作者：Jeff Shepard

在智慧城市中，位置感知服務 （LAS）正在部署到各個領域，包括政府服務、運輸、交通管理、能源、醫療保健、水和廢棄物處理，以創造更加安全、更加可持續以及連接更密切的城市。這些應用往往需要了解附近設備之間的距離。歐洲的Galileo、美國的 GPS、俄羅斯的 GLONASS 和中國的北斗導航衛星系統都能提供全球導航服務。在 LAS 應用中，對使用多星座全球導航衛星系統（GNSS） 接收器的定位功能的需求日益增長。使用多星座 GNSS 接收器的優勢在于：更好地提供定位、導航和定時 （PNT）信號，提高準確性、完整性并改善穩健性。但是，開發多星座接收器是一項復雜且耗時的活動。

本文首先回顧使用多星座 GNSS 接收器的系統設計有哪些重要考慮因素，然后介紹 u-blox、Microchip
Technology、MikroElektronika、Thales 和 Arduino 的 GNSS平臺和開發環境，利用這些平臺和開發環境可以高效經濟地開發出具有位置感知能力的智慧城市應用。

GNSS 技術的改進，尤其是功耗需求降低，對 GNSS 的使用增加和 LAS 在智慧城市應用中的擴散起到了重要作用。GNSS 接收器的功耗已經從 2010年的 120 mW 下降到 2020 年的 25 mW（圖 1）。事實上，GNSS 接收器的功耗需求下降的速度快于大多數其他 LAS系統組件的功耗需求下降的速度。與其他系統元件相比，早期 GNSS 技術非常耗電。如今，GNSS 功耗需求占總功耗預算的百分比只有個位數。

功耗挑戰

雖然 GNSS 接收器的功耗已大幅下降，但獲得最優功耗/性能解決方案的復雜性卻成倍增加。不是每個 LAS 設計都需要連續的 GNSS位置估算或高定位精度。設計人員有各種工具來優化 GNSS 性能和功耗，包括硬件優化和基于固件的方法。

使用低功耗元器件，特別是低噪聲射頻放大器 （LNA）、振蕩器和實時時鐘 （RTC），是開發節能型 GNSS解決方案的第一步。選擇有源天線還是無源天線，就是一個很好的例子。無源天線成本較低、效率較高，但不能滿足每個應用的需求。在城市街谷、建筑物內部或其他信號強度差的地方，有源天線可能是一個不錯的選擇。有源天線中的LNA可大大提高接收微弱信號的能力，但也會消耗大量功率。當功耗很關鍵，而天線尺寸又不那么重要時，較大的無源天線在性能方面常常與較小的有源天線相同，同時還能提供很高的定位能力和精度水平。

大多數 GNSS 接收器更新率可達 10 Hz 或更高，但大多數 LAS應用在慢得多而耗電少的更新率下工作良好。選擇最優更新率可以獲得最大的省電效果。除了基于硬件的考慮之外，設計人員在優化功耗時還有很多固件工具可用，包括更新率、同時跟蹤的GNSS 星座數量、輔助 GNSS 以及各種省電模式（圖 2）。

在具有挑戰性的環境中，可能有必要同時跟蹤多個 GNSS星座。雖然使用多種頻帶段接收信號可以確保定位穩健，但也會增加功耗。重要的是要了解具體工作環境，特別是天空視野的開闊程度，并使用所需的最少數量的 GNSS信號來支持特定 LAS 應用的需求。

關閉 GNSS 功能最為省電，但這會導致每次打開都需要冷啟動。冷啟動的首次定位時間 （TTFF） 可能是 30 秒或更長時間，具體取決于 GNSS信號的可用性和強度，以及天線的尺寸和位置。輔助 GNSS 可以縮短首次定位時間，同時還能提供準確的信息。輔助 GNSS可以通過多種方式實現，例如：當前和預測的衛星位置和時序參數（稱為“星歷數據”）、歷書，以及通過互聯網實時或間隔幾天下載的衛星系統的準確時間和衛星狀態校正數據。有些GNSS 接收器具有自主模式，在內部計算 GNSS 軌道預測結果，而無需外部數據和連接。然而，使用自主模式可能需要定期打開接收器以下載當前星歷數據。

省電模式

除了輔助 GNSS 等連接選項外，許多 GNSS 接收器還支持設計人員在多番權衡更新率和功耗之后做出選擇，包括連續跟蹤、循環跟蹤、開/關操作和快照定位（圖3）。界定具體應用的性能時，選擇最優跟蹤模式是另一個重要的考慮因素。如果工作條件發生變化，使得最優省電模式無法使用，那么系統應當自動切換到次優節能模式，以確保持續運行。

連續跟蹤適合于每秒需要更新幾次的應用。在這種模式下，GNSS 接收器獲取其位置、建立定位、下載歷書和星歷數據，然后切換到跟蹤模式以減少功耗。

循環跟蹤的兩次位置更新間隔需要幾秒鐘；如果信號和/或天線足夠大，能確保必要時可獲取定位信號，則這種模式很有用。如果跟蹤不需要獲取新的衛星，則還能節省更多電力。

開/關操作需要在采集/跟蹤活動與休眠模式之間進行切換。休眠時間通常為幾分鐘，而開/關操作需要很強的 GNSS信號以盡量縮短首次定位時間，因此每個睡眠周期之后的功耗也很大。

快照定位的省電方式是：使用 GNSS 接收器進行本地信號處理，而更消耗算力的位置估算處理則交由云計算資源進行。當有互聯網連接時，快照定位可將 GNSS接收器的功耗降低 10 倍。若每天僅需要幾次位置更新，這種解決方案是一種有效的省電策略。

嵌入式天線支持 GNSS 增強功能

對于可以同時接收 GPS、Galileo 和 GLONASS GNSS 信號的系統，設計人員可以使用 u-blox 的 SAM-M8Q 貼片天線模塊（圖4）。在城市街谷等具有挑戰性的環境中，或當接收微弱信號時，同時使用三個星座可獲得很高的定位精度。為了加速定位和提高精度，SAM-M8Q支持增強功能，包括準天頂衛星系統 （QZSS）、GPS 輔助 GEO 增強導航 （GAGAN） 和室內消息系統 （IMES），以及廣域增強系統（WAAS）、歐洲地球靜止軌道導航重疊服務 （EGNOS） 和 MTSAT 衛星增強系統 （MSAS）。

SAM-M8Q 模塊還能使用 u-blox 的 AssistNow 協助服務來提供 GNSS廣播參數，包括星歷數據、歷書以及時間或粗略位置，從而大大縮短首次定位時間。AssistNow 離線數據（長達 35 天）和 AssistNow 自主數據（長達3 天）的長有效期支持更快的首次定位，即使在長時間之后也有作用。

該物聯網 （IoT） Google Cloud 開發平臺是一種連接和保護基于 PIC MCU 的應用的簡單方法。MikroElektronika 的GNSS 4 click 包含 SAM-M8Q 模塊，并利用 Microchip Technology 的 PIC?-IoT WG 開發板進行設計，以加快LAS 智慧城市應用的開發（圖 5）。PIC-IoT WG 開發板可為 Google Cloud IoT 用戶加快安全云連接應用的開發。此外，PIC-IoTWG 板為設計人員提供了分析和機器學習工具。

多星座 GNSS 加無線連接

對于可以從多星座 GNSS 支持 （GPS/Galileo/GLONASS） 和全球 LPWAN LTE 連接（從單個模塊，利用 Rel.14 第二代Cat.M1/NB1/NB2）獲益的小型 LAS 設備（如跟蹤器），設計人員可以借助 Thales 的 Cinterion TX62模塊（圖6）。該模塊具有一個靈活的架構，支持利用主機處理器運行應用，或利用集成處理器在模塊內部運行應用，因此解決方案尺寸可以進一步優化。TX62 支持 3GPP省電模式 （PSM） 和擴展不連續接收 （eDRx），適用于對功耗敏感的應用。PSM 的休眠時間往往比 eDRX 長很多。更長的休眠時間使設備可以進入比eDRX 更深度、功耗更低的休眠模式。PSM 的休眠功耗低于 10 μA，而 eDRX 的休眠功耗高達 30 μA。

TX62 的安全功能包括安全密鑰存儲和證書處理，以支持云平臺的可信注冊，同時保護設備和數據，另外還有在制造期間預先集成到 TX62根的可信身份。需要時，設計人員可以指定可選的集成 eSIM，以簡化物流和制造過程，并通過動態訂閱更新和遠程配置提高其在現場的靈活性。

使用Portenta Cat.LAS，簡化了ArduinoPortenta H7應用的開發。M1/NB IoT GNSS盾牌 （圖7）。該盾板將Portenta H7 的邊緣計算能力與 TX62 的連接能力結合起來，以便支持智慧城市應用以及工業、農業、公共事業和其他領域中的 LAS資產跟蹤和遠程監控的開發。基本型 Portenta Cat.M1/NB IoT GNSS 盾板不包括 GSM/UMTS 天線。設計人員可以使用 Arduino偶極五頻防水天線，而不用尋找兼容天線。

Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS 盾板的其他優勢包括：

能夠在不改變電路板的情況下改變連接

為任何基于 Portenta 的設計增加定位能力和 NB-IoT、CAT.M1

顯著降低物聯網設備的通信帶寬需求

外形緊湊：66 mm x 25.4 mm

工作溫度范圍：-40°C 至 +85°C（-104°F 至 185°F）

總結

低功耗、高性能 GNSS 技術的進步是推動 LAS智慧城市應用增長的因素。然而，使用能效最高的硬件只是起點，優化固件以達成最優節能解決方案同樣重要。開發基于 GNSS 的 LAS應用時，有許多硬件和固件的組合可供選擇，設計人員可以借助各種評估工具來加速開發過程。