如何使用 GNSS 模組打造位置感知智慧城市解決方案

許多領域正逐漸開始部署智慧城市的位置感知服務 (LAS)，包括政府服務、運輸、交通管理、能源、醫療保健以及水與廢棄物，以便打造更安全、永續且更緊密相連的城市。在這些應用中，通常有必要瞭解鄰近裝置之間的距離。在 LAS 應用中，定位能力的需求越來越高，需透過多星系全球衛星系統 (GNSS) 接收器以便連接歐洲伽利略、美國 GPS、俄羅斯 GLONASS 和中國北斗導航衛星系統。使用多星系 GNSS 接收器的優勢包括：更理想的定位、導航、授時 (PNT) 訊號可用性，更高的準確度和完整性，以及更高的穩健性。但是，開發多星系接收器非常複雜且耗時。

本文將探討使用多星系 GNSS 接收器時的重要系統設計考量，接著會介紹來自 u-blox、Microchip Technology、MikroElektronika、Thales 和 Arduino 等廠商的 GNSS 平台與開發環境，以便以有效且符合成本效益的方式，開發位置感知智慧城市應用。

GNSS 技術的改進，尤其是功率需求的降低，不僅提高 GNSS 在智慧城市應用中的使用率，也讓 LAS 更加普及。2010 年時，GNSS 接收器的功耗為 120 mW；到 2020 年，則已降至 25 mW (圖 1)。事實上，相較於其他絕大多數 LAS 系統元件的功率需求，GNSS 接收器的功率需求降低得更快。比起其他系統元件，舊型 GNSS 技術更為耗電。如今，GNSS 功率需求通常只佔到總功率預算的個位數百分比。

圖 1：2010 年，GNSS 接收器功耗為 120 mW，到了 2020 年則降至 25 mW。(圖片來源：u-blox)

功耗難題

雖然 GNSS 接收器功耗已大幅降低，但要讓解決方案的功率與效能之間達到最佳化，複雜度也增加好幾倍。並非所有 LAS 設計都要持續估算 GNSS 位置或具備較高的定位準確度。有許多工具能讓設計人員發揮最佳化的 GNSS 效能與功耗，包括硬體最佳化和以韌體為主的作法。

使用低功耗元件，尤其是低雜訊 RF 放大器 (LNA)、振盪器和即時時脈 (RTC)，是開發高能效 GNSS 解決方案的第一步。挑選主動天線或被動天線，便是一個很好的例子。被動天線成本較低、效率更高，但無法滿足各種應用的需求。主動天線可能是都會叢林、建築物內部或其他訊號強度不良之處的理想選擇。主動天線中的 LNA 雖然能大幅提升接收微弱訊號的能力，但同時也極為耗電。若非常講究低功耗且可不計較天線尺寸，大型被動天線往往能提供與小型主動天線一樣的效能，同時仍可確保較高的定位可用性與準確度。

雖然多數 GNSS 接收器都能提供 10 Hz 以上的更新率，但大部分 LAS 應用在更新率非常慢且功耗較少的情況下都可正常運作。選擇最佳的更新率，就可對功耗產生最大的影響。除了硬體方面的考量外，設計人員在最佳化功耗時還有多種韌體工具可用，包括更新率、同時追蹤的 GNSS 星系數量、輔助式 GNSS 以及多種省電模式 (圖 2)。

圖 2：除了使用最有效率的硬體解決方案，設計人員還能利用若干韌體工具達到最佳的 GNSS 效能與能耗。(圖片來源：u-blox)

在嚴苛的環境中，可能需要同時追蹤多個 GNSS 星系。以多種不同的頻段來接收訊號雖可確保穩健的位置判定，但同時也會增加功耗。所以，務必要瞭解具體的工作環境，尤其是天空視野的開闊度；並且使用最少的 GNSS 訊號數來支援該 LAS 應用的需求。

關閉 GNSS 功能可節省最多能源，但每次打開都要冷啟動。冷啟動的首次定位時間 (TTFF) 可能是 30 秒或更長，具體視 GNSS 訊號的可用性和強度以及天線的大小和擺位而定。輔助式 GNSS 能縮短 TTFF 並提供準確的資訊。輔助式 GNSS 的實作方式有許多種，包括目前和預測的衛星位置與計時參數 (稱為「星曆資料」)、年曆，以及衛星系統的準確時間與衛星狀態修正資料。這些資料可透過網際網路即時下載，或最多每隔幾天進行下載。有些 GNSS 接收器具有自主模式，可在內部計算 GNSS 軌道預測資訊，因此無需外部資料和連線。但是，使用自主模式可能需要定期開啟接收器，以下載目前的星曆資料。

省電模式

除了輔助式 GNSS 等連線選項，許多 GNSS 接收器可讓設計人員在更新率與功耗之間進行眾多權衡取捨，包括連續追蹤、循環追蹤、開／關操作，以及快照定位 (圖 3)。選擇最佳追蹤模式，是定義特定應用效能時的另一個重要考量。如果工作條件狀況發生變化，導致無法使用最佳省電模式，系統應自動切換到下一個最節能的模式，以確保持續運作。

圖 3：節能運作模式必須配合所需的更新率，以達到最佳 GNSS 系統效能。(圖片來源：u-blox)

連續追蹤適用於每秒需更新數次的應用。GNSS 接收器會在此模式中擷取其所在位置、建立定位、下載年曆與星曆資料，然後切換至追蹤模式以降低功耗。

循環追蹤每幾秒就會更新位置，並且當訊號及／或天線大到能依照需求確保取得位置訊號時，此功能便非常實用。如果追蹤活動不需要擷取新的衛星，就可節省更多的電力。

開／關操作是在擷取／追蹤活動和睡眠模式之間進行切換。睡眠時間通常為幾分鐘，開／關操作需要較強的 GNSS 訊號，才能將 TTFF 縮到最短，進而將每一段睡眠後的功耗降到最低。

快照定位節省電力的方式是使用 GNSS 接收器進行本機訊號處理，再搭配雲端運算資源，進行運算密集的位置估算處理。有網際網路連線時，快照定位可將 GNSS 接收器的功耗降低 10 倍。若每天只需更新位置幾次，此解決方案就會是有效的節能策略。

內嵌式天線可支援 GNSS 增強

若系統可同時接收 GPS、伽利略和 GLONASS GNSS 訊號，設計人員就可轉用 u-blox 的 SAM-M8Q 塊狀天線模組 (圖 4)。若同時運用三個星系，即使身處都市叢林等嚴苛環境，或是接收的訊號很微弱時，也能準確地定位。為了加速定位及提高準確度，SAM-M8Q 可支援許多增強功能，包括準天頂衛星系統 (QZSS)、GPS 輔助型靜地軌道增強導航 (GAGAN) 和室內傳訊系統 (IMES)，以及寬域擴增系統 (WAAS)、歐洲地球同步衛星導航增強服務系統 (EGNOS) 和 MTSAT 衛星增強系統 (MSAS)。

圖 4：SAM-M8Q 模組支援同時接收最多三個 GNSS 來源 (GPS、伽利略、GLONASS)。(圖片來源：u-blox)

SAM-M8Q 模組還可使用 u-blox AssistNow 輔助服務來提供 GNSS 廣播參數，包括星曆資料、年曆以及時間或粗略位置，因此可大幅縮短 TTFF。AssistNow 離線資料和 AssistNow 自主資料的效期有所延長 (前者最長 35 天，後者最長 3 天)，即使經過很長的時間，還是能加快 TTFF。

此物聯網 (IoT) Google Cloud 開發平台能以簡易方式連線並且確保 PIC MCU 架構應用。MikroElektronika 的 GNSS 4 click 含有 SAM-M8Q 模組，並配有 Microchip Technology 的 PIC®-IoT WG 開發板，可加快 LAS 智慧城市應用的開發速度 (圖 5)。透過 PIC-IoT WG 開發板，Google Cloud IoT 使用者就可加速安全雲端連線應用的開發。此外，PIC-IoT WG 開發板還為設計人員提供分析與機器學習工具。

圖 5：GNSS 4 Click 板搭載 u-blox 的 SAM-M8Q 塊狀天線模組。(圖片來源：DigiKey)

多星系 GNSS 搭配無線連線

像是追蹤器等小型 LAS 裝置，就可從多星系 GNSS 的支援 (GPS／伽利略／GLONSAA) 以及全球 LPWAN LTE 連線受惠，只需採用第 14 版第二代 Cat.M1/NB1/NB2 的單一模組即可，例如，設計人員就可採用 Thales 的 Cinterion TX62 模組 (圖 6)。透過此模組的彈性架構，就可讓解決方案尺寸進一步最佳化，即可利用主機處理器來執行應用，或利用整合式處理器在模組內執行應用。TX62 支援 3GPP 省電模式 (PSM) 與增強型非連續接收 (eDRx)，適用於電力敏感的應用。PSM 睡眠時間通常比 eDRX 長得多。較長的睡眠時間，能讓裝置進入比 eDRX 更深、功率更低的睡眠模式。PSM 睡眠功率低於 10 μA，而 eDRX 睡眠功率則高達 30 µA。

圖 6：TX62 IoT 模組支援 LTE-M、NB1 和 NB2 通訊以及多星系 GNSS。(圖片來源：Thales)

TX62 的安全功能包括安全金鑰儲存與憑證處理，讓雲端平台的註冊具可靠性，同時保護裝置與資料；另外，還提供可在製造期間預先整合至 TX62 根目錄中的可信任身分。必要時，設計人員可指定一個選配的整合式 eSIM，以簡化物流和製造流程，並透過動態訂閱更新和遠端佈建提高現場的彈性。

Arduino Portenta H7 應用中的 LAS 開發可透過 Portenta Cat.M1/NB IoT GNSS 擴充板進一步簡化 (圖 7)。此擴充板結合了 Portenta H7 的邊緣運算能力與 TX62 的連接性，能在智慧城市應用以及工業、農業、公用事業及其他領域中，發展 LAS 資產追蹤與遠端監控。基本的 Portenta Cat.M1/NB IoT GNSS 擴充板不含 GSM/UMTS 天線。與其尋找相容的天線，設計人員可使用 Arduino 雙極五頻防水天線。

圖 7：Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS 擴充板含有 TX62-W IoT 模組 (較大的黃色方塊)。(圖片來源：Arduino)

Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS 擴充板的其他優點包括：

• 無需更換機板就能變更連線
• 增加定位及 NB-IoT、CAT.M1 任意 Portenta 架構設計
• 大幅降低 IoT 裝置的通訊頻寬要求
• 緊湊 66 mm x 25.4 mm 尺寸
• 工作溫度 -40°C 至 +85°C (-104°F 至 185°F)

總結

低功耗與高效能 GNSS 技術的進步，正在推動 LAS 智慧城市應用的成長。但是，單純使用最節能的硬體只是第一步；將韌體最佳化，達到最佳的節能解決方案也同樣重要。開發 GNSS 架構 LAS 應用時，有許多硬體與韌體組合可供選擇，設計人員還可選用多種評估工具來加快開發速度。