün ist der wahre Weg, wirklich die wahre Position. Dann gibt es noch M8 in Gelb und M10 in Blau. Und für Nummer eins sehen Sie, dass es fast keinen Unterschied gibt. Sie berichten im Grunde die wahre Situation. Aber wenn Sie sich Nummer zwei ansehen, sehen Sie einen Unterschied. Die gelbe Linie ist etwa 20 Meter von der grünen entfernt. Und die blaue Linie ist etwa 10 Meter von der grünen entfernt. Und da sehen wir in einem solchen Szenario, in dem es sehr hohe Gebäude in tiefen Stadtgebieten gibt, dass es einen Unterschied macht, 4 GNSS zu haben“, sagte Heidtmann.

Er fügte hinzu:„Wenn Sie sich in dieser Gegend befinden, können Sie nicht jeden Satelliten sehen, weil die Gebäude Ihnen einen Schatten geben. Und wenn Sie alle vier Konstellationen hören können, werden Sie mehr Satelliten einholen. Und das hat natürlich auch einen Vorteil, denn es gibt immer eine Auswahl. Der Empfänger sieht sich also alle verfügbaren Satelliten an und wählt dann die maximal 30 zu verfolgenden Signale aus. Aber natürlich hat man in dieser Situation keine 30, man hat Glück, wenn man acht oder neun hat“, sagt Heidtmann

Kleine Antennen oder schlechte Antennenpositionen führen zu einer schlechten HF-Signalstärke. Die Schwachsignalkompensation ändert das Empfängerverhalten, um sich dieser Situation anzupassen. „Fahrtests zeigten eine Verbesserung der Positions- und Geschwindigkeitsgenauigkeit von>25 %“, sagte Heidtmann.

Abbildung 5:Blockschaltbild von M10 (Quelle:u-blox)

Abbildung 6:u-blox M10 und M8 im Vergleich (Quelle:u-blox)

u-blox M10 bietet erweiterte Spoofing- und Jamming-Erkennung. „Spoofing- und Jamming-Angriffe werden erkannt und dem Host gemeldet. Spoofing-Erkennung basierend auf GNSS-Rohdatenanalyse und Abwehr von Spoofing-Angriffen mithilfe eines authentifizierten Signals (Galileo OS-NMA)“, sagte Heidtmann.

Kritische Anwendungen müssen wissen, wie viel Vertrauen sie in ihre Daten setzen können, die von Empfängern erfasst werden. Das Schutzniveau beschreibt den maximalen Positionsfehler und quantifiziert die Zuverlässigkeit des Systems. Dieses Level wird von allen Fehlerquellen beeinflusst, die üblicherweise GNSS-Lösungen betreffen.

„Bestimmt beispielsweise ein GNSS-Empfänger seine Position mit einem 95-%-Schutzniveau von einem Meter, ist die gemeldete Position mit einer Wahrscheinlichkeit von nur 5 % mehr als einen Meter von seiner tatsächlichen Position entfernt“, sagt Heidtmann.

Innovationen bei Systemen und Technologien im Zusammenhang mit dem GNSS-Sektor (Global Navigation Satellite System) sind ein Prozess in ständiger und schneller Entwicklung. Die augenblickliche Genauigkeit von GPS auf diesen Ebenen war der US-Verteidigung vorbehalten, aber dies löste den Wettlauf um zuverlässigere alternative Systeme aus, aus denen GNSS (Global Navigation Satellite Systems) mit Beiträgen aus mehreren Ländern auf der ganzen Welt, wie dem russischen GLONASS . hervorging , das chinesische Beidou und das europäische Galileo. Galileo-Daten helfen dabei, Beacons zu lokalisieren und Menschen in Not in allen möglichen Umgebungen zu retten.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EE veröffentlicht Zeiten.

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