Самков Иван Юрьевич : другие произведения.

Программные модули для Глонасс/gps навигации

Самиздат: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь|Техвопросы]
Ссылки:
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Рассмотрены перспективы использования программных навигационных модулей в электронных изделиях потребительского рынка. Рассматриваются различные возможности оптимизации при работе с программными модулями GPS/ГЛОНАСС.

Иван Самков

Спутниковая навигация для потребительской электроники

Рассматриваются перспективы и рекомендации применения программных навигационных модулей ГНСС в электронных товарах широкого потребления.

  
   В настоящее время задача определения координат и прокладки маршрутов с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), включая GPS, ГЛОНАСС и Gallileo, является актуальной для множества устройств потребительской электроники. Применение ГНСС давно уже не ограничено использованием в транспорте, в геодезической оснастке, судоходстве или в дорогостоящих системах позиционирования - всё больше становится на рынке электронных систем с поддержкой ГНСС, таких как телефоны, PDA (Personal Digital Assistant), PND (Personal Navigation Devices), фотоаппараты и наручные часы.
  
   Для высококачественных устройств с более гибкими ценами навигация ГНСС осуществляется использованием законченных аппаратных изделий. Хотя встроенные аппаратные ГНСС-модули передают на главный процессор готовые данные о местоположении, они достаточно дорогостоящие. Т.к. в большинстве изделий широкого потребления спутниковая навигация является не основной, а дополнительной функцией, то высокая стоимость в этом случае не удовлетворяет интересам рынка.
  
   Возможность программной реализации ГНСС значительно уменьшила стоимость добавления ГНСС в электронную систему. При программном ГНСС-модуле не требуются вложения денег в дополнительные чипы МК и памяти (которые используются в законченном аппаратном навигационном модуле), что обеспечивает снижение цены ГНСС-модуля до 80%. Поэтому и становится возможным наделять навигационными способностями широкий круг изделий, включая мобильные телефоны и плееры. К тому же практически все эти устройства уже содержат цветной ЖК-дисплей, который удобно использовать для вывода навигационной информации.
  
   Разработка ГНСС подсистем для потребительской электроники может напугать разработчиков с малым опытом ВЧ-дизайна. Однако многие современные навигационные приёмники имеют обширное описание со множеством рекомендаций по дизайну и с примерами использования.
  
   При чисто-программной обработке сигналов ГНСС есть множество архитектурных и детальных решений, которые сильно влияют на чувствительность, быстродействие, точность позиционирования и мощность потребления.
  
   Если разработчик ПО понимает ключевые принципы ВЧ-систем и их оптимизации, у него появляется больше возможностей обеспечения максимальной целостности сигнала и точности позиционирования для построения успешной ГНСС системы в условиях жёсткой конкуренции на рынке потребительской электроники. Выгода гибкости архитектуры ПО заключается в том, что можно достичь более высокого уровня технических характеристик (например повышенной точности позиционирования при малом количестве спутников) за меньшую цену, чем при использовании аппаратных модулей.
  
   Сигнальная GNSS обработка - далеко не самая простая задача. По причинам цены и быстродействия большая часть алгоритмов обработки сигнала приёмника традиционно осуществляется ГНСС коррелятором, используя или реальный коррелятор, или ядро цифрового сигнального процессора (DSP), эмулирующее функции параллельного коррелятора. Поворот к внедрению ГНСС в продукты потребительской электроники меняет уравнение рентабельности инвестиций в сторону выбора наиболее эффективного метода внедрения ГНСС.
  

   Рис.1. Навигационный модуль для PND с процессором прикладных задач.
  
   На рис.1 показан стандартный функционально-законченный ГНСС-модуль, подключенный процессору прикладных задач в таких устройствах как PND. В программной архитектуре (см. рис.3) задача обработки сигнала переносится на главный процессор (аналогично программному модему, повсеместно используемому в ПК).
  

   Рис.2. Архитектура с программным навигационным модулем.
  

   Обработку ГНСС сигналов в исключительно навигационных устройствах выполняет обычно не главный процессор, т.к. цена процессорных циклов значительно выше цены эквивалентного числа вентилей, используемых в заказной БИС (ASIC) для ГНСС-обработки. Но в современных телефонах мощный хост-процессор уже является частью большой архитектуры и должен удовлетворять увеличению спроса на мультимедиа-сервисы; такой процессор должен иметь достаточную производительность для декодирования потоковой аудио- и видеоинформации. К тому же когда эти сервисы не используются, процессор переходит в спящий режим, и готов для выполнения других задач.
  
   До недавнего времени производительности главного процессора в подобных устройствах не хватало для осуществления программного ГНСС-модуля. Однако сейчас хост-процессор уже способен поддерживать обработку сигналов ГНСС, что снижает стоимость введения этой функции в широкий спектр потребительских электронных устройств. В перспективе, программно-реализованные навигационные модули будут добавлять к стоимости основной системы примерно $3 (в два раза меньше, чем аппаратные модули) [1].
  
   Т.к. программные ГНСС-модули используют незадействованные другими приложениями процессорные циклы, то это накладывает на разработчиков ПО задачу оптимизации ВЧ-обработки. От инженеров-программистов не требуется обязательно заново изобретать алгоритмы обработки сигналов, на рынке присутствует уже готовый и отлаженный софт для сигнальной ГНСС обработки (особенно это актуально для GPS). Основная задача оптимизатора - суметь наилучшим образом внедрить программный ГНСС-модуль в конкретную разработку. Главным образом оптимизация направлена на обеспечение производительности и точности при наихудших условиях, минимизацию потребляемой мощности и сохранение архитектурной гибкости.
  
   Вместо того чтобы постоянно поддерживать высокую точность на фиксированном значении (как при непрерывной навигации), можно использовать несколько рекомендаций, которые помогают снизить общую нагрузку на процессор:
      -- Ограничение количества спутников в режиме сопровождения (чем меньше спутников, тем меньше циклов процессора требуется на сопровождение).
      -- Усреднение и фильтрация данных (уменьшает количество ошибок).
      -- Уменьшение интенсивности определения местоположения (для многих носимых устройств вместо стандартной скорости фиксации положения 1раз/с достаточно скорости 1раз/10с).
      -- Использование незадействованных циклов процессора для повышения точности.
      -- Выбор приёмника, который способен выдавать данные в виде квадратурных составляющих I и Q (что облегчает работу процессора).
      -- Применение алгоритмов экстраполяции и интерполяции (создание инерциальных систем помогает при потере сигнала, но полезно для случаев, где маловероятно отклонение от траектории).
      -- Использование высокопроизводительных процессоров.
  
   Программная обработка сигналов ГНСС особенно полезна для таких приложений, как цифровые фотоаппараты. На сегодняшний день фото направление является очень перспективным, учитывая бурный рост социальных интернет-сетей, где распространён геотэггинг (метки фотографий с привязкой к координатам - "geo-tags"). Т.е. загрузив на ПК фото с такого фотоаппарата, с помощью координатных меток, используя сервисы электронных карт (например, Google Maps) можно на карте найти все точки, где были сделаны снимки. Основная проблема внедрения аппаратных ГНСС-модулей в фотоаппараты заключается в том, что время включения фотокамеры составляет доли секунды, а время фиксации навигационных координат - десятки секунд. Один из вариантов решения этой проблемы - включение ГНСС приёмника на доли секунды, пока оператор делает снимок [2]. Сигнал с антенны переносится на промежуточную частоту, пригодную для обработки, и специальным методом записывается в ПЗУ. Затем, при подключении к ПК, на компьютер вместе с фотографией передаются сохранённый сигнал с приёмника. Затем этот сигнал обрабатывается, и из него уже выделяется навигационные данные [3].
  
   Стоит отметить, что $3 это лишь стартовая цена программных ГНСС-модулей, и значит максимальная. Формирование цены на ПО сильно отличается от калькуляции цен на "железо" - если ПО уже однажды разработано, оно больше не требует вложения капитала. Если рынок сможет снизить цену на навигационные приёмники, то стоимость ГНСС-модулей с программной реализацией быстро сможет достичь рубежа в $1. При такой цене ГНСС станет функцией, которая может быть внедрена практически в любое электронное изделие. Это, в свою очередь, будет способствовать интеграции всех беспроводных технологий, включая ГНСС, Bluetooth, беспроводные сети (WAN) и сети мобильной связи в единую платформу программно-конфигурируемого радио SDR.
  
   Список литературы:
  
   [1]. M.Lomer "Reviewing GNSS Basics For Software Engineers", Microwave&RF, May 2008.
   [2]. "Get the picture?", GPS World, March 2008.
   [3]. D.Manandhar, R.Shibasaki, "Software-based GPS receiver a research and simulation tool for global navigation satellite system", Center for Spatial Information Science, The University of Tokyo, 2004
  
Полную иллюстрированную версию статьи Спутниковая навигация для потребительской электроники можно скачать с сайта www.Delirium.2x4.ru
 Ваша оценка:
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
О.Болдырева "Крадуш. Чужие души" М.Николаев "Вторжение на Землю"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"