วิธีใช้โมดูล GNSS เพื่อสร้างโซลูชันเมืองอัจฉริยะจากการรับรู้ตำแหน่ง

บริการระบุตำแหน่ง (LAS) ในเมืองอัจฉริยะกำลังถูกนำไปใช้ในด้านต่าง ๆ รวมถึงบริการของรัฐบาล การขนส่ง การจัดการจราจร พลังงาน การดูแลสุขภาพ น้ำและของเสีย และการสร้างเมืองที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น ยั่งยืนมากขึ้น และเชื่อมโยงกันได้ดีขึ้น ซึ่งมักมีความจำเป็นที่จะต้องเข้าใจระยะห่างระหว่างอุปกรณ์ใกล้เคียงในการใช้งานเหล่านี้ โดยที่ความต้องการความสามารถด้านตำแหน่งโดยใช้ตัวรับสัญญาณระบบดาวเทียมนำทางทั่วโลก (GNSS) แบบ Multi-constellation สำหรับดาวเทียม Galileo ของยุโรป, GPS ของสหรัฐอเมริกา, GLONASS ของรัสเซีย และระบบดาวเทียมนำทาง BeiDou ของจีนสำหรับบริการระบุตำแหน่งกำลังเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ประโยชน์ของการใช้ตัวรับสัญญาณ GNSS แบบ Multi-constellation ได้แก่ ความพร้อมใช้งานของสัญญาณตำแหน่ง การนำทาง และเวลา (PNT) ที่ดีขึ้น มีความแม่นยำและความสมบูรณ์เพิ่มขึ้น และทนทานมากขึ้น แต่การพัฒนาตัวรับสัญญาณ GNSS แบบ Multi-constellation เป็นสิ่งที่ซับซ้อนและใช้เวลานาน

บทความนี้กล่าวถึงข้อควรพิจารณาในการออกแบบระบบที่สำคัญเมื่อใช้ตัวรับสัญญาณ GNSS แบบ Multi-constellation หลังจากนั้นจะนำเสนอแพลตฟอร์ม GNSS และสภาพแวดล้อมสำหรับการพัฒนา (Development Environment) จาก u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales และ Arduino เพื่อการพัฒนาเมืองอัจฉริยะที่มีการรับรู้ตำแหน่งอย่างมีประสิทธิภาพและคุ้มทุน

การปรับปรุงเทคโนโลยี GNSS โดยเฉพาะอย่างยิ่งให้มีความต้องการพลังงานที่ลดลง มีส่วนสำคัญในการใช้งาน GNSS ที่เพิ่มขึ้นและการเพิ่มบริการ LAS ในระบบเมืองอัจฉริยะ การลดการใช้พลังงานของตัวรับสัญญาณ GNSS จาก 120 มิลลิวัตต์ (mW) ในปี 2010 เป็น 25 mW ในปี 2020 (รูปที่ 1) แท้จริงแล้วความต้องการพลังงานของตัวรับสัญญาณ GNSS ลดลงเร็วกว่าความต้องการพลังงานของส่วนประกอบระบบ LAS ส่วนใหญ่อื่น ๆ เทคโนโลยี GNSS ที่เก่ากว่านั้นใช้พลังงานมากเมื่อเทียบกับองค์ประกอบอื่น ๆ ของระบบ ทุกวันนี้ความต้องการพลังงานของ GNSS มักน้อยกว่า 10 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานโดยรวม

รูปที่ 1: การใช้พลังงานของตัวรับสัญญาณ GNSS ลดลงจาก 120 mW ในปี 2010 เป็น 25 mW ในปี 2020 (แหล่งที่มารูปภาพ: u-blox)

ความท้าทายด้านการใช้พลังงาน

ในขณะที่การใช้พลังงานของตัวรับสัญญาณ GNSS ลดลงอย่างมาก ความซับซ้อนของโซลูชันพลังงาน/ประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุดก็ทวีคูณขึ้น ไม่ใช่ทุกการออกแบบของ LAS ที่ต้องการการประมาณตำแหน่ง GNSS อย่างต่อเนื่องหรือต้องการความแม่นยำของตำแหน่งในระดับสูง นักออกแบบมีเครื่องมือที่หลากหลายในการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและการใช้พลังงานของ GNSS รวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพฮาร์ดแวร์และแนวทางที่ใช้เฟิร์มแวร์

การใช้ส่วนประกอบที่ใช้พลังงานต่ำ โดยเฉพาะตัวขยายสัญญาณ RF สัญญาณรบกวนต่ำ (Low-noise RF Amplifier, LNA), ออสซิลเลเตอร์ และนาฬิกาแบบเรียลไทม์ (RTC) เป็นขั้นตอนแรกในการพัฒนาโซลูชัน GNSS ที่ประหยัดพลังงาน ทางเลือกระหว่างเสาอากาศแบบแอคทีฟและพาสซีฟเป็นตัวอย่างที่ดี เสาอากาศแบบพาสซีฟมีต้นทุนที่ต่ำกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่าแต่ไม่ตรงกับความต้องการของทุกการใช้งาน เสาอากาศแบบแอคทีฟอาจเป็นทางเลือกที่ดีในหุบเขาเมือง ภายในอาคาร หรือสถานที่อื่น ๆ ที่มีความแรงของสัญญาณต่ำ โดยที่ LNA ในเสาอากาศแบบแอคทีฟช่วยเพิ่มความสามารถในการรับสัญญาณที่อ่อนแอเป็นอย่างมาก แต่ก็ต้องใช้พลังงานจำนวนมากเช่นกัน เมื่อการใช้พลังงานเป็นสิ่งสำคัญ และขนาดเสาอากาศนั้นไม่สำคัญมากนัก เสาอากาศแบบพาสซีฟที่ใหญ่กว่ามักจะให้ประสิทธิภาพเท่ากับเสาอากาศแบบแอคทีฟที่มีขนาดเล็ก ในขณะที่ยังคงให้ความพร้อมใช้งานตำแหน่งและระดับความแม่นยำสูง

ตัวรับสัญญาณ GNSS ส่วนใหญ่สามารถให้อัตราการอัปเดต 10 เฮิรตซ์ (Hz) หรือสูงกว่า แต่การใช้งาน LAS ส่วนใหญ่ทำงานได้ดีกับอัตราการอัปเดตที่ช้ากว่าและใช้พลังงานน้อยกว่ามาก การเลือกอัตราการอัปเดตที่เหมาะสมที่สุดอาจส่งผลกระทบต่อการใช้พลังงานมากที่สุด นอกเหนือจากการพิจารณาด้านฮาร์ดแวร์แล้ว นักออกแบบยังมีเครื่องมือเฟิร์มแวร์มากมายที่พร้อมใช้งานเมื่อปรับการใช้พลังงานให้เหมาะสม ซึ่งรวมถึงอัตราการอัปเดต, จำนวนกลุ่ม GNSS ที่ติดตามตำแหน่งพร้อมกัน, ระบบเสริม GNSS และโหมดประหยัดพลังงานที่หลากหลาย (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: นอกเหนือจากการใช้โซลูชันฮาร์ดแวร์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดแล้ว นักออกแบบยังมีเครื่องมือเฟิร์มแวร์หลายอย่างเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและการใช้พลังงานของ GNSS (แหล่งที่มารูปภาพ: u-blox)

อาจจำเป็นต้องติดตามกลุ่ม GNSS หลายกลุ่มพร้อมกันในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย แม้ว่าการรับสัญญาณโดยใช้ความถี่ช่วงต่าง ๆ จะช่วยให้มั่นใจถึงการระบุตำแหน่งที่คงทน แต่ยังเพิ่มการใช้พลังงานอีกด้วย สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจสภาพแวดล้อมการทำงานที่เฉพาะเจาะจง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเปิดมุมมองท้องฟ้า และใช้สัญญาณ GNSS จำนวนที่จำเป็นขั้นต่ำ เพื่อรองรับความต้องการของการใช้งาน LAS เฉพาะ

การปิดฟังก์ชัน GNSS ช่วยประหยัดพลังงานได้มากที่สุด แต่ส่งผลให้จะต้องเริ่มเปิดใช้งานใหม่ทุกครั้งที่เปิดเครื่อง เวลาในการแก้ไขครั้งแรก (TTFF) สำหรับการเริ่มเปิดใช้งานใหม่อาจใช้เวลา 30 วินาทีหรือนานกว่านั้น ขึ้นอยู่กับความพร้อมใช้งานและความแรงของสัญญาณ GNSS และขนาดและตำแหน่งของเสาอากาศ ระบบเสริม GNSS สามารถลด TTFF ในขณะที่ยังให้ข้อมูลที่ถูกต้อง ระบบเสริม GNSS สามารถนำไปใช้ได้หลายวิธี รวมถึงตำแหน่งและพารามิเตอร์เวลาของดาวเทียมในปัจจุบันและที่คาดการณ์ไว้ (เรียกว่า 'ข้อมูลวงโคจรที่ถูกต้องของดาวเทียม') ข้อมูลตำแหน่งโดยประมาณของดาวเทียมทั้งหมด และข้อมูลการแก้ไขเวลาและสถานะดาวเทียมที่แม่นยำสำหรับระบบดาวเทียมที่ดาวน์โหลดผ่านอินเทอร์เน็ตแบบเรียลไทม์หรือ เป็นช่วง ๆ เวลานานหลายวัน ตัวรับสัญญาณ GNSS บางตัวมีโหมดอัตโนมัติที่คำนวณการคาดการณ์วงโคจรของ GNSS ภายใน ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ข้อมูลภายนอกและการเชื่อมต่อ อย่างไรก็ตามการใช้โหมดอัตโนมัติอาจทำให้เครื่องรับต้องเปิดอยู่เป็นระยะเพื่อดาวน์โหลดข้อมูลวงโคจรที่ถูกต้องของดาวเทียมปัจจุบัน

โหมดประหยัดพลังงาน

นอกเหนือจากตัวเลือกการเชื่อมต่อ เช่น ระบบเสริม GNSS ตัวรับสัญญาณ GNSS จำนวนมากยังช่วยให้นักออกแบบสามารถเลือกรูปแบบการแลกเปลี่ยนระหว่างอัตราการอัปเดตและการใช้พลังงาน รวมถึงการติดตามอย่างต่อเนื่อง การติดตามแบบวนซ้ำ การดำเนินการเปิด/ปิด และการกำหนดตำแหน่งสแน็ปช็อต (รูปที่ 3) การเลือกโหมดการติดตามที่เหมาะสมถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญอีกประการหนึ่งในการกำหนดประสิทธิภาพของการใช้งานเฉพาะ หากสภาพการทำงานเปลี่ยนแปลง ทำให้ไม่สามารถใช้งานโหมดประหยัดพลังงานที่เหมาะสมได้ ระบบควรสลับไปยังโหมดประหยัดพลังงานถัดไปโดยอัตโนมัติเพื่อให้แน่ใจว่ามีการทำงานอย่างต่อเนื่อง

รูปที่ 3: โหมดประหยัดพลังงานต้องจับคู่กับอัตราการอัปเดตที่จำเป็นเพื่อปรับประสิทธิภาพของระบบ GNSS ให้เหมาะสม (แหล่งที่มารูปภาพ: u-blox)

การติดตามอย่างต่อเนื่อง เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการอัปเดตสองสามครั้งต่อวินาที ตัวรับสัญญาณ GNSS ได้รับตำแหน่งในโหมดนี้ กำหนดตำแหน่งที่แน่นอน ดาวน์โหลดข้อมูลตำแหน่งโดยประมาณของดาวเทียมทั้งหมด และข้อมูลวงโคจรที่ถูกต้องของดาวเทียม จากนั้นสลับไปที่โหมดติดตามเพื่อลดการใช้พลังงาน

การติดตามตามรอบ ใช้เวลาหลายวินาทีระหว่างการอัปเดตตำแหน่ง และมีประโยชน์เมื่อสัญญาณและ/หรือเสาอากาศมีขนาดใหญ่เพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณตำแหน่งสามารถเข้าถึงได้ตามความจำเป็น สามารถประหยัดพลังงานได้หากการติดตามไม่ต้องใช้การรับข้อมูลจากดาวเทียมใหม่

การทำงานแบบเปิด/ปิด เป็นการสลับระหว่างกิจกรรมการรับข้อมูลจากดาวเทียม/การติดตามและโหมดพักเครื่อง โดยปกติแล้วในโหมดพักเครื่องจะใช้เวลาหลายนาที และการเปิด/ปิดการทำงานต้องใช้สัญญาณ GNSS ที่แรงเพื่อลด TTFF และการใช้พลังงานหลังจากช่วงพักเครื่องแต่ละครั้งให้เหลือน้อยที่สุด

การหาตำแหน่งสแนปชอต ประหยัดพลังงานโดยใช้ตัวรับรัญญาณ GNSS สำหรับการประมวลผลสัญญาณในพื้นที่รวมกับทรัพยากรการประมวลผลแบบคลาวด์สำหรับการประมวลผลการประมาณตำแหน่งที่ต้องใช้การคำนวณมากขึ้น เมื่อมีการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต การหาตำแหน่งสแนปช็อตสามารถลดการใช้พลังงานของเครื่องรับ GNSS ได้สิบเท่า โซลูชันนี้สามารถเป็นกลยุทธ์ในการประหยัดพลังงานที่มีประสิทธิภาพเมื่อจำเป็นต้องอัปเดตตำแหน่งเพียงไม่กี่ครั้งต่อวัน

เสาอากาศในตัวรองรับการเสริม GNSS

นักออกแบบสามารถใช้งานโมดูลแพทช์เสาอากาศ SAM-M8Q จาก u-blox สำหรับระบบที่ได้รับประโยชน์จากการรับสัญญาณ GPS, Galileo และ GLONASS GNSS พร้อมกัน (รูปที่ 4) การใช้กลุ่มดาวเทียมสามกลุ่มพร้อมกันส่งผลให้เกิดความแม่นยำของตำแหน่งสูงในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย เช่น หุบเขาเมืองหรือเมื่อรับสัญญาณอ่อน เพื่อเพิ่มความเร็วในการระบุตำแหน่งและปรับปรุงความแม่นยำ SAM-M8Q รองรับฟังก์ชั่นการเพิ่มคุณภาพ รวมถึงระบบดาวเทียม Quasi-Zenith (QZSS), GPS Aided GEO Augmented navigation (GAGAN) และระบบส่งข้อความในร่ม (IMES) ร่วมกับระบบเสริมพื้นที่กว้าง ( WAAS) European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) และระบบเสริมดาวเทียม MTSAT (MSAS)

รูปที่ 4: โมดูล SAM-M8Q รองรับการรับสัญญาณ GNSS พร้อมกันสูงสุดสามแหล่ง (GPS, Galileo, GLONASS) (แหล่งที่มารูปภาพ: u-blox)

โมดูล SAM-M8Q ยังสามารถใช้บริการช่วยเหลือ u-blox AssistNow ที่มีพารามิเตอร์การบรอดแคสต์ GNSS รวมถึงข้อมูลตำแหน่งโดยประมาณของดาวเทียมทั้งหมด ข้อมูลวงโคจรที่ถูกต้องของดาวเทียม บวกเวลาหรือตำแหน่งคร่าว ๆ เพื่อลด TTFF ได้อย่างมาก ความถูกต้องที่เพิ่มขึ้นของข้อมูล AssistNow Offline (สูงสุด 35 วัน) และข้อมูล AssistNow Autonomous (สูงสุด 3 วัน) รองรับ TTFF ที่เร็วขึ้นแม้หลังจากขยายเวลาออกไป

แพลตฟอร์มการพัฒนา Google Cloud ของ Internet of Things (IoT) นี้ให้วิธีง่าย ๆ ในการเชื่อมต่อและรักษาความปลอดภัยให้กับการใช้งานที่ใช้ PIC MCU ซึ่ง GNSS 4 click จาก MikroElektronika มีโมดูล SAM-M8Q และได้รับการออกแบบด้วยบอร์ดพัฒนา PIC®-IoT WG จาก Microchip Technology เพื่อเร่งการพัฒนาการใช้งานเมืองอัจฉริยะ LAS (ภาพที่ 5) บอร์ดพัฒนา PIC-IoT WG ช่วยให้ผู้ใช้ Google Cloud IoT สามารถเร่งการพัฒนาการใช้งานที่เชื่อมต่อกับคลาวด์ได้อย่างปลอดภัย นอกจากนี้ บอร์ด PIC-IoT WG ยังเป็นเครื่องมือวิเคราะห์และแมชชีนเลิร์นนิงให้กับนักออกแบบอีกด้วย

รูปที่ 5: บอร์ด GNSS 4 click มีโมดูลเสาอากาศแพทช์ SAM-M8Q จาก u-blox (แหล่งที่มารูปภาพ: DigiKey)

GNSS แบบ Multi-constellation พร้อมการเชื่อมต่อไร้สาย

สำหรับอุปกรณ์ LAS ขนาดเล็ก เช่น ตัวติดตามที่สามารถใช้ประโยชน์จากการรองรับ GNSS แบบ Multi-constellation (GPS/Galileo/ GLONASS) และการเชื่อมต่อ LPWAN LTE ทั่วโลกจากโมดูลเดียวที่ใช้ประโยชน์จาก Rel รุ่น 14 วินาที Cat. M1/NB1/NB2 นักออกแบบสามารถใช้โมดูล Cinterion TX62 จาก Thales (รูปที่ 6) โดยสามารถปรับขนาดให้เหมาะสมได้โดยใช้สถาปัตยกรรมที่ยืดหยุ่นของโมดูลซึ่งสนับสนุนการทำงานที่ทำงานอยู่โดยใช้โฮสต์โปรเซสเซอร์หรือทำงานภายในโมดูลโดยใช้ตัวประมวลผลภายใน TX62 รองรับโหมดประหยัดพลังงาน (PSM) 3GPP และการรับสัญญาณที่ไม่ต่อเนื่องแบบขยาย (eDRx) สำหรับการใช้งานที่ไวต่อพลังงาน เวลาพักเครื่องในโหมด PSM มักจะนานกว่า eDRX มาก เวลาพักเครื่องที่นานขึ้นเหล่านี้ช่วยให้อุปกรณ์เข้าสู่โหมดประหยัดพลังงานที่ลึกกว่าและต่ำกว่า eDRX พลังงานระหว่างการพักเครื่องของ PSM ต่ำกว่าสิบไมโครแอมป์ ในขณะที่พลังงานระหว่างการพักเครื่องของ eDRX สูงถึง 30 ไมโครแอมป์

รูปที่ 6: โมดูล TX62 IoT รองรับการสื่อสาร LTE-M, NB1 และ NB2 และ GNSS แบบ Multi-constellation (แหล่งที่มารูปภาพ: Thales)

คุณสมบัติการรักษาความปลอดภัย TX62 รวมถึงการจัดเก็บคีย์อย่างปลอดภัยและการจัดการใบรับรอง เพื่อรองรับการลงทะเบียนที่เชื่อถือได้ในแพลตฟอร์มคลาวด์ในขณะที่ปกป้องอุปกรณ์และข้อมูล รวมถึงข้อมูลประจำตัวที่เชื่อถือได้ซึ่งรวมอยู่ในรูทของ TX62 ล่วงหน้าในระหว่างการผลิต เมื่อจำเป็นนักออกแบบสามารถระบุตัวเลือก eSIM ในตัว ซึ่งสามารถลดความซับซ้อนของกระบวนการขนส่งและการผลิต และปรับปรุงความยืดหยุ่นในภาคสนามผ่านการอัปเดตการสมัครรับข้อมูลแบบไดนามิกและการจัดเตรียมระยะไกล

การพัฒนา LAS ในการใช้งาน Arduino Portenta H7 ง่ายขึ้นโดยใช้ Portenta Cat M1/NB IoT GNSS Shield (รูปที่ 7) ชิลด์รวมพลังการประมวลผลระดับเอดจ์ของ Portenta H7 กับการเชื่อมต่อของ TX62 เพื่อให้สามารถพัฒนาการติดตามทรัพย์สินของ LAS และการตรวจสอบระยะไกลในการใช้งานเมืองอัจฉริยะตลอดจนอุตสาหกรรม เกษตรกรรม สาธารณูปโภค และพื้นที่อื่น ๆ Portenta Cat พื้นฐาน M1/NB IoT GNSS Shield ไม่มีเสาอากาศ GSM/UMTS แทนที่จะค้นหาเสาอากาศที่เข้ากันได้ นักออกแบบสามารถใช้ เสาอากาศกันน้ำไดโพลเพนตาแบนด์ของ Arduino ได้

รูปที่ 7: Portenta CATM1/NB IoT GNSS Shield ประกอบด้วยโมดูล TX62-W IoT (สี่เหลี่ยมสีเหลืองขนาดใหญ่) (ที่มาของภาพ: Arduino)

ประโยชน์เพิ่มเติมของ Portenta CATM1/NB IoT GNSS Shield ประกอบด้วย:

• ความสามารถในการเปลี่ยนการเชื่อมต่อโดยไม่ต้องเปลี่ยนบอร์ด
• เพิ่มการวางตำแหน่งบวกกับ NB-IoT, CATM1 การออกแบบตาม Portenta ใด ๆ
• ลดความต้องการแบนด์วิดท์การสื่อสารในอุปกรณ์ IoT ลงอย่างมาก
• รูปแบบกะทัดรัด 66 มม. x 25.4 มม.
• อุณหภูมิทำงานที่ -40°C ถึง +85°C (-104°F ถึง 185°F)

สรุป

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยี GNSS ที่ใช้พลังงานต่ำและมีประสิทธิภาพสูงเป็นปัจจัยที่ขับเคลื่อนการเติบโตของเมืองอัจฉริยะของ LAS อย่างไรก็ตามการใช้ฮาร์ดแวร์ที่ประหยัดพลังงานที่สุดเป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น การปรับเฟิร์มแวร์ให้ได้โซลูชันที่ดีที่สุดและประหยัดพลังงานก็มีความสำคัญเช่นกัน โดยมีฮาร์ดแวร์และเฟิร์มแวร์ที่หลากหลายให้เลือกใช้สำหรับการพัฒนา LAS ที่ใช้ GNSS และนักออกแบบสามารถเปลี่ยนใช้เครื่องมือการประเมินผลที่หลากหลายเพื่อเพิ่มความเร็วในกระบวนการพัฒนา