GPS w smartfonach określi położenie z dokładnością do 30 cm!

Nawigacja satelitarna w smartfonach już niedługo będzie szybsza, dokładniejsza i mniej prądożerna.

Jedną z największych zalet smartfonów jest możliwość wykorzystania nawigacji satelitarnej do ustalania miejsca w którym znajduje się smartfon. Wielu kierowców wykorzystuje smartfony przede wszystkim do wyszukiwania właściwej drogi dojazdu i chociaż rozwiązanie to całkiem nieźle się sprawdza między miastami to w bardziej zwartej zabudowie bywa zawodne. Wynika to zazwyczaj z niezbyt dużej dokładności układów GPS, które wykorzystywane są w smartfonach. Potrafi ą one określać swoje położenie z dokładnością do 5 metrów i w gęsto zabudowanej okolicy oprogramowanie nawigacyjne nie nadąża czasami z przekazywaniem kierowcy właściwych poleceń. Sytuacja ta może jednak ulec zmianie już w przyszłym roku.

Na konferencji ION GNSS+ 2017, która zakończyła się w niedzielę 25 września w Portland, firma Broadcom Limited zaprezentowała pierwszy układ GPS nowej generacji, który potrafi określać swoje położenie z dokładnością do 30 centymetrów. Układ BCM47755 ma przy tym mniej obciążać obliczeniami układy smartfona jak i pobierać o połowę mniej energii niż dotychczas stosowane moduły GPS.

Firma Broadcom podała, że układ BCM47755 został już uwzględniony w projektach wielu smartfonów mających trafić do sprzedaży w 2018 roku, ale nie ujawniła, których modeli będzie to dotyczyć.

Będzie poprawa w mocno zurbanizowanych obszarach

Zwiększenie precyzji działania układu BCM47755 wynika z wykorzystania nowego rodzaju sygnałów wysyłanych przez satelity, który nazwano L5. Dotychczas stosowane układy nawigacji satelitarnej (GNSS) wykorzystują sygnały wysyłane przez satelity różnych systemów, takich jak GPS, Galileo w Europie, QZSS w Japonii i Glonass w Rosji. Swoją pozycje układy te ustalają poprzez określenie odległości od przynajmniej trzech satelitów. Wszystkie, nawet najstarsze, satelity systemów GNSS, wysyłają sygnały typu L1. Sygnały te zawierają sygnaturę identyfikacyjną satelity, jego lokalizację oraz czas wysłania danych. Satelity nowszych generacji wysyłają bardziej złożony sygnał typu L5, który nadawany jest z inną częstotliwością i zawiera większą ilość danych. Układ BCM47755 w pierwszej kolejności określa swoją pozycję korzystając z sygnału L1, a następnie doprecyzowuje swoje obliczenia używając sygnału typu L5.

Zwiększenie precyzji działania układu jest szczególnie widoczne w gęsto zurbanizowanym terenie ponieważ sygnał typu L5 jest mniej podatny niż sygnał L1 na odbicia i zniekształcenia. W mieście te same sygnały odbierana są od satelitów wielokrotnie. Pochodzą bowiem bezpośrednio od satelity jak z odbić i trafiają do odbiornika z różnymi opóźnieniami. Sygnały te pokrywają się tworzą szum, w którym odbiornik identyfikuje sygnał pochodzący bezpośredni od satelity w oparciu o jego siłę.

Najsilniejszy sygnał nie zawsze jednak dociera wprost od satelity i obliczona według niego pozycja nie jest zbyt dokładna. Sygnały L5 są znacznie krótsze niż sygnały typu L1. Dzięki temu nawet gdy do odbiornika te same dane docierają kilka razy to sygnały te się nie pokrywają. Można więc je rozdzielić i zignorować dane, które już zostały raz odebrane. Nie ma więc zakłóceń i układ precyzyjniej określa swoje położenie.

Układ BCM47755 wykorzystuje też pomiary z innych czujników, takich jak przyspieszeniomierze, żyroskopy, magnetometry, które łączone są z pomiarami GNSS. Pozwala to na dodatkowe skalibrowanie danych przekazywanych do innych aplikacji, przy jednoczesnym obniżeniu poboru mocy. Kalibracja krzyżowa wspomaga układ GNSS przy określaniu małych ruchów i przy niwelowaniu błędów jakie z czasem narastają przy przeliczaniu sygnałów GNSS.

Zwiększenie mocy obliczeniowej

Dotychczas odbiorniki wykorzystujące sygnał L5 były używane w przemyśle ponieważ na niebie jest zaledwie 30 satelitów nadających tego typu sygnał. Ich ilość jednak rośnie i zazwyczaj na niebie w zasięgu odbiornika jest 6 lub 7 tego typu satelitów, co wystarczy do ustalenia pozycji.

Poprawa precyzji działania odbiornika wymagała zwiększenia mocy obliczeniowej układu wykorzystywanego do przeliczania odebranych sygnałów. Dotychczas stosowane układy GPS tylko odbierały surowe dane z satelitów zaś sam proces obliczania pozycji dokonywany był przez procesor smartfona. Zwiększało to zużycie energii i zwiększało niedokładność pozycjonowania.

Układ BCM47755 sam wykonuje niezbędne obliczenia. Wykorzystano przy tym projekt „big.LITTLE” firmy ARM czyli architekturę dwurdzeniową. Niskonapięciowy rdzeń ARM Cortex M-0 o małej mocy wykonuje proste, ciągłe zadania zaś silniejszy, 32-bitowy rdzeń Cortex M4F jest wykorzystywany tylko wtedy, gdy są potrzebne bardziej złożone obliczenia. Poza tym układ BCM47755 wykonywany jest w technologii 28 nanometrów i korzysta z nowej architektury radiowej. Pozwoliło to na odciążenie innych układów smartfona oraz zmniejszenie zużycia energii o połowę.

Układ BCM47755 pozwala na wykorzystanie sygnałów pochodzących z satelitów typu GPS L1 C/A, GLONASS L1, BeiDou (BDS) B1, QZSS L1, Galileo (GAL) E1, GPS L5, Galileo E5a, QZSS L5. Jest to jednak tylko jeden z elementów zwiększających precyzję działania systemów nawigacji satelitarnej. W sierpniu firmy Bosch, Geo ++, Mitsubishi Electric i U-blox utworzyły wspólne przedsięwzięcie o nazwie Sapcorda Services, które ma zapewnić centymetrową dokładność pozycjonowania. System ten wykorzystuje stacje naziemne do pomiaru błędów w sygnałach satelitów GPS i Galileo, jakie pojawiają się wskutek występowania zakłóceń atmosferycznych. Poprawki te byłyby następnie przesyłane do odbiorników nawigacji satelitarnej w smartfonach oraz innych urządzeniach mobilnych, co pozwoliłoby na dodatkowe zwiększenie precyzji ich działania.

Podobny system o nazwie Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) powstaje w Japonii. Zastosowano w nim właśnie korektę błędów, ale dodatkowo poprawia on nawigację poprzez użycie zestawu satelitów usytuowanych stale nad najgęściej zabudowaną częścią Tokio. Sygnały docierają do odbiorników bezpośrednio z góry (z zenitu) dzięki czemu maleje ilość odbić i zakłóceń. Na razie działają dwa z czterech satelitów. Trzeci z wystartował w sierpniu, a start czwartego planowany jest w październiku. System ma zacząć działanie w 2018 roku.

Źródło: spectrum.ieee.org, broadcom.com

O firmie Broadcom Limited

1 lutego 2016 roku firma Avago Technologies zakończyła przejęcie Broadcom, a następnie zmieniła swoją nazwę. Powstałe przedsiębiorstwo nosi nazwę Broadcom Limited. Połączone firmy utrzymają silną pozycję na rynku dzięki bogatej ofercie. Obejmuje ona produkty komunikacji przewodowej i bezprzewodowej dla przedsiębiorstw, centrów przechowywania danych, dostawców usług, przemysłu i sieci domowych.

Dotychczasowa działalność biznesowa Avago i Broadcom przebiega bez zmian. Procesy zautomatyzowanej sprzedaży Broadcom i Avago będą utrzymane do czasu, aż systemy zostaną całkowicie zintegrowane.

---