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蜂巢服务和 Wi-Fi 辅助全球卫星导航系统追踪贵重物品
[作者 Nordic Semiconductor]   2024年04月16日 星期二 浏览人次: [1627]

全球定位系统(GPS)是全球导航卫星系统(GNSS)的主要组成部份,该系统还包括伽利略系统、北斗系统和GLONASS系统等,堪称技术奇迹。


GPS由24颗卫星组成,位於地球上空约 2 万公里处。这些卫星的排列确保在地球上任何一个位置都能观测到至少四颗卫星。GPS接收器接收卫星发出的讯号,这些讯号提供了卫星的位置、状态以及由机载原子钟提供的精确时间。接收器记录下讯号的到达时间,然後根据讯号发射和接收之间的时间差,乘以光速,确定其与每颗卫星的距离。通过来自四颗卫星的资讯可以确定独一无二的接收器位置。


每天有数十亿人士依靠GNSS来确定自己身处的位置。现在,全球卫星导航系统也为物流和运输领域的许多物联网应用奠定了基础,协助追踪可能丢失的宝贵资产。因此,Nordic的蜂巢式物联网解决方案 nRF9160 SiP 加入GNSS功能,可用於资产追踪和其他应用。



图一 :  全球卫星导航系统为物流和运输领域的许多物联网应用奠定了基础,可协助用於资产追踪和其他应用。
图一 : 全球卫星导航系统为物流和运输领域的许多物联网应用奠定了基础,可协助用於资产追踪和其他应用。

卫星讯号丢失

尽管GNSS具有令人惊叹的技术基础,但它并非完美无瑕。导航卫星确实会出现一些问题,例如板载时钟不准确导致定时误差。为了减少这种漂移误差,GNSS系统会对多个卫星进行比较,并使用演算法来确定哪些时钟出现了误差,然後将其与地面基准进行比较重设。


其他问题的成因,包括卫星与地面接收器之间的讯号相对较弱,很容易受到干扰。例如,由一排排高楼形成的「城市峡谷」(urban canyons)会阻碍讯号传输。而GNSS讯号难以穿透建筑物。


即使讯号穿透了建筑物,若讯号在到达接收器之前被建筑物反射,就会产生所谓的多路径误差(multipath error),这会导致定时误差,进而产生错误的位置资讯。地球大气层的异常也会造成其他的误差,从而延迟或扭曲 GNSS讯号。来自其他无线电源的电磁干扰(EMI)也会造成定时误差。为了缓解这些问题,接收器使用了滤波、相关和讯号功率测量等技术,针对大气层难题,则使用了电离层和对流层建模等方法。


GNSS资料机面临的另一个挑战,是从冷开机到确定一组卫星的位置可能需要几分钟时间。这就需要消耗大量电池容量,Nordic公司提供的nRF9160和nRF Cloud定位服务所采用的一种解决方案是辅助和预测GPS(A-GPS和P-GPS)。这些方法使用储存在资料库中的卫星辅助资料,这些资料通过LTE-M 或 NB-IoT网路中继传输到 nRF9160与时间较长的首次定位相比,可节省大量电能。在需要时,物联网设备可以在几秒钟内找到卫星,进一步节省能源。P-GPS技术以A-GPS为基础,为物联网设备提供两周以上的辅助资料,从而节省更多的电能。


即便采用了省电技术,GNSS仍会导致电池严重耗电,这是穿戴式装置或资产追踪器等设备需要考虑的重要因素,因为这些设备通常配备的电池容量不大,但却需要较长的电池使用寿命。


与GNSS相辅相成

如果需要高精度定位,那麽 GNSS的电池损耗是值得的;但如果可以接受精度较低的定位,那麽就有办法节省电能。降低GNSS 功耗的一种方法是利用蜂巢式基地站的已知位置来缩小接收器的位置范围,nRF9160 SiP和nRF Cloud定位服务也支援这种方法。


单一蜂巢定位方法依赖於识别所追踪的设备位於哪一个蜂巢,然後将蜂巢标识与已知基地站位置资料库进行比对。这项技术的精确度可达到公里级,同时对接收器的电池使用寿命仅有轻微的影响。


多蜂巢定位则以单一蜂巢技术为基础,叁考附近多个基地站的位置,而不仅仅是一个基地站的位置,从而提供达到几百公尺的定位精度,同时保持低功耗。


一种有趣的定位技术是Wi-Fi服务集识别码(SSID)扫描,它是对GNSS的补充,也可用於在定位精度和电池寿命之间进行取舍判断。每个 Wi-Fi 存取点(AP)网路都有一个 SSID(存取点名称的技术叁照)。有了网路的SSID资讯,就可以对照资料库详细了解其位置。


Nordic的nRF70系列协同 IC可以支援SSID定位。当用於Wi-Fi 定位时,nRF70系列设备会扫描附近的任何 Wi-Fi 存取点,以获取其SSID;然後,协作装置 nRF9160 SiP 会使用蜂巢连接将 SSID(以及其他有用资讯)转发到 nRF Cloud。而後,nRF Cloud检查一个或多个 Wi-Fi SSID 资料库,并将 SSID 位置以及该位置的不确定性资料返回到 nRF9160 或其他指定位置。


GNSS的定位精度是难以超越的。然而,如果可以接受几十公尺精度而电池寿命又非常重要时,或者当GNSS讯号中断时,Wi-Fi SSID定位是极隹的选择,因为它的功耗比GNSS低得多。如果只需要一公里以内的资产定位精度,且电池使用寿命十分重要,那麽蜂巢定位就是最隹选择。


利用Nordic的 nRF91、nRF70系列和nRF Cloud定位服务,可以在所有三种定位方法之间轻松实现流畅切换,从而在定位精度和电池寿命之间取得最隹的权衡。有了这种定位技术,宝贵的资产再也不会丢失了。



图二 : nRF70系列设备(图示为nRF7002)可扫描附近的任何 Wi-Fi存取点,以获取其 SSID;然後,协作装置nRF9160 SiP会使用蜂巢连接将 SSID及其他有用资讯转发到 nRF Cloud。
图二 : nRF70系列设备(图示为nRF7002)可扫描附近的任何 Wi-Fi存取点,以获取其 SSID;然後,协作装置nRF9160 SiP会使用蜂巢连接将 SSID及其他有用资讯转发到 nRF Cloud。
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