Новый прецизионный ГНСС-модуль u-blox MAX-M10S с ультранизким энергопотреблением

В настоящее время ГНСС-приемники используются в самых разных индустриальных, военных, научных и бытовых приложениях.

Каждое из приложений имеет свои собственные требования, предъявляемые к конструкциям и параметрам приемников ГНСС. Часто эти требования начинают конфликтовать между собой. Например, по мере того как ГНСС-приемник будет увеличивать частоту обновления данных местоположения, станут возрастать и вычислительные мощности, что в свою очередь снизит срок автономного питания. Таким образом, точность позиционирования вступает в противоречие с энергопотреблением.

С другой стороны, точность позиционирования носимых и портативных устройств во многом зависит от размеров антенны и правильного ее размещения. Для бытовых трекеров невозможно использовать большие направленные антенны. Особенно влияние антенны заметно в случаях, когда ГНСС-приемник установлен на быстродвижущихся объектах, например трекере для собак. Здесь размер антенны и ее тип обусловливают точность определения координат: чем сложнее и больше антенна, тем выше точность. Однако для нашего примера с собакой нужна простая и легкая антенна.

Особый класс составляют трекеры, предназначенные для позиционирования грузов. Такие устройства должны быть точными, миниатюрными и работать без замены батареи в течение многих месяцев.

С целью создания универсального ГНСС-приемника, способного примирить эти противоречия, была разработана специальная программно-аппаратная технологическая платформа, получившая название u-blox M10 Ultra-low power Standard Precision GNSS platform.

Как следует из названия, платформа обеспечивает ультранизкое энергопотребление при стандартной прецизионной точности определения координат. Аппаратная часть платформы на сегодня представлена ГНСС-чипом UBX-M10050-KB [1].

На базе этого чипа выпускается полностью готовый к работе модуль MAX M10.

Программная оболочка, выпущенная 20.11.2020, носит название Firmware version ROM SPG 5.00 (0dbd69), Protocol version PROTVER=34.00.

Основные преимущества технологии u-blox M10 приведены в таблице 1.

Указанные преимущества обеспечивают платформе u-blox M10 лидирующие позиции в производстве таких устройств, как спортивные часы, переносные малогабаритные устройства с батарейным питанием, трекеры для домашних животных и детей, трекеры для логистических товаров, автомобильные трекеры, не разряжающие аккумулятор при длительной стоянке, и другое аналогичное оборудование.

Одновременный прием и обработка сигналов четырех разных GNSS, реализованный в u-blox M10, позволяет получить максимальную точность отслеживания объектов даже в условиях плотной городской застройки. Это особенно важно при поиске потерявшихся детей, стариков и домашних питомцев.

Кроме того, для этой технологии разработан метод Super-Signal (Super-S), который позволяет увеличить чувствительность при обработке ослабленных сигналов. Такие сигналы могут быть обусловлены неправильным размещением антенны, естественными и искусственными радиочастотными помехами, а также снегом, градом, дождем и облачностью. В условиях непрямой видимости технология Super-S дает 25%-ное улучшение точности позиционирования по сравнению с традиционными методами. Эти свойства значительно упрощают, например, поиск машины на большой стоянке.

Ниже перечислены наиболее значимые новые характеристики платформы M10, отличающие ее от предыдущей версии.

Чувствительность при холодном запуске в М10 улучшена для Galileo/BeiDou на 3 дБ и для ГЛОНАСС на 2 дБ. Чувствительность горячего старта также улучшилась на 3–4 дБ.

Снижены времена первой фиксации (TTFF — time-to-first-fix): Galileo на 7 с; Beidou на 4 с; ГЛОНАСС на 3 с.

В новой версии появилась возможность использовать поправки, предоставляемые сигналом QZSS L1S. Теперь пользователи могут получить доступ к отчету об управлении аварийными и кризисными ситуациями, включив UBX-RXM-SFRBX и проанализировав его самостоятельно.

Функция поддержки BDSBAS L1 C/A позволяет применять поправки для GPS L1 C/A, предоставляемые через сигнал BDSBAS L1.

Сообщение UBX-MON-SPAN предназначено для поиска и анализа сигналов помех.

В новом чипе используется модернизированная версия работы в автономном режиме AssistNow.

Новая система безопасности предусматривает аутентификацию всех выходных данных с использованием криптографической подписи на базе асимметричного ключа.

С целью снижения энергопотребления введено 5-минутное хранение навигационных решений во внутренней памяти приемника. Это позволяет процессору оставаться в режиме низкого энергопотребления в течение длительного времени.

Максимальная высота, поддерживаемая этим чипом, увеличена до 80 000 м.

Для настройки внешней антенны и снижения энергопотребления чипа u-blox M10 используются разные режимы работы встроенного малошумящего усилителя — байпас, низкое усиление, полное усиление.

В протоколе NMEA дополнительно осуществлена поддержка стандартного отклонения большой полуоси эллипса ошибки, стандартного отклонения малой полуоси эллипса ошибки и ориентации большой полуоси эллипса ошибки в сообщении NMEA GST (stdMajor, stdMinor и orient). Кроме того, сообщение NMEA DTM позволяет отображать P90 в качестве точки отсчета при выборе PZ90.

На экране загрузки появилась возможность видеть уникальный идентификатор чипа и версию прошивки.

Более полную информацию о новой платформе u-blox M10 можно найти в документе [2].

На рис. 1 показана блок-схема нового модуля u-blox MAX M10 [3].

Рис. 1. Блок-схема модуля u-blox MAX M10

Модуль разработан на базе чипа UBX-M10050-KB, являющегося частью платформы u-blox M10. Эти чипы сертифицированы в соответствии с AEC-Q100 и выпускаются на аттестованных по стандарту IATF 16949 автоматизированных линиях [4].

К чипу, представляющему собой ядро модуля u-blox MAX M10, подключено всего несколько внешних устройств: блок питания, антенна, супервизор, усилитель LNA, фильтр SAW, радиочастотный блок, генератор часов реального времени (32,768 кГц) и термокомпенсированный кварцевый генератор. Опционно через SPI может быть подключена внешняя память.

Для питания модуля необходим стабилизированный источник питания или батарея с напряжением 2,7–3,6 В. Номинальное питание модуля составляет 3 В. Номинальный ток не превышает 3,3 мА. Предельно допустимые значения напряжения соответственно равны –0,3 и 3,6 В. Максимально допустимый ток равен 50 мА. Режим восстановления работоспособности (Backup supply) 1,65–3,6 В.

Модуль может работать в экономном режиме с минимальным усилением LNA. При этом ток в режиме hardware backup mode не больше 32 мкА. В режиме hardware standby mode ток не превышает 46 мкА.

Перезагрузка модуля (Reset) осуществляется с помощью отрицательного импульса длительностью 1 мс. Диапазон рабочих температур –40…+85 °С.

В таблице 2 даны примеры тока потребления модуля и его вводов/выводов для VCC и V_IO. Следует подчеркнуть, что эти значения носят только информационный характер и приведены как пример работы в режиме холодного пуска. Реальные токи и потребляемая мощность для каждого конкретного пользователя будут зависеть от применяемой версии программного обеспечения, внешней схемы периферийного оборудования, количества отслеживаемых спутников, мощности сигнала, типа и времени запуска, продолжительности работы, режима усиления внутреннего LNA и условий тестирования.

Модуль имеет программируемый последовательный порт UART, предназначенный для организации обмена с внешними устройствами. Питание интерфейсов подается по отдельной линии V_IO (рис. 1). Универсальный асинхронный интерфейс модуля программируется на скорости передачи 4800–921 600 бит/с с точностью до 1%.

По умолчанию в модуле MAX M10 используются следующие настройки UART:

• 9600 baud, 8 bits, no parity bit, 1 stop bit;
• Input messages: NMEA and UBX;
• Output messages: NMEA GGA, GLL, GSA, GSV, RMC, VTG and TXT.

Модуль имеет также интерфейс DDC (I²C), совместимый с индустриальным стандартом Fast-mode industry standard I²C.

Интерфейс Display Data Channel (DDC) представляет собой 2-проводной интерфейс связи, базирующийся на стандартной цифровой последовательной шине. Этот интерфейс концерн u-blox использует в большинстве своих чипов и модулей [5].

Внешнее устройство, например микроконтроллер, EEPROM или цифро-аналоговый преобразователь, подключенный к интерфейсу DDC, идентифицируется с помощью уникального 7-битного адреса. Адрес DDC по умолчанию для ГНСС-приемников u-blox установлен на 0x42. Изменить этот адрес можно, используя установки для режима в CFGPRT.

В модуле MAX M10 интерфейс DDC может быть предназначен для обмена данными с внешними устройствами на скоростях до 400 кбит/с. Описание контактных линий интерфейсов UART и DDC приведено в таблице 3.

Модуль может работать как с пассивной, так и с активной антенной. В цепь питания антенны встроен монитор состояния антенны. В зависимости от тока в этой цепи формируются сообщения, характеризующие различные режимы работы антенны.

Модуль имеет следующие сертификаты: ISO 16750, ISO/TS 16949, compliantRoHS, Halogen-free, ETSI-RED.

Габаритные размеры модуля: 10,1×9,7 мм. Вес 0,6 г. Внешний вид модуля MAX M10 показан на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид модуля u-blox MAX M10

Модуль выполнен в конструктиве 18 pin LCC (Leadless Chip Carrier). Все интерфейсные сигналы выведены на 18 контактных площадок с размерами 0,9×0,6 мм, которые расположены на задней поверхности модуля.

Расположение и название контактных площадок модуля u-blox MAX M10 показано на рис. 3.

Рис. 3. Расположение и название контактных площадок модуля u-blox MAX M10

Назначение контактных выводов модуля u-blox MAX M10 приведено в таблице 3.

Контактные площадки (# 2, 3, 4, 5, 16, 17), на которые выведены линии UART, TIMEPULSE, EXTINT, I²C, могут быть запрограммированы также и для других целей, например, как Enable LNA, TX ready, Data Batching Indicator, Antenna Supervisor. Эти выводы имеют встроенные подтягивающие резисторы. Если какой-либо интерфейс не используется, резисторы оставляют открытыми. На эти контактные площадки (PIO) питание подается от V_IO.

Модули MAX M10 могут также использоваться в качестве точных меток времени для различных событий. Для этого используется режим Timing, который включает специальный алгоритм, позволяющий синхронизировать текущее время либо с GPS, либо с UTC (всемирное координированное время). Синхронизирующие импульсы снимаются с вывода TIMEPULSE. Частоту этих импульсов можно перестраивать в диапазоне 0,25 Гц — 10 МГц.

Если координаты точно определены, то режим синхронизации можно применять, отслеживая только один спутник. В общем случае для точной синхронизации по времени необходимо отслеживать как минимум четыре спутника. При этом рекомендуется использовать только неподвижные объекты [6].

На выводе EXTINT вырабатывается сигнал внешнего прерывания (External interrupt), с помощью которого можно перезапускать модуль в режим работы EXT Input Wakeup.

Модуль u-blox MAX M10 поддерживает работу со следующими ГНСС:

• GPS: L1C/A (1575,42 МГц);
• Galileo: E1 B/C (1575,42 МГц);
• GLONASS: L1OF (1602 МГц + k×562,5 кГц, k = –7,…, 5, 6);
• BeiDou: B1I (1561,098 МГц).

Модуль может работать с сервисами A-GNSS в одном из трех режимов: Online, Offline, Autonomous.

MAX M10 можно использовать совместно с системами дифференциальной коррекции глобальных навигационных спутниковых систем:

• SBAS: EGNOS, GAGAN, MSAS/WAAS;
• QZSS: L1S (SLAS).

Активный антенный супервизор модуля предназначен для оценки оптимального направления на объект с учетом препятствий и помех.

Модуль не теряет работоспособности после пятиминутной работы в автономном режиме без обновления данных со спутников. В модуле предусмотрены аппаратный и программный режимы ожидания с резервным копированием, а также пакетная обработка данных и автономное слежение.

Функция одометра позволяет измерять пройденное расстояние с поддержкой различных профилей пользователей.

Активная внутриполосная фильтрация сигналов ГНСС дает возможность обнаружения сигналов радиочастотных помех и глушения.

В модуле MAX M10 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).

Защита anti-spoofing дает 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.

Модуль поддерживает работу с двумя типами дифференциальных поправок. В одном случае используются корректирующие наземные базовые станции (RTCM), на которых установлены прецизионные приемники GNSS, непрерывно обрабатывающие данные всех навигационных спутников. Координаты корректирующих станций определяются с высокой точностью. Модуль принимает сигналы, формируемые наземной контрольно-корректирующей станцией. В данном режиме передаются значения поправок, относящиеся к измерениям псевдодальности по сигналам ГНСС, поправки RTK, а также скорость изменения поправок.

В другом варианте, в дифференциальном режиме работы, используются геостационарные спутники SBAS/QZSS, ретранслирующие сигнал корректирующих станций на большие территории. Через спутники SBAS/QZSS передаются данные о целостности навигационной информации, параметры коррекции, номера корректируемых спутников, оценка медленно меняющихся ошибок эфемерид, номера точек ионосферной сетки, значения вертикальных задержек и другие служебные параметры.

Одним из важных свойств модуля является поддержка автономного контроля целостности обрабатываемой навигационной информации в навигационном приемнике — Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM). В модуле MAX M10 эта информация передается в сообщении NMEA-Standard-GBS «GNSS satellite fault detection».

Основная задача RAIM заключается в контроле недостоверности навигационных сигналов путем обнаружения отказа FD (Failure Detection) и исключение из навигационного решения аномального измерения FI (Failure Identification). Использование RAIM позволяет исключить ошибки вычисления координат, скорости и высоты, обусловленные ионосферными, тропосферными, метеорологическими эффектами, отражением сигналов спутников в условиях плотной городской застройки, искажениями от линий электропередачи, а также другими аналогичными явлениями.

Основные функции RAIM:

• обнаружение неустойчивых сигналов конкретного спутника;
• расчет текущей ошибки определения координат и ее сравнение с максимально допустимым значением;
• формирование и выдача сообщения о недостоверном сигнале;
• исключение сигналов с ошибкой, превышающей максимально допустимое значение из решения навигационной задачи (НЗ).

В RAIM используется метод обработки сигналов избыточного спутника. Например, для вычисления координат необходимы данные как минимум от четырех спутников. В упрощенном виде алгоритм RAIM подразумевает несколько независимых вычислений, результаты которых сравниваются между собой. В результате расчетов определяется четыре надежных сигнала от конкретных спутников. Дополнительные расчеты проводятся с привлечением пятого спутника. Если погрешность повторных вычислений превышает максимально допустимое значение, то сигналы пятого спутника считаются недостоверными в данной точке, в данное время и не учитываются при решении НЗ. Современные реальные алгоритмы RAIM значительно сложнее. Безопасность информации также обеспечивается с помощью криптографических подписей.

В таблице 4 приведены времена до первого местоопределения при работе только с одной из ГНСС.

Благодаря тому что модуль MAX M10 может одновременно принимать и обрабатывать информацию от четырех разных ГНСС, удалось улучшить чувствительность и точность определения координат, время поиска спутников (табл. 5).

Модуль управляется с помощью бинарных или NMEA-сообщений. Поддерживаются следующие стандартные протоколы NMEA: v.2.1, 2.3, 4.0, 4.10. В заводских настройках по умолчанию используется версия 4.10. С протоколом NMEA можно работать как в режиме Input/output, так и в режиме ASCII.

Программное обеспечение модуля MAX M10 поддерживает следующие стандартные NMEA-сообщения: DTM, GAQ, GBQ, GNSS, GGA, GLL, GLQ, GNQ, GNS, GPQ, GQQ, GRS, GNSS, GSA, GST, GSV, RLM, RMC, TXT, VLW, VTG, ZDA. Кроме того, существуют проприетарные NMEA-команды u-blox. Например, команда <$PUBX,41,1,0007,0003,19200,0*25\r\n> используется для установки протоколов и скоростей передачи. Подробно команды управления и сообщения NMEA описаны в документах [7, 8].

Кроме NMEA, модуль поддерживает u-blox-proprietary-протокол UBX (Input/output, binary), предназначенный в основном для связи с внешним хост-компьютером.

Основные отличительные черты протокола UBX:

• компактность: протокол использует 8-битные двоичные данные;
• защита контрольной суммы: задействован алгоритм контрольной суммы с небольшим заголовком, содержащим служебные или пользовательские данные;
• модульность: протокол использует двух­этапный идентификатор сообщения (класс и идентификатор сообщения).

Каждый кадр протокола UBX начинается с 2-байт преамбулы, состоящей из двух символов синхронизации: 0xb5 и 0x62.

Далее следует 1-байт поле группы сообщений, связанных между собой.

Затем идет 1-байт поле идентификатора, определяющее то сообщение, которое должно быть передано. После чего идет поле полезной нагрузки, которое содержит переменное количество байтов.

Завершают кадр два 1-байт поля — CK_A и CK_B, содержащие 16-бит контрольную сумму, расчет которой определяется в разделе контрольной суммы UBX.

Более подробное описание этого протокола приведено в [7].

Следует обратить внимание на времена до первого местоопределения, которые у данного модуля значительно лучше, чем у аналогичных моделей других фирм.

Перечисленные преимущества модуля u-blox MAX M10 позволяют использовать его в самых разнообразных приложениях — таких, например, где необходимы системы с батарейным питанием длительного срока службы. В этом плане можно упомянуть бурно развивающееся направление миниатюрных беспилотных летательных аппаратов.

Для разработки изделий на базе модуля u-blox MAX M10 рекомендуется использовать отладочный комплект EVK-M10 u-blox M10 GNSS evaluation kit [9].

Комплект EVK-M101 оптимален для детального изучения особенностей работы модуля u-blox MAX M10. Комплект изготовлен в прочном металлическом корпусе размерами 105×64×26 мм (рис. 4).

Рис. 4. Отладочный комплект EVK-M10 u-blox M10 GNSS evaluation kit

В составе EVK-M101 предусмотрены отладочный блок, встроенный блок питания, антенна, кабели и пакет программного обеспечения, поддерживающий все функции модуля u-blox MAX M10.

На корпусе отладочного блока имеется разъем, обеспечивающий полный доступ ко всем портам ввода/вывода микросхемы u-blox M10.