Новый GNSS-приемник Quectel – преимущества двух диапазонов

11 сентября 2020

Святослав Зубарев (г. Смоленск)

Результат использования двухдиапазонных GNSS-приемников, таких как модуль LC79D производства компании Quectel – увеличение числа отслеживаемых спутников и, соответственно, повышение точности позиционирования.

Определение точного позиционирования устройств и объектов в пространстве является одной из неотъемлемых черт развития мобильных технологий. Системами, позволяющими определять точные координаты устройств и оборудования, являются Global Navigation Satellite Systems (GNSS) —  глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС).

Принцип работы GNSS основан на измерении расстояния от антенны на объекте, координаты которого необходимо получить, до спутников. Если известно положение нескольких спутников, то при помощи геометрических вычислений и способа трилатерации положение искомого объекта можно установить с достаточно высокой точностью. Системе GNSS для вычисления 2D-позиции (долготы и широты) необходимо иметь связь по меньшей мере с тремя спутниками, а для вычисления 3D-положения объекта (долготы, широты и высоты) – как минимум с четырьмя.

Помимо определения координат, GNSS позволяют получить данные о скорости и направлении движения приемника сигнала. Кроме того, данные системы могут использоваться для получения точного времени. В настоящий момент существуют несколько глобальных систем позиционирования:

• GPS (США), 31 спутник;
• ГЛОНАСС (Россия), 24 спутника;
• BEIDOU (Китай), 35 спутников;
• GALILEO (Евросоюз), 26 спутников,
• IRNSS (Индия), 7 спутников,
• QZSS (Япония), 4 спутника.

Однако только две из них обеспечивают полное покрытие и бесперебойную работу для всего земного шара, это GPS и ГЛОНАСС (рисунок 1).

Рис. 1. Сравнение орбит спутников GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BEIDOU с орбитами МКС, телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум

Области применения навигационных систем GNSS довольно широки, к ним можно отнести:

• военно-промышленный комплекс;
• гражданскую авиацию,
• грузоперевозки;
• беспилотные транспортные средства;
• геодезию и картографию,
• строительство;
• наземный транспорт;
• сельское хозяйство;
• спасательное оборудование;
• портативные мобильные устройства.

На рисунке 2 приведен пример использования GNSS в коммерческом сегменте: при помощи GPS оператор может отслеживать положение грузового автомобиля и контролировать его местоположение, время нахождения в пути и направление движения.

Рис. 2. Пример организации системы мониторинга местоположения грузовых автомобилей при помощи GPS

Одной из наиболее важных характеристик навигационных систем является точность определения координат объекта. И если в некоторых из них допустимо отклонение местоположения до нескольких десятков метров, например, в частном использовании в плотной городской застройке, то для беспилотных транспортных средств, авиации и спасательного оборудования такая погрешность может привести к фатальным последствиям. Именно поэтому производители GNSS-решений постоянно ищут новые методы и технологии для повышения точности определения координат объекта в пространстве. Одним из способов повышения точности позиционирования является использование GNSS-модулей, способных одновременно работать в нескольких частотных диапазонах, например, L1 (1575,42 МГц) и L5 (1176,45 МГц). Примером такого модуля является новое решение от компании Quectel – модуль LC79D.

LC79D – новый ультраминиатюрный двухдиапазонный GNSS-модуль

Компания Quectel Wireless Solutions, ведущий мировой производитель модулей сотовой связи и навигации, представила новый ультраминиатюрный двухдиапазонный модуль LC79D (рисунок 3).

Рис. 3. Внешний вид и размеры модуля LC79D

Модуль LC79D использует диапазоны L1 и L5 для работы с сигналами GPS, QZSS и Galileo, а также диапазон L1 для работы с BeiDou и ГЛОНАСС и L5 для работы с IRNSS (рисунок 4). Возможность работы сразу в двух диапазонах значительно увеличивает число отслеживаемых спутников, и, соответственно, улучшает качество определения координат объекта.

Рис. 4. Диапазоны частот, поддерживаемые LC79D

Возможность использования диапазонов L5/E5 дает устройствам на базе LC79D существенные преимущества перед аналогичными решениями, работающими только с L1 (таблица 1).

Таблица 1. Преимущества решений с L5/E5 перед решениями с L1

На рисунке 5 показана блок-схема модуля LC79D. Модуль LC79D имеет компактные размеры 10,1×9,7×2,4 мм и соответствует стандарту AIS-140. Основные составляющие данного модуля – однокристальная микросхема GNSS BCM4775X, малошумящий усилитель LNA, два SAW-фильтра, диплексер, Flash, TCXO и кварцевый резонатор.

Рис. 5. Блок-схема модуля LC79D

Основа модуля LC79D – это микросхема BCM4775X производства компании Broadcom, изготовленная по техпроцессу 28 нм. BCM4775X использует двухпроцессорную архитектуру (ARM CM4 + CM0), что обеспечивает высокую энергоэффективность. Микросхема имеет 1,125 Мбайт внутренней SRAM, 1 Мбайт ROM, 32 кбайт RAM, встроенный 12-битный двухканальный АЦП, а также поддерживает фирменную технологию HDGPS (High-Definition GPS) Broadcom.

Рабочее напряжение LC79D составляет 1,7…1,9 В, ток потребления зависит от режима работы: 47 мА в режиме поиска, 43 мА в режиме слежения. В режиме сна потребление снижается до 200 мкА, а в режиме ожидания – до 17 мкА. LC79D поддерживает интерфейсы UART, SPI и I²C. Рабочий диапазон температур составляет -40…85°C.

Благодаря превосходным характеристикам и малому значению средней ошибки определения местоположения (CEP) LC79D является прекрасным решением для применения во множестве современных устройств. Одновременная работа модуля на разных частотах значительно уменьшает отрицательный эффект от многолучевого приема, вызываемый городской застройкой, увеличивает точность позиционирования и сокращает время поиска сигнала.

Подключение и отладка

Для подключения к периферии, а также для организации питания модуль LC79D имеет 28 выводов (рисунок 6).

Рис. 6. Назначение выводов LC79D

Более подробное описание выводов дано в таблице 2.

Таблица 2. Описание выводов модуля LC79D

Организация питания модуля, подключение LDO

В случае, когда входное напряжение ниже 5,5 В, в цепь питания LC79D необходимо включить дополнительный LDO-регулятор, как показано на рисунке 7.

Рис. 7. Подключение питания LC79D через LDO-регулятор

Ток нагрузки LC79D варьируется в зависимости от уровня подаваемого напряжения, загруженности процессора и качества связи. Рекомендуется выбирать регулятор с минимальным выходным током 150 мА, например, SGM2019. Для корректной работы модуля особенно важно обеспечить достаточный ток и сделать питание как можно более чистым и стабильным.

Использование DC/DC-преобразователя

В случае, когда входное напряжение выше 5,5 В, следует использовать дополнительный DC/DC-преобразователь (рисунок 8) для преобразования входного напряжения в напряжение 5 В, а затем использовать приведенную выше схему с LDO для дальнейшего преобразования напряжения в 1,8 В. Согласно техническому руководству, не рекомендуется подключать DC/DC-преобразователь напрямую к модулю.

Рис. 8. Подключение питания LC79D через дополнительный DC/DC-преобразователь

Интерфейсы модуля

На рисунке 9 приведена схема подключения интерфейсов модуля LC79D.

Рис. 9. Подключение интерфейсов модуля LC79D

1. Интерфейс UART можно использовать для вывода NMEA и обновления прошивки. UART поддерживает следующие скорости передачи данных: 9600, 14400, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800 и 921600 бит/с. Скорость передачи по умолчанию составляет 115200 бит/с. LC79D обеспечивает интерфейс UART 1,8 В. Для работы с UART 3,3 необходимо дополнительно подключить транслятор уровня. Рекомендуется использовать транслятор TXS0104EPWR производства Texas Instruments.
2. Для входа в режим хоста (HOST) необходимо подтянуть BOOT к VCC через резистор 1 кОм.
3. Рекомендуется добавить дополнительный TVS-диод и убедиться, что максимальная емкость конденсаторов не превышает 10 мкФ.
4. SWDIO и SWCLK зарезервированы для отладки.

Подключение активной антенны

Модуль LC79D может использоваться в связке как с активной, так и с пассивной антенной. Однако для корректной работы в диапазонах L1 и L5 данная антенна должна обладать соответствующими характеристиками (таблица 3).

Таблица 3. Рекомендуемые характеристики антенны для работы с модулем LC79D

На рисунке 10 приведен пример схемы подключения активной антенны. В данном примере антенна запитана с помощью выхода VCC_RF, на котором присутствует напряжение 1,8 В.

Рис. 10. Подключение активной антенны к модулю LC79D

C1 служит для блокировки постоянного тока от VCC_RF. Компоненты C2, C3 и R1, которые объединены в схему согласования, зарезервированы для изменения импеданса антенны. По умолчанию R1 равен 0 Ом, C1 — 100 пФ, а C2 и C3 не установлены.

Индуктивность L1 используется для предотвращения утечки сигнала в VCC_RF и подачи напряжения смещения на активную антенну. Рекомендуемое значение L1 составляет не менее 68 нГн. R2 предназначен для защиты цепи в случае короткого замыкания активной антенны на землю.

Подключение пассивной антенны

На рисунке 11 показан пример подключения пассивной антенны к модулю без использования дополнительного малошумящего усилителя (LNA).

Рис. 11. Подключение пассивной антенны к модулю LC79D без дополнительного малошумящего усилителя (LNA)

Компоненты C1, R1 и C2 объедены в схему согласования, зарезервированную для изменения импеданса антенны. По умолчанию R1 равен 0 Ом, а C1 и C2 не установлены. Импеданс антенны должен составлять около 50 Ом, а ее длина должна быть как можно короче.

Подключение пассивной антенны с дополнительным LNA

Для повышения чувствительности приемника и уменьшения TTFF рекомендуется использовать внешний малошумящий усилитель, подключенный между пассивной антенной и модулем LC79D (рисунок 12).

Рис. 12. Подключение пассивной антенны к модулю LC79D с использованием дополнительного малошумящего усилителя (LNA)

Компоненты C1, R1 и C2 объединены в схему согласования, зарезервированную для изменения импеданса антенны. По умолчанию R1 равен 0 Ом, а C1 и C2 не установлены. L1 используется для оптимизации импеданса LNA. C3 используется для блокировки постоянного тока от LNA. R2 зарезервирован для защиты модуля от короткого замыкания. По умолчанию C3 составляет 1 нФ, а R2 – 10 Ом.

Отладочный комплект LC79D

Для упрощения процесса работы с LC79D, а также для знакомства с его функциональными возможностями компания Quectel предлагает специальный отладочный комплект, состоящий из следующих компонентов (рисунок 13):

• оценочная плата (EVB);
• GNNS-антенна;
• кабель Micro-USB;
• USB Flash-накопитель;
• болты и крепления для платы.

Рис. 13. Отладочный комплект для работы с модулем LC79D

Сама оценочная плата имеет на борту следующие элементы (рисунок 14):

• A – штекер для подключения антенны;
• B – светодиод индикации 1PPS;
• С – светодиод индикации передачи данных (Tx);
• D – разъем Micro USB;
• E – выключатель питания;
• F – кнопка WAKE_UP;
• G – кнопка NSTANDBY;
• H – кнопка BOOT;
• I – ключевые точки (тест-пойнты);
• J – модуль LC79D;
• K – ключевые точки (тест-пойнты).

Рис. 14. Оценочная плата LC79D EVB

Также следует отдельно упомянуть программную среду, разработанную Quectel для работы с GNSS-модулями собственного производства (QGNSS, рисунок 15).

Рис. 15. Программная среда для работы с GNSS-модулями компании Quectel

Благодаря программной среде QGNSS пользователи смогут проверить такую информацию, получаемую приемником GNSS, как время, координаты, направление и скорость движения, а также точность определения местоположения.

Эффективность использования LC79D в реальных условиях

Благодаря возможности работы в двух частотных диапазонах (L1 и L5) модуль LC79D обеспечивает более точное определение местоположения объекта, чем аналог, работающий только в одном диапазоне частот. То же касается слежения за объектом во время движения. Особенно четко это видно при тестировании модулей в городской среде с плотной застройкой (рисунок 16).

Рис. 16. Сравнительное тестирование LC79D и модулей, работающих только в одном диапазоне, во время движения

В таблице 4 и на рисунке 17 приведено сравнение точности определения местоположения неподвижного объекта для модуля LC79D и модуля, работающего только с одним диапазоном частот.

Таблица 4. Результаты тестирования определения местоположения статического объекта для LC79D и модуля, работающего с одним диапазоном частот

Рис. 17. Результаты тестирования определения местоположения статического объекта для модуля LC79D (а) и модуля, работающего с одним диапазоном частот (б)

Особенностью LC79D, помимо работы в двух диапазонах, является возможность функционирования в режиме хоста (Host). Преимущества данного режима заключаются в том, что если система обладает достаточным функционалом, пользователь может подключить к модулю внешний 6-осевой датчик (гироскоп и акселерометр) и активировать функцию Vehicle Dead Reckoning (VDR, разновидность функции Dead-Reckoning), что позволит улучшить точность определения местоположения в условиях слабого сигнала и повысить производительность системы в целом. Функция VDR позволяет получать и обрабатывать информацию с внешних датчиков и использовать ее в дальнейшем при определении местоположения. В тех случаях, когда устройство находится в зонах плохой видимости или отсутствия сигналов со спутника, функция VDR берет в расчет данные, полученные с 6-осевого датчика и продолжает осуществлять навигацию (рисунки 18 и 19).

Рис. 18. Результаты работы функции VDR модуля LC79D в условиях плотной городской застройки

Рис. 19. Результаты работы функции VDR модуля LC79D при движении в тоннеле и на подземной парковке

Двухдиапазонные модули – будущее мобильных устройств

Модули, построенные на базе новой двухдиапазонной технологии, обеспечивают более высокую точность определения координат объекта по сравнению с устаревшими аналогами, работающими только в одном диапазоне частот. Новые модули уже сейчас находят применение в популярных мобильных устройствах и разного рода оборудовании, и если точность определения местоположения при помощи GPS в мобильном телефоне с модулем старого типа составляет около пяти метров, то двухдиапазонные GNSS-модули могут повысить ее до 30 см.

Главной сложностью массового использования двухдиапазонных модулей до недавнего времени являлось то, что приемники данного типа стоили от 5000$ и больше и использовались, в основном, в высокотехнологичных промышленных и аэрокосмических приложениях, где необходима сантиметровая точность, например, при топографической съемке. Однако сейчас рынок этих изделий радикально изменился, и новые недорогие двухдиапазонные приемники GNSS находят все более широкое применение в смартфонах и автомобильных навигаторах. Еще одним новшеством является то, что если раньше двухдиапазонные приемники использовали полосы частот L1 и L2, то сейчас это, преимущественно, L1 и L5 (GPS, QZSS), E5 (Galileo) и G3/B3 (Glonass/Beidou).

За счет почти в два раза меньшей средней ошибки определения местоположения (CEP) двухдиапазонные модули являются прекрасным решением для применения в достаточно сложных условиях. Примером таких условий являются места посадки и высадки пассажиров в крупных аэропортах. Именно в одном из таких мест – аэропорту Сан-Франциско – было проведено тестирование нескольких популярных и относительно недорогих GNSS-приемников: LC79D производства Quectel, работающего в диапазонах L1 + L5, его конкурента, работающего в диапазонах L1 + L2, и приемника, работающего только в диапазоне L1 (рисунок 20).

Рис. 20. Сравнительное тестирование GNSS-модулей в аэропорту Сан-Франциско

Ключевые моменты тестирования:

1. Модуль, работающий только в диапазоне L1, не смог определить координаты объекта в небольшой зоне с низким покрытием сети при проходе под международным терминалом. Он также показал наихудшие результаты в зоне прибытия пассажиров.
2. Двухдиапазонный модуль L1 + L2 показал себя хорошо в большинстве областей, за исключением прохода под международным терминалом, где наблюдалось некоторое ухудшение точности позиционирования.
3. Двухдиапазонный приемник L1 + L5 LC79D продемонстрировал наилучший результат и показывал точные координаты на всем тестовом участке.

Диапазон L5 и его аналоги E5 и B3 представляют новое направление в технологии GNSS. Они имеют более широкую полосу пропускания и улучшенную структуру сигналов. Работа в данных диапазонах позволит значительно снизить влияние собственных шумов на сигнал и уменьшить отрицательный эффект от многолучевого приема.

Двухдиапазонные модули также являются подходящей отправной точкой для более продвинутых алгоритмов позиционирования, таких как RTK (Real-Time Kinematic), PPP/SSR и Dead-Reckoning. В совокупности данные технологии могут повысить точность позиционирования объекта до 100 раз и обеспечить определение его местоположения даже в условиях отсутствия сигнала с GNSS-спутников.

Заключение

Двухдиапазонные GNSS-модули, такие как LC79D производства Quectel – это новый шаг к повышению точности определения местоположения объекта в пространстве даже в самых жестких условиях.

Постоянно снижающаяся стоимость, компактные размеры, способность определения местоположения с погрешностью до нескольких десятков сантиметров, а также возможность определения координат без наличия связи со спутником (функция VDR) делают данные модули прекрасным решением для широкого спектра мобильных устройств, начиная со смартфонов и заканчивая сложным оборудованием для проведения геодезических измерений и картографии.

Литература

1. 0_Preliminary.
2. 0, 11 2019.
3. Quectel_LC79D(A)_EVB_User_Guide_V1.0, 10.2019.
4. LC79D – первый GNSS-модуль, работающий со всеми спутниками.