«ГЕОС-3»: ГЛОНАСС-приемник, разработанный в России

Разработчик и производитель «ГеоС-3», компания КБ «ГеоСтар навигация» хорошо известна на российском рынке. В 2011 г. «ГеоСтар навигация» произвела и реализовала 150 тыс. совмещенных навигационных приемников ГЛОНАСС/GPS, заняв 70% российского рынка чипсетов ГЛОНАСС/GPS. Ключевым рынком сбыта компании является рынок транспортной телематики. Для него же предназначен и новый модуль, который производится в России.
Успехи «ГеоСтар» директор компании Анатолий Коркуш объясняет прежде всего техническими характеристиками выпускаемых модулей: «Ответ на данный вопрос мог бы занять несколько страниц убористого текста. Кроме различных параметров и критериев, габаритов, TTFF, потребляемой мощности, цены, поддерживаемых систем (A-GNSS, D-GNSS), помехоустойчивости, серийности, есть еще протоколы испытаний, параллельные тесты и многое другое. Заказы на производство модулей мы размещаем у российского контрактного производителя ПК «Альтоника», чьи производственные мощности находятся в Зеленограде. По нашему мнению, это лучшая и самая современная производственная площадка». [1].
«ГеоС-3» производится по технологии 130 нм, что позволило значительно снизить энергопотребление. Новый модуль заметно дешевле своего предшественника, стоимость «Геос-3» для конечных оптовых заказчиков варьируется в диапазоне 15–20 долл. «ГеоС-3» выпускается в новом малогабаритном форм-факторе с 38 выводами для SMD-монтажа. Модуль предназначен для автоматизированного производства, однако его контакты расположены достаточно широко, чтобы можно было использовать и ручную пайку. Встроенный 32-канальный аппаратный коррелятор с машиной быстрого поиска сигналов ГЛОНАСС/GPS обеспечивает получение навигационного решения всего лишь за 28 с в режиме «холодного» старта, что является одним из лучших показателей для ГЛОНАСС-модулей.

«ГеоС-3» (см. рис. 1) является навигационным приемником нового поколения, который определяет координаты по сигналам спутников ГЛОНАСС и GPS. Для более точного определения местоположения новый модуль может использовать сигналы спутниковой системы дифференциальной коррекции (SBAS). Приемник одновременно следит за сигналами обеих спутниковых группировок, что позволяет повысить точность определения. При этом пропадание сигналов одной из группировок, например, GPS, приемнику не страшны — в этом случае он будет обрабатывать данные только от спутниковой группировки ГЛОНАСС. В таблице 1 приведены технические параметры модуля «ГеоС-3», в таблице 2 дано описание выводов.

Рис. 1. Внешний вид модуля «Геос-3»

Интересной особенностью нового модуля являются два новых энергосберегающих режима. В режиме «RELAXED FIX®» модуль осуществляет выдачу координат с темпом, ниже стандартного 1 Гц. Данный режим позволяет снизить потребляемую мощность в тех приложениях, где нет необходимости выдавать координаты раз в секунду. Например, в автомобильных трекерах передача данных на центральный сервер при движении по прямой происходит один раз в 30 с, а при стоянке — один раз в несколько минут.
«RELAXED FIX®» — это режим самостоятельной прореженной выдачи координат, где происходит автоматическое чередование состояний модуля: «активен»/«сон». Модуль индицирует свое состояние c помощью линии PD_ACK и специальных пакетов через RS232. Режим «RELAXED FIX®» позволяет снизить средний ток потребления в разы, например, при скважности «активен»/«сон» 1:10 ток потребления упадет до 10мА, в то время как при полной активности ток потребления достигает 58 мА. При использовании данного режима следует учитывать одну особенность — сигналы должны быть среднего и большого уровня, т.к. происходит некоторое ухудшение точности и чувствительности.
Второй режим называется «FIX-BY-REQUEST®» и предназначен для выдачи координат по запросу хост-системы. Состояниями «активен»/«сон» здесь управляет хост-процессор, однако модуль самостоятельно включается, если время сна достигло 15 мин. Во время пробуждения «ГеоС-3» уточняет актуальность и набор данных эфемерид, а затем вновь «засыпает». Этот режим устанавливается и настраивается через последовательный порт, а текущее управление доступно как через RS-232, так и с помощью линии PD. Модуль индицирует о своем состоянии «активен»/«сон» через линию PD_ACK и с помощью специальных пакетов по RS-232. Режим «FIX-BY-REQUEST®» обеспечивает значительный выигрыш: потребление снижается более чем в 10 раз. Этот режим имеет смысл использовать в тех приборах, где определение координат необходимо получать от случая к случаю, но данные местоположения должны быть получены сразу (горячий старт) после запроса.
Стандартная точность определения координат — 2,5 м — может быть повышена при использовании дифференциального режима. Этот режим предполагает получение приемником дифференциальных поправок RTCM SC104 v2.3, которые должны формироваться стационарной станцией, расположенной не далее 100–150 км от точки измерения. Поправки позволяют скомпенсировать ошибки распространения радиосигналов в ионосфере, что приводит к повышению точности до 1,5 м. Поправки подаются на второй последовательный порт приемника.
Для облегчения захвата спутников в условиях слабых сигналов предусмотрена технология Assisted GNSS, которая позволяет приемнику загрузить вспомогательную информацию и стартовать в условиях плохого приема, даже если уровень сигнала ниже, чем чувствительность в режиме поиска. В приемник загружаются данные объемом около 2 Кбайт, включающие примерные координаты положения, альманах, эфемериды, списки видимых спутников и т.д. Для реализации режима Assisted GNSS в конечном устройстве должен присутствовать канал доступа к Assisted данным, например, GSM-сеть, Wi-Fi или Ethernet.

Для минимизации потребляемой энергии рекомендуется максимально снижать напряжение питания. Внутреннее вычислительное ядро «ГеоС-3» работает от 1,8 В, в то время как порты ввода-вывода могут работать как от 1,8, так и от 3,3 В. Благодаря этому можно эффективно управлять энергопотреблением и в то же время подключать модуль к микроконтроллеру с разным питающим напряжением. Рекомендуемая схема подключения «ГеоС-3» к внешнему микроконтроллеру приведена на рисунке 2. Как видно из схемы, приемник не требует никаких внешних компонентов, если питание микроконтроллера равно 1,8 В. В случае 3-В питания необходим внешний стабилизатор напряжения 1,8 В (см. рис. 3).

Рис. 2. Типовая схема включения модуля в системе с питанием 1,8 В

Рис. 3. Типовая схема включения модуля в системе с питанием 3,3 В

Резервная батарея нужна для сохранения в памяти модуля набора данных для последующего быстрого старта. Применение внешней батареи не является обязательным, при ее отсутствии «ГеоС-3» будет запускаться в режиме холодного старта.
Для использования модуля в устройствах временной синхронизации «ГеоС-3» формирует выходную секундную метку времени (1PPS). Начало импульса синхронизировано с всемирным координированным временем (UTC) с точностью до десятков наносекунд.
Высокая чувствительность модуля позволяет ему работать с пассивными антеннами. Разумеется, располагаться такая антенна должна на минимальном расстоянии от модуля (единицы сантиметров). Для питания активной антенны используется напряжение (1,8…3,6 В), подводимое к выводу V_ANT модуля. Вывод On/Off одновременно с отключением модуля обесточивает и активную антенну. Если сигнал включения не задействован, то вывод On/Off может оставаться «в воздухе» или соединяться с линией питания портов ввода/вывода.
Вывод индикатора состояния Status можно соединить со светодиодом, который будет показывать текущее состояние модуля: «поиск», «определение места и выдача данных», «обнаружены ошибки в аппаратной части» и «координаты не могут быть получены».

При разработке печатной платы необходимо придерживаться следующих рекомендаций производителя [2]:
– 38 контактных площадок модуля распределены с трех сторон, однако торцевые контакты (с 16 по 23) можно не разводить на печатной плате. При штатной эксплуатации модуля эти линии не используются и представляют собой JTAG-интерфейс встроенного ЦПУ;
– антенная линия (ANT) должна быть выполнена в виде согласованной линии с волновым сопротивлением 50 Ом. При этом линия должна быть как можно короче. Можно использовать миниатюрный ВЧ-разъем (UFL), запаянный в непосредственной близости от антенного контакта модуля;
– земляные контакты около антенного пина необходимо соединить с земляным полигоном печатной платы рядом с корпусом модуля. Если для земли используется отдельный слой, то переходные отверстия необходимо размещать как можно чаще;
– рядом с антенным входом нельзя проводить тактовые и другие цифровые линии, которые могут создавать наводки на антенный вход;
– под посадочным местом модуля «ГеоС-3» не рекомендуется делать разводку высокоскоростных цифровых линий.

Для тестирования модулей предназначена отладочная плата (см. рис. 4) и бесплатная программа GeosDemo v. 1.35 (дистрибутив и инструкцию к ПО можно скачать с сайта производителя по ссылке: http://geostar-navigation.com/software_geosdemo.html), которая позволяет отображать большое количество навигационных данных — расположение спутников, уровни сигналов, скорость, курс, состояние приемника.  Кроме того GeosDemo v. 1.35 позволяет показывать местоположение модуля на картах Google (см. рис. 5), если компьютер подключен к сети интернет. Через систему меню можно менять настройки приемника и записывать их в энергонезависимую память. Специальные команды позволяют задавать различные начальные условия работы, имитируя разные типы стартов: холодный, теплый, горячий. Можно записывать на ПК всю выходную информацию приемника, например, в формате NMEA или в виде бинарных данных для последующего анализа. Служебные операции включают загрузку/выгрузку альманаха и эфемерид. С помощью программы GeosDemo можно также обновить внутреннее программное обеспечение (firmware) модуля.

Рис. 4. Отладочная плата «ГеоС-3»

Рис. 5. Программа GeosDemo v. 1.35