Новые модули серии HL от Sierra Wireless для систем спутникового мониторинга. Часть 2

Начало статьи.

ГНСС-приемник модулей серии HL Sierra Wireless

Обзор архитектуры Sirf V

В модулях HL6528 и HL8548 используется новый GNSS (ГНСС) чип производства Cambridge Silicon Radio (CSR), разработанный с помощью уникальной архитектуры SiRF V [21]. Эта архитектура использует современный DSP-процессор на базе ARM7 и мощное встроенное программное обеспечение, способные обрабатывать сигналы от следующих систем спутниковой навигации (ССН) — американской GPS и российской ГЛОНАСС.

Архитектура чипа SiRF V основана на принципе Software Defined Radio (SDR) и позволяет создавать универсальные устройства, действующие с максимально возможным количеством радиостандартов, в широком диапазоне частот с различными принципами модуляции и кодировки.

Для приемников ГНСС (GNSS) принцип SDR, в котором можно использовать единый канал предварительной аналоговой обработки данных, является весьма перспективным и имеет неоспоримые преимущества по сравнению с классическими схемами аппаратных ГНСС.

В упрощенном варианте структурная схема ГНСС-приемника с архитектурой SiRF V показана на рис. 10 [22].

Рис. 10. Структурная схема ГНСС-приемника с архитектурой SiRF V

Сигнал спутника принимается антенной, затем поступает в блок RF core, содержащий блок предварительной обработки данных и АЦП. Здесь сигнал преобразуется до промежуточной частоты, а потом оцифровывается. Затем происходит разделение сигналов по частоте и фазе, а также выполняются операции сжатия и преобразования массива данных с использованием корреляционных функций.

В процессорном блоке DSP, который управляется с помощью специального программного обеспечения, осуществляются базовые операции, связанные с отслеживанием спутников, их захватом, коррекцией сигналов, и другие аналогичные процедуры. В архитектуре SiRF V максимальное число функций реализовано на программном уровне. Блок DSP обеспечивает все процессы обработки и вычислений. В этом типе приемников программное обеспечение является главным элементом системы и практически полностью обеспечивает обработку данных, полученных со спутников, и вычисление на основе этих данных навигационных результатов.

При первом включении (холодный старт) приемник получает альманахи от ближайших станций A-GPS. При последующих включениях (теплый и горячий старт) используются альманахи и эфемериды последнего измерения.

С учетом этих сведений рассчитываются вероятностные значения кодов PRN (псевдо­случайные шумы) для каждого канала. Базовая математическая модель основана на работе со спутниками GPS. В стандартном варианте предусмотрено не менее двенадцати каналов для спутников GPS. Дополнительные каналы предназначены для работы с другой спутниковой системой — ГЛОНАСС.

Далее для каждого канала рассчитываются вероятностные значения доплеровских кодов задержки, смещения частоты и фазы. Таким образом, на первом этапе вычислений получаем каналы, в которых теоретически должны находиться спутники, а также вероятностные значения сигналов от них. В то же время блок FE выдает на компьютер оцифрованные сигналы, пришедшие от реальных спутников.

На втором этапе работы программы теоретические значения, полученные путем математического моделирования, сравниваются с реальными сигналами от спутников. С помощью корреляционной модели из всего спектра выбирают полезный сигнал, наиболее похожий на тот, который был рассчитан теоретически.

Когда пик корреляции R пересекает заданный порог точности l, первый этап расчетов заканчивается. Это значит, что этап поиска завершен, найден первый спутник и переведен в режим слежения. В процессе слежения навигационная информация от данного спутника постоянно уточняется.

Если порог точности, заданный в корреляционной модели, не достигнут, то процесс вычисления повторяется. Количество итераций зависит от заданной точности вычислений. Такой подход позволяет в первом приближении оценить координаты спутника и начать принимать его эфемериды и альманахи с информацией о других спутниках. Процесс поиска спутников продолжается до тех пор, пока не будут выполнены все предварительно заданные параметры обработки.

В работе GNSS можно рассмотреть два основных сценария:

• Поиск заданного количества спутников GPS и переход к вычислениям координат приемника.
• Поиск спутников GPS и переход к поиску спутников ГЛОНАСС, до тех пор пока суммарное количество видимых спутников не достигнет заранее заданного значения, и дальнейший переход к вычислениям координат приемника.

На третьем этапе работы GNSS SDR-данные, полученные со всех спутников, формируются в единый массив и вычисляются коды фаз и псевдодальности. Если не достигнута требуемая точность, проводятся дополнительные вычисления с оценкой отношения мощности радиочастотного сигнала к шуму и проверкой спектрального соотношения C/N0. Более подробно принцип работы GNSS SDR рассмотрен в [24].

Технические характеристики навигационного блока в серии HL

Блок ГНСС-модулей серии HL поддерживает все стандартные функции GPS и GLONASS. В серии HL используется 52-канальный GNSS-приемник SiRF V, работающий с двумя СНС:

• GPS L1 ((1575,42 ±20) МГц);
• GLONASS L1 FDMA (1597,5–1605,8 МГц).

Технические характеристики ГНСС-приемника модулей серии HL показаны в таблице 5 [15].

В модулях серии HL поддерживается режим A-GPS (Assisted GPS), при работе в котором на вспомогательный сервер поступает информация со всех GPS-приемников, функционирующих в данной сети. Этот сервер может быть оснащен собственным мощным GPS-приемником и выступать в качестве ретранслятора сигнала от спутников. Вот почему для устройств, действующих в режиме A-GPS, значительно сокращается время вычисления координат при холодном старте. Кроме того, устройства с поддержкой A-GPS могут работать в местах, где в прямой видимости нет спутников или сигнал достаточно слабый, в том числе внутри зданий.

Модули серии HL могут работать в режиме дифференциальной коррекции (SBAS — Satellite Based Augmentation System). В этом режиме ГНСС-приемник получает вспомогательные сигналы от наземных станций, чье место­положение известно с очень высокой точностью. За счет этого можно заметно увеличить точность определения координат.

На открытой местности, в условиях ясного неба при работе с SBAS и A-GPS, ГНСС-приемник модулей серии HL обеспечивает точность определения координат в горизонтальном плане меньше 1 м, с доверительной вероятностью 95%.

Рис. 11. Сигналы спутников, доступные ГНСС-приемнику, окруженному высотными зданиями

В условиях городской застройки точность будет хуже. Использование двух спутниковых систем навигации ГЛОНАСС и GPS позволяет уменьшить ошибки вычисления координат, обусловленные отражением и экранированием сигналов спутников. На рис. 11 [11] схематически показаны сигналы спутников, доступные ГНСС-приемнику, окруженному высотными зданиями.

Оранжевые линии соответствуют сигналам спутников, которые блокируются зданиями, но принимаются спутником в виде отраженных сигналов. Голубые линии — прямые сигналы GPS. Белые линии — прямые сигналы ГЛОНАСС.

Расчеты, проведенные для примера, приведенного на этом рисунке, показывают, что значения HDOP — «фактора снижения точности при определении положения в горизонтальной плоскости» (Horizontal Dilution of Precision) — будут различными для работы с одной и с двумя СНС [11]:

• HDOP = 45, при работе с тремя спутниками GPS;
• HDOP = 50, при работе с тремя спутниками ГЛОНАСС;
• HDOP =2,2 при работе с тремя спутниками ГЛОНАСС плюс три спутника GPS.

В марте 2014 года корпорация CSR объявила о том, что разработанный ею ГНСС-приемник SiRF V 5ea с поддержкой четырех ССН (GPS, ГЛОНАСС, BDS/Compass и Galileo) смог получить, отследить и использовать сигналы, транслируемые четырьмя находящимися на орбите спутниками Galileo для того, чтобы определить свое местонахождение на территории Германии [26]. На сегодня SiRFstarV 5ea — один из немногих ГНСС-приемников, удовлетворяющих всем требованиям eCall Galileo. Следует отметить, что системы безопасности eCall (Европейский Союз) и ЭРА-ГЛОНАСС будут иметь согласованные протоколы, стандарты систем и единое пространство безопасности на дорогах.

Технические параметры модулей серии HL полностью соответствуют регламентам нормативных документов РФ [3–10] и могут быть использованы в системах спутникового мониторинга, устанавливаемых на всех видах автомобильного транспорта.

Поэтому с большой долей вероятности можно говорить о том, что модули серии HL имеют наибольшие перспективы для оборудования, способного работать с ЭРА-ГЛОНАСС.