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蜂巢服務和 Wi-Fi 輔助全球衛星導航系統追蹤貴重物品
[作者 Nordic Semiconductor]   2024年04月16日 星期二 瀏覽人次: [1527]

全球定位系統(GPS)是全球導航衛星系統(GNSS)的主要組成部份,該系統還包括伽利略系統、北斗系統和GLONASS系統等,堪稱技術奇蹟。


GPS由24顆衛星組成,位於地球上空約 2 萬公里處。這些衛星的排列確保在地球上任何一個位置都能觀測到至少四顆衛星。GPS接收器接收衛星發出的訊號,這些訊號提供了衛星的位置、狀態以及由機載原子鐘提供的精確時間。接收器記錄下訊號的到達時間,然後根據訊號發射和接收之間的時間差,乘以光速,確定其與每顆衛星的距離。通過來自四顆衛星的資訊可以確定獨一無二的接收器位置。


每天有數十億人士依靠GNSS來確定自己身處的位置。現在,全球衛星導航系統也為物流和運輸領域的許多物聯網應用奠定了基礎,協助追蹤可能丟失的寶貴資產。因此,Nordic的蜂巢式物聯網解決方案 nRF9160 SiP 加入GNSS功能,可用於資產追蹤和其他應用。



圖一 :  全球衛星導航系統為物流和運輸領域的許多物聯網應用奠定了基礎,可協助用於資產追蹤和其他應用。
圖一 : 全球衛星導航系統為物流和運輸領域的許多物聯網應用奠定了基礎,可協助用於資產追蹤和其他應用。

衛星訊號丟失

儘管GNSS具有令人驚歎的技術基礎,但它並非完美無瑕。導航衛星確實會出現一些問題,例如板載時鐘不準確導致定時誤差。為了減少這種漂移誤差,GNSS系統會對多個衛星進行比較,並使用演算法來確定哪些時鐘出現了誤差,然後將其與地面基準進行比較重設。


其他問題的成因,包括衛星與地面接收器之間的訊號相對較弱,很容易受到干擾。例如,由一排排高樓形成的「城市峽谷」(urban canyons)會阻礙訊號傳輸。而GNSS訊號難以穿透建築物。


即使訊號穿透了建築物,若訊號在到達接收器之前被建築物反射,就會產生所謂的多路徑誤差(multipath error),這會導致定時誤差,進而產生錯誤的位置資訊。地球大氣層的異常也會造成其他的誤差,從而延遲或扭曲 GNSS訊號。來自其他無線電源的電磁干擾(EMI)也會造成定時誤差。為了緩解這些問題,接收器使用了濾波、相關和訊號功率測量等技術,針對大氣層難題,則使用了電離層和對流層建模等方法。


GNSS資料機面臨的另一個挑戰,是從冷開機到確定一組衛星的位置可能需要幾分鐘時間。這就需要消耗大量電池容量,Nordic公司提供的nRF9160和nRF Cloud定位服務所採用的一種解決方案是輔助和預測GPS(A-GPS和P-GPS)。這些方法使用儲存在資料庫中的衛星輔助資料,這些資料通過LTE-M 或 NB-IoT網路中繼傳輸到 nRF9160—與時間較長的首次定位相比,可節省大量電能。在需要時,物聯網設備可以在幾秒鐘內找到衛星,進一步節省能源。P-GPS技術以A-GPS為基礎,為物聯網設備提供兩周以上的輔助資料,從而節省更多的電能。


即便採用了省電技術,GNSS仍會導致電池嚴重耗電,這是穿戴式裝置或資產追蹤器等設備需要考慮的重要因素,因為這些設備通常配備的電池容量不大,但卻需要較長的電池使用壽命。


與GNSS相輔相成

如果需要高精度定位,那麼 GNSS的電池損耗是值得的;但如果可以接受精度較低的定位,那麼就有辦法節省電能。降低GNSS 功耗的一種方法是利用蜂巢式基地站的已知位置來縮小接收器的位置範圍,nRF9160 SiP和nRF Cloud定位服務也支援這種方法。


單一蜂巢定位方法依賴於識別所追蹤的設備位於哪一個蜂巢,然後將蜂巢標識與已知基地站位置資料庫進行比對。這項技術的精確度可達到公里級,同時對接收器的電池使用壽命僅有輕微的影響。


多蜂巢定位則以單一蜂巢技術為基礎,參考附近多個基地站的位置,而不僅僅是一個基地站的位置,從而提供達到幾百公尺的定位精度,同時保持低功耗。


一種有趣的定位技術是Wi-Fi服務集識別碼(SSID)掃描,它是對GNSS的補充,也可用於在定位精度和電池壽命之間進行取捨判斷。每個 Wi-Fi 存取點(AP)網路都有一個 SSID(存取點名稱的技術參照)。有了網路的SSID資訊,就可以對照資料庫詳細瞭解其位置。


Nordic的nRF70系列協同 IC可以支援SSID定位。當用於Wi-Fi 定位時,nRF70系列設備會掃描附近的任何 Wi-Fi 存取點,以獲取其SSID;然後,協作裝置 nRF9160 SiP 會使用蜂巢連接將 SSID(以及其他有用資訊)轉發到 nRF Cloud。而後,nRF Cloud檢查一個或多個 Wi-Fi SSID 資料庫,並將 SSID 位置以及該位置的不確定性資料返回到 nRF9160 或其他指定位置。


GNSS的定位精度是難以超越的。然而,如果可以接受幾十公尺精度而電池壽命又非常重要時,或者當GNSS訊號中斷時,Wi-Fi SSID定位是極佳的選擇,因為它的功耗比GNSS低得多。如果只需要一公里以內的資產定位精度,且電池使用壽命十分重要,那麼蜂巢定位就是最佳選擇。


利用Nordic的 nRF91、nRF70系列和nRF Cloud定位服務,可以在所有三種定位方法之間輕鬆實現流暢切換,從而在定位精度和電池壽命之間取得最佳的權衡。有了這種定位技術,寶貴的資產再也不會丟失了。



圖二 : nRF70系列設備(圖示為nRF7002)可掃描附近的任何 Wi-Fi存取點,以獲取其 SSID;然後,協作裝置nRF9160 SiP會使用蜂巢連接將 SSID及其他有用資訊轉發到 nRF Cloud。
圖二 : nRF70系列設備(圖示為nRF7002)可掃描附近的任何 Wi-Fi存取點,以獲取其 SSID;然後,協作裝置nRF9160 SiP會使用蜂巢連接將 SSID及其他有用資訊轉發到 nRF Cloud。
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