Новый ГНСС-модуль u-blox ZED F9P со встроенным блоком RTK

№ 02’2018
PDF версия
Мировой лидер в разработке и производстве GNSS-чипов и модулей для массового потребления, швейцарская фирма u-blox анонсировала новый ГНСС-модуль со встроенным блоком RTK — ZED F9P, позволяющий определять координаты движущегося объекта с точностью до нескольких сантиметров. Модуль предназначен для использования в автомобильном транспорте, индустриальных приложениях, беспилотных наземных и летательных средствах. Навигационный GNSS-модуль ZED F9P с размерами всего 17,0×22,0×2,4 мм поддерживает работу со спутниковыми навигационными системами GPS, GLONASS, Galileo и BeiDo. Программное обеспечение позволяет работать с высокоточными системами коррекции — такими, например, как RTCM v. 3.x, SSR, SBAS, PPP. Модуль выполнен в миниатюрном, ударопрочном, виброустойчивом корпусе в конструктиве 24-pin LGA.

В феврале 2018 года в Тальвиле (Швейцария) фирма u-blox впервые анонсировала свою новую разработку — технологическую платформу GNSS-позиционирования uBlox F9. В конце апреля состоялась презентация нового модуля ZED-F9P [1].

Приемник модуля, имеющий 184 рабочих канала, позволяет параллельно работать со всеми глобальными навигационными спутниковыми системами: GPS L1C/A и L2C; GLONASS L1OF и L2OF; Galileo E1B/C E5b, Beidou B1I B2I, Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) L1C/A и L2C. На рис. 1 представлены рабочие частоты всех мировых спутниковых навигационных систем (СНС). ВЧ-тракт ГНСС-модуля  ZED-F9P поддерживает работу во всем диапазоне указанных частот ( 1176,45–1610 МГц ).

Рабочие частоты сигналов спутниковых навигационных систем (СНС), поддерживаемые модулем ZED-F9P

Рис. 1. Рабочие частоты сигналов спутниковых навигационных систем (СНС), поддерживаемые модулем ZED-F9P

В новом модуле для коррекции так называемых атмосферных ошибок определения координат используется многочастотный режим обработки сигналов GNSS c коррекцией фазовых сдвигов в реальном времени — RTK. Кроме того, реализована функция укороченного времени до первого местоопределения Fast time to first fix (Fast TTFF). Сочетание параллельной обработки сигналов всех спутников, сокращенное время TTFF и коррекция RTK позволяют модулю ZED-F9P за несколько секунд получать координаты движущихся объектов с точностью до 2 см.

Известно, что СНС разных стран мира используют различные несущие частоты для передачи данных, отличающихся как по объему, так и по и информативности. Например, в GPS индивидуальная информация каждого спутника передается на одних и тех же несущих частотах: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1224,60 МГц. Дополнительную служебную информацию в системе GPS передают на частоте L5 = 1176,45 МГц. Частота L1 получается путем умножения частоты задающего генератора на 154 и модулируется С/А- и Р-кодами. Частота L2 — результат умножения частоты задающего генератора на 120, модулируемый Р-кодом. Обе несущие частоты дополнительно модулируются навигационным сообщением. В процессе модуляции точного дальномерного Р(Y)-кода одновременно формируются метки времени спутникового сигнала. Полностью открытыми для пользователей всего мира являются сигналы спутников GPS с кодами так называемого грубого захвата Coarse/Acquisition (С/А). Частоты L2 и L5 предназначены для специальных целей.

Спутники ГЛОНАСС передают первый сигнал в диапазоне частот L1OF 1593–1610 МГц, а второй — в диапазоне L2OF 1237–1254 МГц. На спутниках ГЛОНАСС серии К также введена дополнительная передача сигнала с кодовым разделением (ПКР), с центральной частотой L3OF 1,2 ГГц. Сигнал в диапазоне L1 в ГЛОНАСС аналогичен C/A-коду в GPS и доступен для всех потребителей в зоне видимости группировки спутников. Сигнал в диапазоне L2 закрыт для общего пользования.

Поскольку модуль ZED-F9P поддерживает систему коррекции реального времени RTC на всех, кроме полностью закрытых военных частот, то сфера применений этих ГНСС-приемников не ограничивается только бытовыми навигаторами. Эти модули могут также быть использованы в специальных приложениях.

Поскольку модуль ZED-F9P сохраняет действующие альманахи, время первой фиксации (TTFF) можно существенно сократить за счет уменьшения холодного старта (Cold Start), теплого старта (Warm Start), PVT (Position — Velocity — Time).

Технология Real Time Kinematics (RTK), разработанная в начале 1990-х годов, предназначена для коррекции искажений сигналов спутника, обусловленных атмосферными неоднородностями, помехами от стационарных и подвижных объектов, а также эффектами переотражения и многолучевости. Эта технология позволяет пользователю получать сантиметровую точность позиционирования в режиме реального времени. Суть метода RTK заключается в том, что в качестве опорной системы применен дополнительный GNSS-приемник базовой станции (base station), который размещен стационарно в пункте с предельно точно известными координатами. Второй GNSS-приемник, получивший название «ровер» (rover), устанавливается на объекте, координаты которого необходимо измерить (рис. 2) [2].

Схема работы технологии RTK

Рис. 2. Схема работы технологии RTK

Одновременно на ровере и на базовой станции измеряются фазы несущей GNSS-сигналов. Базовая станция обрабатывает сигналы спутников и вычисляет координаты, сравнивая их с хорошо известными эталонными значениями. Специальное программное обеспечение определяет коэффициенты коррекции так, чтобы эталонные и расчетные данные координат базовой станции совпадали. Полученные корректирующие данные по каналам радио- или сотовой связи передаются на роверы. Эта операция, в зависимости от используемого протокола, повторяется с определенной частотой. В модулях ZED-F9P поддерживается режим перестраиваемой частоты RTK с максимальным значением 20 кГц. Важно отметить, что ZED‑F9P имеет встроенный блок многочастотной коррекции реального времени Multi Real Time Kinematics (MRTK). Поэтому для реализации режима коррекции RTK не требуются дополнительные аппаратные и программные средства, а также сторонние библиотеки Real Time Kinematics libraries. Следует отметить и достаточно небольшое время инициализации RTK — меньше 10 с.

Модуль ZED-F9P поддерживает ряд услуг коррекции, позволяющих каждому приложению оптимизировать производительность в соответствии с конкретными задачами. Встроенные библиотеки содержат набор стандартных корректирующих функций RTCM, что предусматривает работу как с локальными базовыми станциями, так и с виртуальными опорными станциями virtual reference stations (VRS). В следующих моделях uBlox предполагается опционно организовать поддержку новых типов коррекции, таких, например как SSR.

Программное обеспечение модуля ZED-F9P позволяет рассчитывать траекторию для геозон, в которых наблюдается слабый или пропадающий сигнал спутников, например, в зонах городской застройки (функция Dead-reckoning). При этом недостающие координаты вычисляются с использованием оценки скорости и направления движения, полученных из предыдущих отсчетов. Необходимо, однако, обратить внимание, что в этом случае точность определения координат будет значительно превышать величины, представленные в технической документации.

Технические характеристики модуля ZED-F9P приведены в таблице [3].

Таблица. Технические характеристики модуля ZED-F9P

Тип ГНСС-приемника

u-blox F9 engine

Количество каналов

184

Поддерживаемые СНС

GPS L1C/A L2C, GLO L1OF L2OF,GAL E1B/C E5b, BDS B1I B2I, QZSS L1C/A L2C

Частота обновления данных RTK

Перестраиваемая, макс. 20 Гц

Погрешность определения координат в режиме Standalone

2 м (CEP)

Погрешность определения координат в режиме RTK

2 см (CEP)

Время инициализации RTK

< 10 с

Холодный старт

26 с

Горячий старт

2 с

Повторный захват

1 с

Поддерживаемые системы коррекции

AssistNow, Online OMA SUPL & 3GPP compliant

Опорный генератор

TCXO

Тип RTC

Встроенный, программно-аппаратный,

на кристалле

Подавление помех

Anti-Jamming — мультитональный активный подавитель помех (Active CW, встроенные полосовые фильтры)

Защита от несанкционированного доступа

Расширенный алгоритм anti-spoofing

Хранение данных

Flash

Поддерживаемый тип антенны

Активная антенна

Интерфейсы

2 UART, 1 SPI, 1 DDC (I2C-совместимый)

Интерфейс пользователя

Конфигурируемые вводы/выводы

Управляющие сигналы

Импульсы в диапазоне частот

0,25 Гц —10 МГц

Протоколы

NMEA, UBX binary, RTCM v. 3.3

Напряжение питания

2,7–3,6 В

Ток потребления

68 мА (при напряжении 3 В)

Питание периферийных устройств

Перестраиваемый выход 1,65–3,6 В

Конструктив

24-pin LGA (Land Grid Array)

Размеры

17×22×2,4 мм

Интервал рабочих температур

−40…+85 °C

Стандарты окружающей среды compliant

RoHS, Halogen-free, ETSI-RED

Сертификаты

ISO 16750, ISO/TS 16949

Изготовлено и полностью испытано

На сертифицированных производственных площадках

В модуле ZED-F9P предусмотрен ряд мер, обеспечивающих безопасную работу и защиту от помех — например, anti-jamming и anti-spoofing. Защита от помех реализована с помощью мультитонального активного подавителя помех, (Active CW). Кроме того, в модуле имеются встроенные полосовые фильтры.

Защита anti-spoofing предоставляет возможность бороться с подслушкой (sniffing) процесса инициализации соединения и дальнейшего использования полученных данных для установления несанкционированного соединения (spoofing). Программное обеспечение также способно предотвратить работу с вирусными командами, позволяющими начать процесс инициализации с устройством злоумышленника.

Нужно обратить внимание на времена до первого местоопределения, которые у данного модуля значительно лучше, чем у аналогичных моделей других фирм. Например, горячий старт занимает около 2 с, а на операцию повторного захвата требуется меньше 1 с.

Флэш-память модуля используется для хранения кодов встроенного ПО, настроек и конфигурации модуля, для альманахов КНС.

Модуль имеет два последовательных порта UART, предназначенных для организации обмена с внешними устройствами. Оба порта программируются индивидуально.

Модулем поддерживаются протоколы NMEA, UBX binary, RTCM v. 3.3. Имеется возможность записи лога в формате RINEX.

Внешний вид модуля ZED-F9P показан на рис. 3.

Внешний вид модуля ZED-F9P

Рис. 3. Внешний вид модуля ZED-F9P

Модуль выполнен в ударопрочном виброустойчивом корпусе в конструктиве 24-pin LGA.

В целом, из основных преимуществ модуля ZED-F9P можно выделить следующие:

  • возможность одновременной, параллельной работы с основными мировыми спутниковыми навигационными системами: GPS, GLONASS, Galileo и BeiDou;
  • многочастотный RTK с малым временем инициализации и высокой степенью надежности;
  • малые времена до первого местоопределения;
  • погрешность определения координат движущегося объекта в режиме RTK: 2 см;
  • миниатюрный, ударопрочный, виброустойчивый корпус в конструктиве 24-pin LGA;
  • высокая степень интеграции, обеспечивающая минимум внешних компонентов;
  • встроенный RTK с поддержкой широкого круга библиотек;
  • возможность работы с большинством современных технологий коррекции сигналов ГНСС — RTCM v. 3.x, SSR, SBAS, PPP;
  • функция расчета траектории в зонах с пропадающим сигналом.

Перечисленные достоинства модуля позволяют использовать его в самых разнообразных приложениях, таких, например, как системы наблюдения за перемещением автомобилей, грузов, детей и пожилых людей, животных; автоматизированные производственные линии; карьерные и сельскохозяйственные, беспилотные машины и механизмы с удаленным управлением; дроны и многие другие приложения.

Особенно следует отметить новое, бурно развивающееся направление малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (рис. 4). По данным Goldman Sachs, к 2020 году оборот продаж дронов превысит $100 млрд [4].

Беспилотный летательный аппарат с видеокамерой высокого разрешения [5]

Рис. 4. Беспилотный летательный аппарат с видеокамерой высокого разрешения [5]

Легкий, малогабаритный, высокоточный модуль ZED-F9P является оптимальным решением для современных беспилотных летательных средств.

Модули uBlox изготавливаются на сертифицированном по ISO/TS 16949 оборудовании и полностью протестированы на системном уровне. Квалификационные испытания проводятся в соответствии со стандартом ISO16750.

Образцы модулей ZED-F9P будут доступны во второй половине 2018 года.

Литература
  1. www.gpsworld.com/u-blox-high-precision-gnss-module-based-on-its-f9-technology
  2. www.goodreads.com/topic/show/19172511-downioad-gps-for-land-surveyors-fourth-edition-pdf-audiobook-by-jan-van
  3. www.u-blox.com/en/product/zed-f9p-module
  4. www.u-blox.com/en/drone-navigation-high-precision-rtk-gnss-technology
  5. www.dronezon.com/wp-content/uploads/2014/10/what-is-drone-technology-and-how-does-it-work.jpg

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *