A sorozat első részében a műholdas globális helymeghatározás és a GSM modemek által hozzáférhető egyéb helymeghatározási funkciók kerülnek áttekintésre. Az eszközök által gyűjtött szenzoradatok mellett néhány egyéb adatra is nagy szükség van IoT alkalmazásokban ahhoz, hogy a rendszerek működése nyomon követhető legyen. Ilyen adat például a mintavételezés ideje, az eszköz azonosítója, a firmware verziószáma, és egyes alkalmazásokban nagyon fontos lehet a geolokalizáció. Mozgó eszközök esetén azok nyomon követése, kihelyezett szenzorok esetén meglétük és pozíciójuk ellenőrzése igényli a pontos helymeghatározást. Kültéren kiváló szolgálatot tehet az integrált GNSS modul, azonban a beltéri helymeghatározás esetenként sokkal összetettebb feladat.
Helymeghatározás-alapú szolgáltatások
Az elektronikai eszközök szolgáltatásainak témakörében helymeghatározás alatt a köznyelvben ma jórészt a műholdas globális helymeghatározást értjük, de ennél sokkal több technológia használatos. Tekintsük át a fogalmi különbségeket a GNSS (Global Navigation Satellite System) és az LBS (location based services) között.
Meghatározás:
GNSS (globális navigációs műholdrendszer): Ez egy általános kifejezés, amelyet a világméretű lefedettséget biztosító műholdas navigációs rendszerekre használnak. A GNSS példái közé tartozik a GPS (globális helymeghatározási rendszer), a GLONASS (globális navigációs műholdrendszer), a Galileo és a BeiDou. A GNSS lehetővé teszi az eszközök számára, hogy a műholdakból érkező jelek alapján meghatározzák pontos helyzetüket. LBS (helymeghatározáson alapuló szolgáltatások): Ez a kifejezés azokat a szolgáltatásokat jelenti, amelyek az eszköz helyzetinformációját használják fel konkrét szolgáltatások vagy információk nyújtásához. Az LBS különböző technológiákat használ, beleértve a GNSS-t, de szélesebb körű alkalmazásokat foglal magában a műholdas pozicionáláson túl is.
Terjedelem:
GNSS: A műhold-konstellációkra és azok használt technológiáira összpontosít, hogy pozicionálási és navigációs célokat szolgáljon.
LBS: Különféle szolgáltatásokat és alkalmazásokat foglal magában, amelyek helyinformációt használnak, például térképi szolgáltatások, GSM cellainformációkon alapuló helyi keresés, WiFi-hálózatok adta helyadatok, helymeghatározás-alapú reklámok és közösségi hálózati bejelentkezések.
Technológia:
GNSS: Műholdak jelzéseire támaszkodik a pontos helyzetinformáció biztosításához. Több műhold jeleit használja fel az eszköz pozíciójának háromszögeléséhez.
LBS: Különféle technológiákat használ, ideértve a GNSS-t, de más módszereket is alkalmazhat, például Wi-Fi-helymeghatározást, cellatömb-triangulációt és szenzoradatokat a készülék helyzetének meghatározásához.
Alkalmazás:
GNSS: Főként navigációhoz, térképezéshez, felméréshez és más helyspecifikus alkalmazásokhoz használható, amelyek pontos pozícióinformációt igényelnek.
LBS: Széles körű alkalmazásokhoz használható, ideértve a helymeghatározáson alapuló reklámokat, közösségi hálózati bejelentkezéseket, helyi kereséseket, vészhelyzeti szolgáltatásokat, eszközfelügyeleti és követési feladatokat képes ellátni.
Függőség:
GNSS: Kizárólag a műholdjelekre támaszkodik a helyzetinformációért.
LBS: Több helymeghatározási technológiát is integrálhat, de alternatív módszereket is alkalmazhat olyan helyzetekben, ahol a GNSS jelek gyengék vagy nem elérhetőek.
Összefoglalva, a GNSS a pontos globális pozicionálást biztosító technológia, míg az LBS a helyinformációt felhasználó szolgáltatások és alkalmazások széles skáláját foglalja magában. Előbbi pontos helymeghatározást tesz lehetővé, utóbbi cella többek között cellainformációk alapján alkalmas – akár beltéren is használható – hozzávetőleges helymeghatározásra.
Helymeghatározásra alkalmas E-IoT eszközök
A műholdas globális helymeghatározás (GNSS)
A globális helymeghatározás egyre megszokottabbá válik a mindennapjainkban a közlekedés területén, az autók gyári GPS vevőkkel rendelhetők, az elektronikai boltok kínálatában pedig számtalan konfigurációban elérhetők ezek az eszközök különféle feladatokra. A hajózásban és a légi közlekedésben is magától értetődő a használatuk. Vannak olyan területek is a mindennapi életben, ahol szintén fontos, bár kevéssé ismert a globális helymeghatározás szerepe.
A precíziós földművelés során a kombájnok ezt használják a betakarításra kijelölt terület határainak betartására, hálózatok földrajzilag elkülönülő részeinek szinkronműködése is GNSS eszközökön alapul, de fontos a szerepe például a bankkártya-tranzakciók vagy az energiaelosztás területén is. Az IoT eszközök helyadatainak ismeretében pontosan feltérképezhető egy adott terület környezeti adatainak eloszlása, egyszerűen követhető ezen eszközök földrajzi elhelyezkedése, és a szenzoradatokkal együtt beküldött geolokalizációs koordináták alapján a szenzorok távfelügyelete is lehetségessé válik.
GNSS (Global Navigation Satellite System – globális helymeghatározó műholdrendszer) a gyűjtőneve azoknak a SAT-alapú navigációs rendszereknek, melyek autonóm földrajzi helymeghatározásra alkalmasak a Föld teljes felszínén. Több ilyen rendszer van a megvalósítás fázisában, vagy rendelkezik már a szükséges műholdakkal és földi állomásokkal, néhány közülük globális, mások még csak lokális pozícióadatokat szolgáltatnak. Jelen írásunkban szeretnénk ezeket a rendszereket áttekinteni, és bemutatnánk néhány olyan eszközt (vevőmodulokat, „okos” antennákat és időzítő modulokat), melyek kihasználva a fenti SAT rendszerek közti interoperabilitást, a pontosság tekintetében számos előnyös tulajdonággal rendelkeznek a hagyományos GPS-alapú vevőegységekkel szemben.
GNSS rendszerek
|
|
GPS: A GPS rendszert az Egyesült Államok kormánya hozta létre eredetileg katonai alkalmazásra 24 aktív műholdalkalmazásával. 1994-től volt teljesen működőképes, ekkor már civil és üzleti célokra is a Föld teljes területét lefedve ingyen használható mindazok számára, akik rendelkeznek a megfelelő GPS vevőegységgel. Mára több mint 30 műhold és számos földi kiszolgáló létesítmény tartozik hozzá. |
|
|
Glonass: A GLONASS Oroszország globális műholdas helymeghatározó rendszere, ma az egyetlen igazi alternatívája az amerikai GPS rendszernek mind lefedettség, mind pontosság tekintetében. A fejlesztése 1976-ban indult, és 2010 óta teljesen működőképes volt 24 műholddal, melyből 18 szükséges Oroszország területének 100%-os lefedettségéhez. 2023-ban az 51. műholdat állították pályára. |
|
|
Galileo: A Galileo projekt az Európai Unió által tervezett, még fejlesztés alatt álló saját globális műholdas helymeghatározó rendszer fejlesztésére irányul, mely az EU-tagállamok számára nyújt az amerikai GPS, az orosz GLONASS és a kínai BEIDOU rendszerektől független, autonóm helymeghatározást akár azokra az esetekre, ha az egyes országok közt kialakuló konfliktusok a GPS-szolgáltatás korlátozását eredményeznék. Mára az utolsó batchben 2023. júniusban útra indítottakkal együtt már 24 műhold biztosítja a szolgáltatásokat, mely arzenál a 2024-ben fellőni szándékozott további 10 műholddal egészül ki. A méter nagyságrendű pontosság és a magas földrajzi szélességen történő navigálás problémáinak kiküszöbölése mellett kutatás-mentési funkcióval is felruházzák a rendszert, mely egyedülálló módon a felhasználó számára is küld információt a segítségkérés vételének és a segítség útba indításának nyugtázásával. |
|
|
Beidou és Compass: Ezeket a rendszereket Kína fejleszti. A Beidou-1 egy már régen működő regionális rendszer, mely három műholddal biztosít helymeghatározást elsősorban kínai felhasználók számára Kína és a közeli területek lefedettségével. A Beidou-II, más néven Compass azonban már globális rendszer, 35 műholddal 2020 körül állt rendszerbe. Mára a Beidou / Compass rendszer összesen 44 műholddal üzemel, ebből 7 geostacionárius, 10 geoszinkron, 27 pedig közepes magasságú Föld körüli pályán áll. |
|
|
A Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) több Japán feletti pályán mozgó műholdból áll. Fő feladata, hogy Japán hegyes-völgyes területén biztosítson kiegészítő lehetőséget a GPS vétel számára, elsősorban olyan helyeken, ahonnan csak a magas röppályákon keringő műholdak látszanak. Az amerikai GPS rendszer jeleinek felhasználásával, Japán lefedettségét a kezdetben három, mára 7 kvázi-zenit műhold segítségével biztosítva, a GPS jelek minősége és vétele javul, és a pozicionálás pontossága egy nagyságrenddel növekszik. Várhatóan 11 műholdból fog állni a végleges rendszer. |
A GNSS műholdrendszerek áttekintése
GNSS modulok (konkurens multi-GNSS vétel)
A műholdas navigációs rendszerek működésének minőségét négy fő kritérium határozza meg:
Pontosság: A maximálisan megengedett eltérés a mért és valós földrajzi koordináták, sebesség és irányértékek között
Integritás: A rendszer azon képessége, hogy miként marad megbízható és hogyan reagál abnormális körülmények közt.
Folytonosság: A rendszer folytonos, megszakításoktól mentes működésre való képessége.
Elérhetőség: Az a maximális időintervallum, mely alatt a jel megfelel a pontosság, az integritás és a folytonosság kritériumainak.
Ahhoz, hogy a GPS vevő megfelelően működjön, minimálisan négy szatellit egyszerre való láthatósága a feltétel, azonban a lehető legjobb jelminőség hat vagy nyolc műhold egyidejű vételét igényli. Nem minden helyen és időben van lehetőség erre, elsősorban zavaró tereptárgyak és objektumok (hegyek, magas épületek, fák) közelében nehezebb megfelelő számú kapcsolatot létesíteni. A különböző GNSS rendszerek egyidejű használatával sokkal több műhold áll rendelkezésre a lehető legpontosabb pozíció meghatározására. Így például kombinált GNSS vevők használatakor a 24 GPS műhold mellett a GLONASS műholdak is rendelkezésre állnak, mely precízebb jeleket eredményez, valamint kiküszöbölhető a GPS rendszerben a magas földrajzi szélességen történő navigálás problémája is, amikor a GPS holdak egy része a vevőegység horizontja alatt van.
A kombinált GNSS vevők a különböző globális műholdas helymeghatározó rendszerek jeleinek kombinációit detektálják, léteznek GPS+GLONASS és későbbi használathoz GPS+GALILEO rendszerek, melyek jelentősen csökkentik az első pozíció meghatározás idejét (TTFF – time to first fix).
A különféle kommunikációs modulokba integrált vagy különálló GNSS vevők chipsetjei támogatják a konkurens multi-GNSS vételt (GPS, GLONASS, Beidou, Galileo, QZSS), melynek eredménye a nagypontosságú helymeghatározás mind városi, mind külterületi környezetben.
A pozíciómeghatározás mellett a műholdas navigációs rendszerek még egy fontos adatot szolgáltatnak, az időt. Minden egyes szatellit rendelkezik egy vagy több atomórával, és a kibocsátott GPS jelek tartalmazzák az időre vonatkozó információt is. A vevőegységek dekódolják ezt a jelet és szinkronizálják magukat. Rendkívül drága atomórák üzemeltetése helyett GNSS vevőkkel precíz időinformációhoz juthatunk, mely nagyon nagy gyakorlati jelentőséggel bír. Kommunikációs, forgalomirányító, pénzügyi és energiaelosztó rendszerek mind igénylik a precíz időzítést és szinkronizálást, a GPS-alapú időzítés pedig rendkívül olcsón teszi lehetővé ezt.
Számítógépes hálózatok számára időalapot, bankkártyaműveletek vagy IoT eszközök számára időbélyeget szolgáltatnak, és például rádióállomások szinkronizálását legköltséghatékonyabban így lehet biztosítani. Földrajzilag távol helyezkedő elemekből felépülő elosztott hálózatok működtetéséhez is pontos időzítés szükséges, így például az energiatermelő és -elosztó cégek számára is feltétlenül szükséges a szinkronizálás a villamos hálózatban esetlegesen fellépő hibák egyes hálózati szegmensekben való lokalizálására.
A globális helymeghatározás támogatására az E-IoT eszközökben található GSM modemek a beépített GNSS eszközeik segítségével adnak lehetőséget. Az E-IoT eszközök bekapcsoláskor és napi egyszeri alkalommal ellenőrzik és beküldik a saját GPS pozíciójukat az E-Cloud szolgáltatásba. Természetesen beltéren ez a módszer sok esetben kivitelezhetetlen, mert az alkalmazott műholdas antenna és a GSM modembe épített GNSS modul együttes érzékenysége nem elegendő a helyadatok lekérdezéséhez, ehhez szükséges az LBS szolgáltatások támogatása is.
Az E-Cloud Google Maps integrációval
Az E-IoT eszközök minden GSM technológián alapuló változatának firmware-je fel van készítve erre a feladatra, és az E-Cloud szolgáltatásai közé tartozik a szenzorok adatainak megjelenítése a Google Maps szolgáltatásban.
LTE modemes eszköz helymeghatározással az E-IoT családban
LBS az Endrich E-IoT board család használatakor – A beltéren is használható helymeghatározás támogatása az E-IoT eszközökkel
Az IoT eszközök fejlesztőinek szüksége lehet egy a GNSS helymeghatározásnál kevésbé energiaigényes, gyors és beltéren is használható módszerre is. Erre ad lehetőséget a GSM modemek által (általában) támogatott lehetőség, az LBS – Location-Based Service, mely egy a GSM cellainformáción alapuló helymeghatározó rendszer. Az LBS-en keresztüli követés kevésbé pontos a GPS-hez képest, mivel az eszköz csak megbecsüli a helyzetét a GSM cella területén, nem pedig a pontos GPS koordinátákkal dolgozik.
Fontos megjegyezni, hogy a hagyományos LTE rendszer általában a 700 MHz és 2,6 GHz közötti frekvenciákat használja, míg az NB-IoT gyakran az alacsonyabb frekvenciákhoz, például az 800 MHz-hez vagy 900 MHz-hez kapcsolódik. Ebből következik, hogy az NB-IoT jelentősen nagyobb hullámhossza miatt – melynek többek közt a sokkal jobb beltéri jelterjedési tulajdonságai is köszönhetők – akár távolabbi toronnyal is képes kommunikálni.
Általánosságban elmondható, hogy a 4G (LTE) tornyok sűrűbben vannak telepítve a nagyobb adatsebesség és sávszélesség biztosítása érdekében, míg az NB-IoT bázisállomások általában ritkábban vannak elhelyezve, mivel a kedvező jelterjedés, az alacsony adatforgalom és a kis energiafogyasztású eszközök kommunikációjához kisebb toronysűrűség is elegendő. Így az LBS pontossága 4G hálózatban sokkal magasabb, mint NB-IOT esetén, ahol ez megközelítheti akár az 500-550 métert.
A GSM (LBS)-alapú lokalizáció esetén három nagyon komoly előny jelentkezik, mely sok esetben felülírja a pontossággal szembeni elvárásokat:
A szokásos use-case például vagyontárgyak nyomon követése esetén, hogy a rendszeresen használt LBS által észlelt helyváltoztatás hatására a rendszer megpróbál átváltani a sokkal pontosabb GNSS-alapú helymeghatározásra, feltételezve, hogy az eszköz kültéren haladhat. Az LBS funkció eléréséhez a modemet a hálózatra kell kapcsolni, melyet az MCU a soros porton csatlakoztatott modem felé küldött AT parancsokkal old meg. Az LBS AT parancsok hatására visszaérkező adatokból lehet kifejteni a lokációra vonatkozó információkat. Maga a technika viszonylag egyszerű, a programozónak dolga még a helyes adatok kinyerésével sem nagyon van, hiszen a válaszul kapott karaktersorozat a GPS lokalizáció esetén visszakapott igen bonyolultnak tűnő mondatokkal szemben teljesen egyszerűek.
A gyártók általában valamely saját vagy előfizetéssel / ingyenes hozzáféréssel elérhető GSM bázisállomás geolokalizációs adatbázis segítségével oldják meg az LBS támogatást. A SimCom például kiterjedt saját adatbázist használ, a szerző több országban kipróbálta, és – LTE modem használata esetén – 100–200 m körüli pontosságot ért el még olyan egzotikusabb helyeken is, mint több Argentin város vagy például Brazíliában az Atlanti-parti Esőerdő. A saját szoftver-infrastruktúra miatt a paraméterezés végtelenül egyszerű, amint azt a következő példakód is mutatja.
Mint a fenti példából is látszik, a LONG és LAT adatok kevesebb mint egy másodperc alatt rendelkezésre állnak a GSM modem UART kimenetén, ami a GPS-alapú helymeghatározás esetén sokszor percekben mérhető, hiszen fel kell deríteni a szatelliteket is.
Az E-IoT Dashboard integrált Google Maps támogatással
.jpg)
