Миниатюрная новинка — ГЛОНАСС/GPS/SBAS-приемник «ГеоС-3М»

Новый навигационный модуль «ГеоС-3М» (рис. 1а) представляет собой высокочувствительный навигационный приемник, который способен определять местоположение с помощью спутниковых группировок ГЛОНАСС и GPS, а также работать с сигналами спутниковой системы дифференциальной коррекции (SBAS). «ГеоС-3М» является «дважды российским» изделием: разработку микросхемы вели наши инженеры, а производство модуля осуществляется на отечественных предприятиях.

Рис. 1. Внешний вид навигационного модуля «ГеоС-3М»

Основу приемника составляет единственная микросхема, выполненная по технологии SiP (System-in-Package). В едином корпусе физически размещено несколько кристаллов с необходимыми соединениями внутри чипа. Решение «система в корпусе» позволило получить миниатюрное изделие с высокой степенью надежности: при производстве модуля выполняется малое число паек. Модуль практически не содержит дополнительных внутренних элементов: бóльшая часть площади занята единственным чипом (рис. 1б). Высокие технические характеристики аппаратной части модуля достигнуты благодаря использованию оптимальных технологических процессов как для изготовления аналогового тракта, так и для цифрового блока обработки сигналов.

Приемник одновременно обрабатывает сигналы двух спутниковых группировок, используя для расчета хорошо видимые спутники ГЛОНАСС и GPS. Это позволяет быстрее и точнее определить координаты в тех местах, где это невозможно сделать при помощи только одной из систем. Как правило, подобная ситуация возникает при позиционировании автомобиля в городе, когда машина зачастую находится вблизи высоких зданий, закрывающих часть небосклона. В такой ситуации многие спутники недоступны (рис. 2). При полном пропадании сигнала одной системы «ГеоС-3М» продолжит нормальную работу: в этом случае приемник будет обрабатывать данные только доступной спутниковой группировки. Большое количество каналов слежения и выверенные алгоритмы позволяют параллельно обрабатывать все видимые спутники, поэтому каких-либо переключений между спутниковыми группировками не требуется. Для успешного решения навигационной задачи (получение координат) «ГеоС-3М» достаточно видеть четыре спутника одной системы или сочетание спутников из двух группировок: 3+1 или 2+2.

Рис. 2. Треки «ГеоС-3М» в городских условиях

Технические характеристики модуля «ГеоС-3M»

Технические характеристики «ГеоС-3М» приведены в таблице, блок-схема — на рис. 3. «ГеоС-3М» показывает отличные параметры по экономичности: максимальная потребляемая мощность не превышает 105 мВт даже в режиме поиска. Существенное снижение потребляемого тока происходит при включении специальных энергосберегающих режимов, при которых модуль выдает координаты с меньшей частотой. Аппаратный встроенный 32-канальный коррелятор с машиной быстрого поиска сигналов ГЛОНАСС/GPS обеспечивает получение навигационных данных в течение 28 с при «холодном» старте. При загрузке эфемерид это время можно сократить до 5–10 с.

Рис. 3. Блок-схема модуля «ГеоС-3М»

«ГеоС-3М» поддерживает работу в дифференциальном режиме (RTCM SC104 v2.3), что позволяет скомпенсировать ошибки распространения радиосигналов в атмосфере и повысить точность определения до 1,5 м. Однако следует помнить, что для этого необходима стационарная станция (не далее 100–150 км от точки измерения), которая, собственно, и должна формировать дифференциальные поправки, плюс канал доставки этой информации (спутник, GSM- или радиомодем).

Наличие флэш-памяти делает возможным обновление прошивки приемника в конечном изделии, сохранение текущих настроек после отключения питания и загрузку/выгрузку актуального альманаха через UART.

Конструктивно «ГеоС-3М» выполнен в виде модуля для SMD-монтажа с 24 выводами, расположенными по периметру с четырех сторон. Относительно широкий шаг (1,3 мм) контактных площадок делает возможной ручную пайку и облегчает визуальную инспекцию качества монтажа.

Протоколы выходных данных

Навигационные данные выдаются в виде стандартных NMEA-строк или с помощью специального бинарного протокола, которые можно получать по любому из двух имеющихся портов UART. Темп выдачи может быть установлен таким: 1, 2, 5 или 10 Гц. Стандартные сообщения могут формироваться как в соответствии с версией стандарта NMEA-183 v2.x (по умолчанию), так и с версией v3.x. Отличие версий состоит в следующем: в версии v2.x преамбула NMEA-строк может быть только GP, поэтому сообщения GNS не формируются. В версии v3.x используются раздельные преамбулы — GP, GN и GL, в зависимости от используемой спутниковой системы. Также в версии v3.x формируется сообщение GNS. Особенность версии v3.x: если приемник работает в совмещенном режиме (GPS+ГЛОНАСС), то преамбула GN добавляется к сообщениям GGA, GNS, GSA, GLL, RMC, VTG, ZDA. При этом формируются две строки GSA отдельно для ГЛОНАСС и GPS. Сообщение GSV (видимые спутники) всегда делится на две части. Первыми передаются данные по спутникам GPS с преамбулой GP, а затем по спутникам ГЛОНАСС с преамбулой GL.

Бинарный протокол предоставляет пользователю расширенный набор выходных данных, включая «сырую» измерительную информацию, альманахи и эфемериды. Кроме того, через него производится формирование установок, запросов на выдачу данных, команд управления, а также обновление встроенного ПО приемника.

Временные приложения

«ГеоС-3М» формирует выходную секундную метку времени — сигнал 1 PPS c программируемыми параметрами: включена/выключена, длительность, полярность, сдвиг.

После включения питания секундная метка 1 PPS выдается сразу, однако ее временное положение неопределенно до решения навигационной задачи. Как только произведена фиксация координат, метка времени начинает выдаваться синхронно с заданной шкалой времени. После потери связи со спутниками (невалидные координаты) метка времени продолжает формироваться, однако ошибка ее временного положения при этом будет определяться скоростью ухода шкалы времени приемника (сдвигом частоты встроенного опорного генератора TCXO). Положение метки времени учитывает задержку, вносимую приемником. Дополнительную задержку в антенном кабеле можно учесть, введя сдвиг секундной метки, что предусмотрено соответствующей командой бинарного протокола.

Специально для временных применений в приемнике введен режим работы с фиксацией координат. Это позволяет получить секундную метку, работая минимум с одним спутником, что очень важно для условий ограниченной видимости. В этом режиме «ГеоС-3М» вычисляет только смещение и скорость ухода своей шкалы времени с целью формирования секундной метки времени 1 PPS. Важно помнить, что точность формирования метки времени в этом случае будет напрямую зависеть от точности введенных в приемник координат.

Расширенный набор временных данных выдается в специальном бинарном сообщении «0х14»: это время UTC; локальное время; оценка точности 1 PPS; время GPS с начала недели; время ГЛОНАСС с начала суток; номер недели GPS; номер суток внутри четырехлетия ГЛОНАСС; номер четырехлетия ГЛОНАСС; расхождение UTC и времени GPS; признак планируемой коррекции UTC.

Режимы энергосбережения

Приемник поддерживает два режима энергосбережения: RELAXEDFIX и FIX-BY-REQUEST. В режиме RELAXEDFIX приемник самостоятельно чередует по внутренней циклограмме состояния «сон» и «активен» и выдает координаты с темпом, который много ниже стандартного значения в 1 Гц. Включение и выключение режима производится с помощью команд по последовательному порту. Вся основная циклограмма перехода из состояния «активен» в состояние «сон» и обратно производится модулем автономно. Максимальный интервал между переходами в активное состояние в этом режиме составляет 120 с.

Режим FIX-BY-REQUEST характеризуется переходом из состояния «сон» в состояние «активен» (пробуждение) по запросу пользователя. Режим используется, когда пользователю нужно получать координаты по мере необходимости. Основное время модуль находится в состоянии «сон». При необходимости пользователь переводит модуль с состояние «активен», приемник осуществляет обнаружение сигналов, решает навигационную задачу, выдает координаты пользователю и далее самостоятельно переходит в состояние «сна». Продолжительность состояния «активен» находится в пределах, задаваемых настройками режима. В состоянии «сна» типовой ток потребления модуля равен 5,5 мА, в состоянии «активен» — 59 мА.

Приемник переходит в режим энергосбережения только при наличии во Flash-памяти актуальных альманахов и если есть решение навигационной задачи. Если на момент подачи команды на включение режима энергосбережения решения навигационной задачи нет, то включение режима будет отложено до получения достоверного решения.

Управлять режимами энергосбережения модуля можно как с помощью вывода PD, так и через один из последовательных портов. Активным является положительный фронт сигнала PD (переход из низкого уровня в высокий). Выходной индикатор PD_ACK показывает состояние модуля «активен»/«сон». Высокий уровень соответствует состоянию «активен», а низкий уровень — состоянию «сон».

В обоих режимах энергосбережения приемник самостоятельно переходит в состояние «активен» (пробуждение) каждые 15 мин. для обновления ряда внутренних параметров и каждые 30 мин. для обновления эфемерид. Моменты самостоятельного пробуждения приемника выровнены с UTC.

Приведем пример для одного часа, начиная с 00:00:00 (ч: мин.: с) UTC:

• 00:00:00, 00:30:00 — пробуждение для набора эфемерид с продолжительностью от 1 до 2 мин.;
• 00:15:00, 00:45:00 — пробуждение для обновления внутренних параметров длительностью 20–80 с.

Подключение «ГеоС-3М»

Для достижения минимального энергопотребления ядро «ГеоС-3М» питается от низкого напряжения 1,8 В. Тем не менее порты модуля можно подключать к внешнему микроконтроллеру с напряжением питания от 1,7 до 3,6 В. Рабочее напряжение портов ввода/вывода подается на отдельный вывод: это позволяет достичь минимального уровня потребления и, в то же время, стыковать модуль с управляющим микроконтроллером с любым напряжением питания. Простое согласование уровней получается в том случае, когда напряжение питания портов ввода/вывода «ГеоС-3М» можно взять от хост-системы.

Например, при построении навигационного ГЛОНАСС/GPS-устройства на базе GSM-модуля SL6087 (Sierra Wireless) можно подключить «ГеоС-3М» к специальному порту UART2 SL6087, который изначально работает с уровнем 1,8 В (рис. 4).

Рис. 4. Подключение модуля «ГеоС-3М» к SL6087

«ГеоС-3М» работает как с пассивными, так и с активными антеннами. Активная антенна должна обеспечивать дополнительное усиление не более 25 дБ. Данное значение включает в себя потери в кабеле. Типичная магнитная антенна имеет усиление 27 дБ, затухание в кабеле RG-174 длиной 3 м составит около 4 дБ, а дополнительное усиление — 27–4 = 23 дБ, что полностью соответствует требованиям приемника. Питание активной антенны производится подачей напряжения на вывод V_ANT. Цепь питания антенны модуля имеет встроенный монитор, который отслеживает состояние антенны и выдает ее статус:

• «перегружена» (ток больше 32 мА);
• «не подключена» (ток меньше 3 мА);
• «норма» (ток находится в пределах от 3 до 32 мА).

Монитор антенны обеспечивает также защиту от короткого замыкания путем ограничения тока на уровне 50 мА. Таким образом, короткое замыкание в антенне не вызывает выход модуля из строя, а сопровождается выдачей состояния телеметрии антенны: «перегружена».

Приемник имеет два последовательных порта UART для организации обмена с внешними устройствами. По умолчанию скорость обоих портов 115 200 бит/c. Оба порта могут быть индивидуально настроены пользователем для работы с любым протоколом (бинарным или NMEA) на скорости 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600, 115 200, 230 400, 460 800 или 921 600 бит/с. Эти настройки сохраняются при отключении питания.

Вывод STATUS представляет собой индикатор статуса модуля («ПОИСК», «НАВИГАЦИЯ» или «НЕ НОРМА»). К линии STATUS можно подключить светодиод, который будет показывать состояние приемника чередованием вспышек с разными периодом и длительностью:

1. ПОИСК: идет поиск сигналов, аппаратная телеметрия в норме, нет решения навигационной задачи, данные местоопределения недоступны. Сигнал: меандр с периодом 2 с (вспышка — 1 с, пауза — 1 с).
2. НАВИГАЦИЯ: сигналы в слежении, решается навигационная задача, данные место-определения выдаются. Сигнал с периодом 1 с (короткая вспышка — 0,2 с, длинная пауза — 0,8 с).

Вывод ON/OFF не только отключает модуль, но и прекращает подачу напряжения на активную антенну, что вполне разумно с точки зрения снижения общего энергопотребления системы. Если сигнал ON/OFF не используется, этот вывод может быть оставлен неподключенным или соединен с питанием портов.

Подключение резервной батареи позволяет сохранять в модуле данные, необходимые для быстрого старта при пропадании основного питания. Допускается не использовать внешнюю батарею: тогда при каждом включении приемник просто будет осуществлять «холодный» старт.

Средства разработки

Для знакомства с работой приемника можно воспользоваться миниатюрной отладочной платой GeoS-3M Demo Board v2.0 (рис. 5, 6). Подключение к ПК производится с помощью интерфейса USB, по которому также подается питание. При подключении к ПК в системе Windows появляются два виртуальных COM-порта, по одному из которых идет текстовый NMEA-поток, а по второму — бинарный протокол. Программа GeosDemo3 отображает выдаваемые приемником навигационные данные, позволяет менять настройки и обновлять программное обеспечение. Программа GeosDemo3, русскоязычная документация на модуль и последняя версия прошивки доступны на сайте производителя.

Рис. 5. Отладочная плата

Рис. 6. Схема отладочной платы