|
В данной статье рассматривается одночиповая Бэйдоу/Галилео/ГЛОНАСС/GPS/QZSS/SBAS архитектура для использования в сотовых телефонах и планшетах. Авторы объясняют конечному потребителю преимущества использования нескольких спутниковых систем. Они также изучают подробности взаимозаменяемости систем, проблемы, связанные с мультисистемностью, и то, как технология Assisted-GNSS работает со всеми системами, включая Бэйдоу.
Если посчитать суммарное количество спутников в системах GPS, ГЛОНАСС, SBAS, Бэйдоу, QZSS и Галилео, то их количество превысит 80. Зачем нам нужны все эти спутники? Ответ прост: в городе нам нужно несколько (от шести до восьми) хороших спутников с неограниченной радиовидимостью и хорошим показателем снижения точности определения положения в горизонтальной плоскости (HDOP). Для того, чтобы добиться этого, нам требуется больше спутников, чем может предложить одна любая из имеющихся спутниковых систем. В этой статье будут рассмотрены следующие вопросы.
- межсистемное радиочастотное смещение с трехдиапазонным внешним интерфейсом. Бэйдоу использует иной радиочастотный блок, нежели GPS/Галилео/QZSS/SBAS и ГЛОНАСС. В результате мы получаем межсистемное смещение в приемнике между Бэйдоу и любой из остальных систем – не только потому, что Бэйдоу работает на иной частоте, но и вследствие использования иного радиочастотного канала в приемнике.
- в космическом сегменте межсистемные смещения вызваны преимущественно различиями во временных стандартах.
- вспомогательные сигналы Бэйдоу. Для того, чтобы реализовать вышеупомянутые преимущества, нам требуется размещение инфраструктуры для вспомогательных сигналов Бэйдоу в соответствии со стандартами 3GPP.
- покрытие за пределами Китая. Европейцы могут видеть больше спутников Бэйдоу, чем собственных спутников Галилео. На момент написания статьи (март 2014) спутников Бэйдоу было доступно в два раза больше, чем спутников Галилео. Таким образом, при использовании в мультисистемном ГНСС-приемнике Бэйдоу уже не является всего лишь региональной системой.
- мы продемонстрируем все из вышеперечисленного на практике, объясняя и показывая, как достигается взаимозаменяемость, а также представим, где первые определения местоположения могут быть рассчитаны с использованием одного спутника каждого типа.
Рисунок 1. Спутниковые сигналы в Сан-Франциско. Оранжевые – блокированные, но отраженные сигналы; белые – сигналы ГЛОНАСС с неограниченной видимостью; голубые – сигналы GPS с неограниченной видимостью.
Все линии на Рисунке 1 показывают сигналы, активно отслеживаемые приемником с позиции, показанной в правой части. Оранжевые линии относятся к блокированным спутникам, но их отраженный сигнал отслеживается. Мы не будем использовать такие данные без крайней необходимости, поэтому нам требуется больше спутников для обеспечения достаточного количества сигналов с неограниченной видимостью.
Давайте взглянем на уровень HDOP сигналов с неограниченной видимостью. Уровень HDOP у трех GPS-спутников с неограниченной видимостью составил 50. У трех ГЛОНАСС-спутников этот показатель составил 45. Однако, при совмещении ГНСС-систем уровень HDOP этих шести спутников упал до отметки 2,2. Другими словами, мы наблюдаем 20-кратное повышение точности при комбинировании спутников.
В городах существует много мест и временных отрезков, когда в зоне прямой видимости находится один или два спутника одной системы, и нам требуется наличие не только GPS и ГЛОНАСС для того, чтобы получить желаемое количество хороших сигналов. Этим и объясняется желание и необходимость наличия в приемнике всех доступных спутниковых группировок.
В системе Бэйдоу-2 есть пять геостационарных спутников (GEO), пять наклонных геосинхронных спутников (GSO) и четыре среднеорбитальных спутника (MEO). При наличии в системе 14 спутников ее покрытие показано на Рисунке 2. На нем показано, какое количество времени видны четыре или более спутников Бэйдоу выше 10-градусного угла маскировки. В Азиатско-Тихоокеанском регионе, где расположены GEO-спутники и GSO-спутники, покрытие составляет 100 процентов времени. Фактически, большую часть времени в этом регионе видно 7-8 спутников.
Рисунок 2. Глобальное покрытие Бэйдоу-2.
Как видно на Рисунке 3, за пределами этого региона покрытие также представляет интерес. Видно, что, по меньшей мере, четыре Бэйдоу-спутника доступны в Европе половину времени. Учитывая сказанное выше, это довольно значительный показатель, ведь один или два дополнительных спутника значительно меняют ситуацию в городских условиях.
Рисунок 3. Покрытие Бэйдоу в Европе. Разными цветами обозначено процентное соотношение времени, когда доступно четыре или более спутников Бэйдоу выше 10-градусного угла маскировки.
Технические требования
Существует пять важных технических требований, необходимых для создания бытового мульти-ГНСС приемника:
Три отдельных радиочастотных канала. Для получения и отслеживания сигналов всех спутников, нам требуется три отдельных радиочастотных канала.
Поддержка поиска и отслеживания для всех видимых ГНСС-спутников. Приемник должен иметь способность поиска большого количества кодочастотных элементов одновременно.
Централизация. Нам требуется использование главного прикладного процессора (AP) и памяти, насколько это возможно. Это позволит добиться тесной интеграции с вспомогательными данными (идущими от хоста), другими сенсорами и прочими беспроводными данными (такими как Wi-Fi и Bluetooth внутри помещений). Централизованная архитектура также позволяет сохранять размеры и стоимость на низком уровне.
Поддержка разгрузки хоста. В геолокационных приложениях появилась необходимость в малом энергопотреблении. Главный прикладной процессор не может использоваться для продолжительного обновления данных о местоположении по той причине, что он потребляет слишком много энергии. Нам необходимо, чтобы централизованная геолокация была доступна тогда, когда главный прикладной процессор находится в активном состоянии (например, при навигации с пошаговыми подсказками и картой), а во время спящего режима главного процессора все вычисления производил ГНСС-чип.
Взаимозаменяемость. Последним требованием к мультисистемным ГНСС-приемникам является их способность использовать любую комбинацию спутников так, как если бы они являлись единой группой. Это требование можно выразить фразой «подойдут любые четыре».
Интерфейсная архитектура
С точки зрения сотового телефона/планшета, все сигналы в космосе находятся в диапазоне L1 на частотах, показанных на Рисунке 4. Ключевой особенностью архитектуры фронтального интерфейса ГНСС-приемника должны стать три отдельных радиочастотных цепи для трех отдельных частот; см. Рисунок 5.
Рисунок 4. Частоты ГНСС-систем в сотовых телефонах.
Рисунок 5. Интерфейсная архитектура с тремя радиочастотными цепями.
Немодулированная архитектура
Предпочтительной архитектурой чипа, как показано на Рисунке 6, является централизованная, при которой используются преимущества крупного главного процессора, находящегося в активном состоянии. Когда главный процессор находится в спящем режиме, небольшой маломощный чиповый процессор используется для фонового «постоянного» определения местоположения. Это позволяет запускать такие приложения как геофенсинг без значительного потребления заряда батареи.
Рисунок 6. Блоковая диаграмма предпочтительной архитектуры.
Межсистемные радиочастотные смещения в приемнике
С тремя различными диапазонами частот мы получим радиочастотные групповые задержки во внешнем интерфейсе приемника. Их должен откалибровать разработчик приемника в процессе проектирования системы чипа. Если групповая задержка между Бэйдоу и GPS не будет откалибрована, это приведет к смещению приблизительно в три метра между этими системами (Рисунок 7). При калибровке смещение отсутствует.
Рисунок 7. Частотный спектр L1 для Бэйдоу-2, GPS, Галилео, QZSS, SBAS и ГЛОНАСС.
Спутниковые межсистемные смещения
Спутники различных ГНСС-систем используют свои собственные генераторы тактовых импульсов, ссылающиеся на различные реализации времени UTC. GPS ссылается на UTC (USNO), QZSS – на UTC (NICT), ГЛОНАСС - на UTC (SU), Бэйдоу - на UTC (NTSC), а Галилео - на UTC (INRIM). Время UTC (SU) в системе ГЛОНАСС отличается от других на три часа.
Более того, корректировочная секунда рассматривается в разных системах по-разному. Это показано красными стрелками на генераторах тактовых импульсов на Рисунке 8. Системное время GPS (и QZSS), Бэйдоу и Галилео непрерывно и не учитывает корректировочную секунду. Таким образом, время в каждой системе опережает время UTC на количество корректировочных секунд с того момента, когда их системное время начало отсчет: 16, 2 и 3 секунды, соответственно. Системное время ГЛОНАСС, наоборот, учитывает корректировочные секунды. Кроме этого, реализация времени UTC в каждой системе отличается на несколько наносекунд (примерно от 10 до 30) от других.
Чтобы объединить данные различных систем и избежать любые связанные со временем межсистемные смещения, необходимо разрешить временное отклонение. Каждая система транслирует дельту времени между собственным системным временем и предшествующими системами (Рисунок 8). Для объединения систем необходимо либо декодировать эти сообщения, либо получить значения дельт времени от Assisted-GNSS.
Рисунок 8. Межсистемные временные различия и транслируемая дельта времени для каждой системы.
Стоит отметить, однако, что в сообщениях Бэйдоу значения смещения межсистемного времени приравнены к нулю (несмотря на то, что реальное смещение не равно нулю).
Assisted-GNSS и Бэйдоу
Технология Assisted-GNSS или A-GNSS повышает чувствительность и сокращает время до первого определения местоположения приемника при помощи вспомогательных данных в виде приблизительных данных о местоположении, времени и частоте приемника, а также всех данных, которые приемник может декодировать из транслируемых сигналов. Вспомогательные данные могут содержать информацию и помимо транслируемой. Временное смещение Бэйдоу относительно других систем включено в транслируемое навигационное сообщение Бэйдоу, как показано на Рисунке 8; однако, в настоящий момент все эти значения приравнены к нулю. Поэтому, чтобы получить эти смещения и корректно интегрировать Бэйдоу в комбинированную ГНСС-систему, необходимо рассчитать эти смещения при помощи опорных станций и передать их в виде вспомогательных данных, как представлено на Рисунке 9.
Рисунок 9. A-GNSS обеспечивает трансляцию спутниковых данных в некоторых беспроводных сетях, а также временное смещение между парами систем.
Коммерческая реализация
Предпочтительная архитектура, описанная в этой статье, уже используется в коммерческом ГНСС-приемнике, доступном для коммерческих продуктов, таких как сотовые телефоны и планшеты.
Чип Broadcom BCM47531 является первым бытовым ГНСС-чипом с трехдиапазонным внешним интерфейсом, способным принимать и отслеживать спутники систем GPS, SBAS, QZSS, ГЛОНАСС и Бэйдоу одновременно, а также поддерживающим работу в хостовом режиме и режиме разгрузки хоста.
Уже сейчас Broadcom сотрудничает с крупнейшими производителями смартфонов по вопросам запуска первых моделей с поддержкой Бэйдоу. На Рисунке 10 представлен один из таких смартфонов, испытания которого проходят в Европе. Обратите внимание на количество видимых спутников Бэйдоу.
Рисунок 10. Телефон с GPS/ГЛОНАСС и телефон с GPS/ГЛОНАСС/Бэйдоу на тестах в Варшаве, Польша. Обратите внимание на шесть спутников Бэйдоу (красного цвета).
Взаимозаменяемость: любые четыре
Теперь, когда мы рассмотрели основные вопросы, связанные с интеграцией различных ГНСС-систем (в частности, Бэйдоу), мы можем продемонстрировать и результат. Это достижение взаимозаменяемости, когда любые ГНСС-спутники могут использоваться друг с другом, как если бы они принадлежали одной спутниковой группе. На Рисунках 11 и 12 показаны холодные старты, на которых первые определения местоположения происходили без каких-либо заранее известных данных, кроме данных A-GNSS. В каждом случае представлена различная комбинация спутников; по одному спутнику из четырех различных систем и четыре спутника Бэйдоу.
Рисунок 11. Взаимозаменяемость: определение местоположения с 1 спутником GPS, 1 спутником ГЛОНАСС, 1 спутником QZSS и 1 спутником Бэйдоу. Приемник располагается в городе Перт, Австралия, где доступны все эти спутниковые группы.
Рисунок 12. Взаимозаменяемость: холодный старт с использованием вспомогательных сигналов, первые определения местоположения. Синие числа обозначают спутники, используемые при определении местоположения (сверху: два GPS и два Бэйдоу; в центре: один GPS, один ГЛОНАСС и два Бэйдоу; снизу: четыре спутника Бэйдоу). Приемник располагается в Сан-Хосе, Калифорния, где в течение определенного времени доступны четыре спутника Бэйдоу).
Заключение
В статье нам удалось продемонстрировать предпочтительную архитектуру для бытовых ГНСС-приемников с использованием всех доступных спутниковых систем. Мы рассмотрели основные требования для такого приемника. Приемник, соответствующий всем этим требованиям, уже доступен: Broadcom BCM47531. Наконец, используя этот приемник, нам удалось показать, как можно достичь взаимозаменяемости ГНСС-систем.
09.06.2014
|
