Utiliser des modules GNSS pour créer des solutions de ville intelligente basées sur la géolocalisation

Les services de géolocalisation (Location-Aware Services, LAS) dans les villes intelligentes sont déployés dans divers domaines, notamment les services publics, les transports, la gestion du trafic, l'énergie, les soins de santé, l'eau et les déchets, afin de créer des villes plus sûres, plus durables et mieux connectées. Dans ces applications, il est souvent nécessaire de connaître les distances entre des dispositifs proches. La demande de capacité de positionnement à l'aide de récepteurs GNSS (système global de navigation par satellite) multi-constellations pour les systèmes de satellites de navigation Galileo en Europe, GPS aux États-Unis, GLONASS en Russie et BeiDou en Chine, augmente dans les applications LAS. Les avantages de l'utilisation de récepteurs GNSS multi-constellations incluent : meilleure disponibilité des signaux de positionnement, navigation et synchronisation (PNS), précision et intégrité accrues, et robustesse améliorée. Mais le développement de récepteurs multi-constellations est une activité complexe et fastidieuse.

Cet article passe en revue les considérations de conception système importantes lors de l'utilisation de récepteurs GNSS multi-constellations, puis présente les plateformes GNSS et les environnements de développement de u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales et Arduino pour le développement efficace et économique d'applications de ville intelligente basées sur la localisation.

Les améliorations apportées à la technologie GNSS, notamment la réduction de la consommation d'énergie, ont largement contribué à l'utilisation accrue de systèmes GNSS et à la prolifération des systèmes LAS dans les applications de villes intelligentes. La consommation électrique des récepteurs GNSS a été réduite de 120 milliwatts (mW) en 2010 à 25 mW en 2020 (Figure 1). En fait, la consommation d'énergie des récepteurs GNSS a diminué plus rapidement que les besoins en énergie de la plupart des autres composants des systèmes LAS. Les anciennes technologies GNSS étaient très gourmandes en énergie par rapport aux autres éléments du système. Aujourd'hui, les besoins en énergie GNSS ne représentent souvent qu'un pourcentage à un chiffre du budget électrique global.

Figure 1 : La consommation d'énergie des récepteurs GNSS est passée de 120 mW en 2010 à 25 mW en 2020. (Source de l'image : u-blox)

Défis en matière de consommation d'énergie

Alors que la consommation d'énergie des récepteurs GNSS a considérablement diminué, la complexité pour obtenir une solution puissance/performances optimale a augmenté. Toutes les conceptions LAS ne nécessitent pas des estimations de position GNSS continues ou des niveaux élevés de précision de la position. Les concepteurs disposent de divers outils pour optimiser les performances et la consommation d'énergie du système GNSS, notamment l'optimisation matérielle et les approches basées sur micrologiciels.

L'utilisation de composants basse consommation, en particulier les amplificateurs à faible bruit (LNA) RF, les oscillateurs et les horloges temps réel (RTC), constitue la première étape du développement de solutions GNSS écoénergétiques. Le choix entre antennes actives et passives est un bon exemple. Les antennes passives sont moins coûteuses et plus efficaces, mais elles ne répondent pas aux besoins de toutes les applications. Une antenne active peut être un bon choix dans les canyons urbains, à l'intérieur des bâtiments ou dans des lieux où la puissance du signal est faible. L'amplificateur LNA dans l'antenne active augmente considérablement la capacité de réception des signaux faibles mais consomme également une quantité importante d'énergie. Lorsque la consommation d'énergie est critique et que la taille de l'antenne n'est pas si importante, une antenne passive plus grande peut souvent offrir les mêmes performances qu'une antenne active plus petite, tout en fournissant des niveaux élevés de disponibilité et de précision de la position.

La plupart des récepteurs GNSS peuvent fournir des fréquences de mise à jour de 10 Hertz (Hz) ou plus, mais la plupart des applications LAS fonctionnent correctement avec des fréquences de mise à jour bien inférieures et moins énergivores. Sélectionner la fréquence de mise à jour optimale peut avoir le plus fort impact sur la consommation d'énergie. Outre les considérations matérielles, les concepteurs disposent d'une série d'outils micrologiciels pour optimiser la consommation d'énergie, notamment les fréquences de mise à jour, le nombre de constellations GNSS suivies simultanément, le système GNSS assisté et une variété de modes d'économie d'énergie (Figure 2).

Figure 2 : En plus d'utiliser la solution matérielle la plus efficace, les concepteurs disposent de plusieurs outils micrologiciels pour optimiser les performances et la consommation d'énergie d'un système GNSS. (Source de l'image : u-blox)

Il peut être nécessaire de suivre simultanément plusieurs constellations GNSS dans des environnements difficiles. La réception de signaux sur différentes bandes peut certes garantir un positionnement fiable, mais elle augmente également la consommation d'énergie. Il est important de comprendre l'environnement opérationnel spécifique, notamment le degré d'ouverture de la vue sur le ciel, et d'utiliser le nombre minimum de signaux GNSS requis pour répondre aux exigences de l'application LAS concernée.

La désactivation de la fonction GNSS permet d'économiser le plus d'énergie mais entraîne un démarrage à froid à chaque activation. Le temps d'acquisition (TTFF) pour un démarrage à froid peut être de 30 secondes, voire plus, en fonction de la disponibilité et de l'intensité des signaux GNSS, et de la taille et de l'emplacement de l'antenne. Le GNSS assisté peut réduire le temps d'acquisition tout en fournissant des informations précises. Le GNSS assisté peut être mis en œuvre de plusieurs manières, notamment par les paramètres actuels et prévus de localisation et de synchronisation des satellites (appelés « données d'éphémérides »), l'almanach et les données précises de correction de l'heure et de l'état des satellites pour les systèmes satellitaires téléchargés via Internet en temps réel ou à des intervalles pouvant atteindre plusieurs jours. Certains récepteurs GNSS disposent d'un mode autonome qui calcule en interne les prévisions d'orbite GNSS, éliminant ainsi le besoin de données et de connectivité externes. Cependant, l'utilisation du mode autonome peut nécessiter que le récepteur soit activé périodiquement pour télécharger les données d'éphémérides actualisées.

Modes d'économie d'énergie

Outre les options de connectivité telles que le GNSS assisté, de nombreux récepteurs GNSS permettent aux concepteurs de choisir parmi une série de compromis entre fréquences de mise à jour et consommation d'énergie, notamment le suivi continu, le suivi cyclique, le fonctionnement marche/arrêt et le positionnement snapshot (Figure 3). La sélection du mode de suivi optimal est une autre considération importante pour définir les performances d'une application spécifique. Si les conditions de fonctionnement changent et que le mode d'économie d'énergie optimal n'est plus disponible, le système doit automatiquement passer au mode le plus écoénergétique suivant afin de garantir un fonctionnement continu.

Figure 3 : Les modes de fonctionnement écoénergétiques doivent être adaptés aux fréquences de mise à jour requises pour optimiser les performances du système GNSS. (Source de l'image : u-blox)

Le suivi continu convient aux applications qui requièrent quelques mises à jour par seconde. Le récepteur GNSS acquiert sa position dans ce mode, établit une position fixe, télécharge l'almanach et les données d'éphémérides, puis passe en mode de suivi pour réduire la consommation d'énergie.

Le suivi cyclique implique plusieurs secondes entre les mises à jour de position et est utile lorsque les signaux et/ou les antennes sont suffisamment grands pour garantir que les signaux de position sont accessibles selon les besoins. Des économies d'énergie supplémentaires peuvent être réalisées si le suivi ne nécessite pas l'acquisition de nouveaux satellites.

Le fonctionnement marche/arrêt implique le basculement entre les activités d'acquisition/de traçage et le mode veille. Le temps en veille est généralement de plusieurs minutes et le fonctionnement marche/arrêt exige des signaux GNSS forts pour minimiser le temps d'acquisition TTFF et, par conséquent, la consommation d'énergie après chaque période de veille.

Le positionnement snapshot permet d'économiser de l'énergie en utilisant le récepteur GNSS pour le traitement local des signaux, combiné aux ressources de cloud computing pour le traitement à calcul intensif de l'estimation de la position. Lorsqu'une connexion Internet est disponible, le positionnement snapshot peut réduire la consommation d'énergie du récepteur GNSS d'un facteur dix. Cette solution peut constituer une stratégie efficace d'économie d'énergie lorsque seules quelques mises à jour de position par jour sont nécessaires.

Antenne embarquée prenant en charge l'extension GNSS

Les concepteurs peuvent se tourner vers le module d'antenne patch SAM-M8Q de u-blox pour les systèmes qui bénéficient de la réception simultanée des signaux GNSS GPS, Galileo et GLONASS (Figure 4). L'utilisation simultanée de trois constellations permet d'obtenir une haute précision de positionnement dans des environnements difficiles tels que des canyons urbains ou lors de la réception de signaux faibles. Pour accélérer le positionnement et améliorer la précision, le SAM-M8Q prend en charge des fonctions d'extension, y compris QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), GAGAN (GPS Aided GEO Augmented Navigation) et IMES (Indoor Messaging System), ainsi que WAAS (Wide Area Augmentation System), EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) et MSAS (MTSAT Satellite Augmentation System).

Figure 4 : Le module SAM-M8Q prend en charge la réception simultanée de jusqu'à trois sources GNSS (GPS, Galileo, GLONASS). (Source de l'image : u-blox)

Le module SAM-M8Q peut également utiliser le service d'assistance u-blox AssistNow qui fournit les paramètres de diffusion GNSS, y compris les données d'éphémérides, l'almanach, l'heure ou la position approximative, afin de réduire considérablement le temps d'acquisition. La validité étendue des données AssistNow Offline (jusqu'à 35 jours) et des données AssistNow Autonomous (jusqu'à 3 jours) favorise un temps d'acquisition plus rapide même après une période prolongée.

Cette plateforme de développement Google Cloud Internet des objets (IoT) offre un moyen simple de connecter et de sécuriser les applications basées sur des microcontrôleurs PIC. La carte GNSS 4 click de MikroElektronika contient un module SAM-M8Q et est conçue avec la carte de développement PIC®-IoT WG de Microchip Technology pour accélérer le développement des applications de villes intelligentes LAS (Figure 5). La carte de développement PIC-IoT WG offre aux utilisateurs de Google Cloud IoT un moyen d'accélérer le développement d'applications sécurisées connectées au cloud. De plus, la carte PIC-IoT WG fournit aux concepteurs des outils d'analyse et d'apprentissage automatique.

Figure 5 : La carte GNSS 4 click porte le module d'antenne patch SAM-M8Q de u-blox. (Source de l'image : DigiKey)

GNSS multi-constellation et connectivité sans fil

Pour les petits dispositifs LAS tels que les traceurs qui peuvent bénéficier d'un support GNSS multi-constellation (GPS/Galileo/ GLONASS) et d'une connectivité LPWAN LTE globale à partir d'un seul module exploitant le Rel. 14-second generation Cat. M1/NB1/NB2, les concepteurs peuvent se tourner vers le module Cinterion TX62 de Thales (Figure 6). La taille de la solution peut être encore optimisée grâce à l'architecture flexible du module qui prend en charge l'exécution d'applications via un processeur hôte ou au sein du module via le processeur intégré. Le TX62 prend en charge le mode d'économie d'énergie 3GPP (PSM) et la réception discontinue étendue (eDRx) pour les applications sensibles à la consommation. Les temps de veille PSM ont tendance à être beaucoup plus longs que les temps eDRX. Ces temps de veille plus longs permettent au dispositif d'entrer dans un mode de veille plus intense et moins énergivore que l'eDRX. Le courant de veille PSM est inférieur à 10 microampères, tandis que le courant de veille eDRX peut atteindre 30 microampères.

Figure 6 : Le module IoT TX62 prend en charge les communications LTE-M, NB1 et NB2, ainsi que le système GNSS multi-constellation. (Source de l'image : Thales)

Les fonctions de sécurité du TX62 incluent le stockage sécurisé des clés et la gestion des certificats pour prendre en charge la connexion en toute confiance dans les plateformes cloud tout en protégeant le dispositif et les données, ainsi que des identités de confiance pré-intégrées dans la racine du TX62 pendant la fabrication. Si nécessaire, les concepteurs peuvent spécifier une eSIM intégrée en option qui peut simplifier les processus de logistique et de fabrication et améliorer la flexibilité sur le terrain grâce à des mises à jour d'abonnement dynamiques et à un provisionnement à distance.

Le développement LAS dans les applications Arduino Portenta H7 est simplifié grâce au shield Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS (Figure 7). Le shield combine la puissance d'edge computing du Portenta H7 avec la connectivité du TX62 pour permettre le développement du suivi des actifs LAS et de la surveillance à distance dans les applications de villes intelligentes ainsi que dans l'industrie, l'agriculture, les services publics et d'autres secteurs. Le shield de base Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS ne comprend pas d'antenne GSM/UMTS. Au lieu de rechercher une antenne compatible, les concepteurs peuvent utiliser l'antenne dipôle pentabande étanche d'Arduino.

Figure 7 : Le shield Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS inclut le module IoT TX62-W (grand carré jaune). (Source de l'image : Arduino)

Les avantages supplémentaires du shield Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS incluent :

• Possibilité de changer la connectivité sans changer la carte
• Ajout du positionnement plus NB-IoT, CAT.M1 à toute conception basée Portenta
• Réduction significative des besoins en bande passante de communication dans les dispositifs IoT
• Format compact de 66 mm x 25,4 mm
• Fonctionnement de -40°C à +85°C

Résumé

Les avancées en matière de technologies GNSS basse consommation et hautes performances sont des facteurs qui stimulent la croissance des applications de villes intelligentes LAS. Toutefois, le simple fait d'utiliser le matériel le moins gourmand en énergie n'est qu'un point de départ. Il est tout aussi important d'optimiser les micrologiciels pour parvenir à une solution optimale et écoénergétique. De nombreuses combinaisons de matériel et de micrologiciels sont disponibles pour le développement d'applications LAS basées GNSS et les concepteurs peuvent se tourner vers une variété d'outils d'évaluation pour accélérer le processus de développement.