Самков Иван

Спутниковая навигация для потребительской электроники

Рассматриваются перспективы и рекомендации применения программных навигационных модулей ГНСС в электронных товарах широкого потребления.

   В настоящее время задача определения координат и прокладки маршрутов с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), включая GPS, ГЛОНАСС и Gallileo, является актуальной для множества устройств потребительской электроники. Применение ГНСС давно уже не ограничено использованием в транспорте, в геодезической оснастке, судоходстве или в дорогостоящих системах позиционирования – всё больше становится на рынке электронных систем с поддержкой ГНСС, таких как телефоны, PDA (Personal Digital Assistant), PND (Personal Navigation Devices), фотоаппараты и наручные часы.

   
Для высококачественных устройств с более гибкими ценами навигация ГНСС осуществляется использованием законченных аппаратных изделий. Хотя встроенные аппаратные ГНСС-модули передают на главный процессор готовые данные о местоположении, они достаточно дорогостоящие. Т.к. в большинстве изделий широкого потребления спутниковая навигация является не основной, а дополнительной функцией, то высокая стоимость в этом случае не удовлетворяет интересам рынка.

   
Возможность программной реализации ГНСС значительно уменьшила стоимость добавления ГНСС в электронную систему. При программном ГНСС-модуле не требуются вложения денег в дополнительные чипы МК и памяти (которые используются в законченном аппаратном навигационном модуле), что обеспечивает снижение цены ГНСС-модуля до 80%. Поэтому и становится возможным наделять навигационными способностями широкий круг изделий, включая мобильные телефоны и плееры. К тому же практически все эти устройства уже содержат цветной ЖК-дисплей, который удобно использовать для вывода навигационной информации.

   
Разработка ГНСС подсистем для потребительской электроники может напугать разработчиков с малым опытом ВЧ-дизайна. Однако многие современные навигационные приёмники имеют обширное описание со множеством рекомендаций по дизайну и с примерами использования.

   
При чисто-программной обработке сигналов ГНСС есть множество архитектурных и детальных решений, которые сильно влияют на чувствительность, быстродействие, точность позиционирования и мощность потребления.

   
Если разработчик ПО понимает ключевые принципы ВЧ-систем и их оптимизации, у него появляется больше возможностей обеспечения максимальной целостности сигнала и точности позиционирования для построения успешной ГНСС системы в условиях жёсткой конкуренции на рынке потребительской электроники. Выгода гибкости архитектуры ПО заключается в том, что можно достичь более высокого уровня технических характеристик (например повышенной точности позиционирования при малом количестве спутников) за меньшую цену, чем при использовании аппаратных модулей.

   
Сигнальная GNSS обработка – далеко не самая простая задача. По причинам цены и быстродействия большая часть алгоритмов обработки сигнала приёмника традиционно осуществляется ГНСС коррелятором, используя или реальный коррелятор, или ядро цифрового сигнального процессора (DSP), эмулирующее функции параллельного коррелятора. Поворот к внедрению ГНСС в продукты потребительской электроники меняет уравнение рентабельности инвестиций в сторону выбора наиболее эффективного метода внедрения ГНСС.

Рис.1. Навигационный модуль для PND с процессором прикладных задач.

   
На рис.1 показан стандартный функционально-законченный ГНСС-модуль, подключенный процессору прикладных задач в таких устройствах как PND. В программной архитектуре (см. рис.2) задача обработки сигнала переносится на главный процессор (аналогично программному модему, повсеместно используемому в ПК).

Рис.2. Архитектура с программным навигационным модулем.

   
Обработку ГНСС сигналов в исключительно навигационных устройствах выполняет обычно не главный процессор, т.к. цена процессорных циклов значительно выше цены эквивалентного числа вентилей, используемых в заказной БИС (ASIC) для ГНСС-обработки. Но в современных телефонах мощный хост-процессор уже является частью большой архитектуры и должен удовлетворять увеличению спроса на мультимедиа-сервисы; такой процессор должен иметь достаточную производительность для декодирования потоковой аудио- и видеоинформации. К тому же когда эти сервисы не используются, процессор переходит в спящий режим, и готов для выполнения других задач.

   
До недавнего времени производительности главного процессора в подобных устройствах не хватало для осуществления программного ГНСС-модуля. Однако сейчас хост-процессор уже способен поддерживать обработку сигналов ГНСС, что снижает стоимость введения этой функции в широкий спектр потребительских электронных устройств. В перспективе, программно-реализованные навигационные модули будут добавлять к стоимости основной системы примерно $3 (в два раза меньше, чем аппаратные модули) [1].

   
Т.к. программные ГНСС-модули используют незадействованные другими приложениями процессорные циклы, то это накладывает на разработчиков ПО задачу оптимизации ВЧ-обработки. От инженеров-программистов не требуется обязательно заново изобретать алгоритмы обработки сигналов, на рынке присутствует уже готовый и отлаженный софт для сигнальной ГНСС обработки (особенно это актуально для GPS). Основная задача оптимизатора – суметь наилучшим образом внедрить программный ГНСС-модуль в конкретную разработку. Главным образом оптимизация направлена на обеспечение производительности и точности при наихудших условиях, минимизацию потребляемой мощности и сохранение архитектурной гибкости.

   Вместо того чтобы постоянно поддерживать высокую точность на фиксированном значении (как при непрерывной навигации), можно использовать несколько рекомендаций, которые помогают снизить общую нагрузку на процессор:

   1. Ограничение количества спутников в режиме сопровождения (чем меньше спутников, тем меньше циклов процессора требуется на сопровождение).

   2. Усреднение и фильтрация данных (уменьшает количество ошибок).

   3. Уменьшение интенсивности определения местоположения (для многих носимых устройств вместо стандартной скорости фиксации положения 1раз/с достаточно скорости 1раз/10с).

   4. Использование незадействованных циклов процессора для повышения точности.

   5. Выбор приёмника, который способен выдавать данные в виде квадратурных составляющих I и Q (что облегчает работу процессора).

   6. Применение алгоритмов экстраполяции и интерполяции (создание инерциальных систем помогает при потере сигнала, но полезно для случаев, где маловероятно отклонение от траектории).

   7. Использование высокопроизводительных процессоров.

   
Программная обработка сигналов ГНСС особенно полезна для таких приложений, как цифровые фотоаппараты. На сегодняшний день фото направление является очень перспективным, учитывая бурный рост социальных интернет-сетей, где распространён геотэггинг (метки фотографий с привязкой к координатам – “geo-tags”). Т.е. загрузив на ПК фото с такого фотоаппарата, с помощью координатных меток, используя сервисы электронных карт (например, Google Maps) можно на карте найти все точки, где были сделаны снимки. Основная проблема внедрения аппаратных ГНСС-модулей в фотоаппараты заключается в том, что время включения фотокамеры составляет доли секунды, а время фиксации навигационных координат – десятки секунд. Один из вариантов решения этой проблемы – включение ГНСС приёмника на доли секунды, пока оператор делает снимок [2]. Сигнал с антенны переносится на промежуточную частоту, пригодную для обработки, и специальным методом записывается в ПЗУ. Затем, при подключении к ПК, на компьютер вместе с фотографией передаются сохранённый сигнал с приёмника. Затем этот сигнал обрабатывается, и из него уже выделяется навигационные данные [3].

   
Стоит отметить, что $3 это лишь стартовая цена программных ГНСС-модулей, и значит максимальная. Формирование цены на ПО сильно отличается от калькуляции цен на “железо” – если ПО уже однажды разработано, оно больше не требует вложения капитала. Если рынок сможет снизить цену на навигационные приёмники, то стоимость ГНСС-модулей с программной реализацией быстро сможет достичь рубежа в $1. При такой цене ГНСС станет функцией, которая может быть внедрена практически в любое электронное изделие. Это, в свою очередь, будет способствовать интеграции всех беспроводных технологий, включая ГНСС, Bluetooth, беспроводные сети (WAN) и сети мобильной связи в единую платформу программно-конфигурируемого радио SDR.

   
Список литературы:

   [3]. D.Manandhar, R.Shibasaki, “Software-based GPS receiver a research and simulation tool for global navigation satellite system”, Center for Spatial Information Science, The University of Tokyo, 2004

Первоисточник: www.dlrm.ru.