Uso de GPS en Sistemas Embebidos

Transcripción

1 Uso de GPS en Sistemas Embebidos

2 Agenda Introducción a los sistemas GNSS Sistemas GNSS Arquitectura del sistema Como funciona Errores Mejoras Protocolos Sistemas Embebidos Características de los módulos GNSS Productos Telit

3 Sistemas GNSS El sistema Navstar-GPS (USA) es un sistema GNSS (Global Navigation Satellite System), es decir un sistema global de navegación por satélite. Existen otros sistemas: GLONASS (Rusia) Galileo (UE) BeiDou Compass (China)

4 Sistemas GNSS A través de los mismos se puede conocer: Posición (latitud, longitud y altitud) con exactitud de entre 20m y 1mm Hora UTC (Universal Time Coordinated) con una exactitud de entre 60ns y 5ns. Velocidad, dirección del movimiento y rumbo, etc.

5 Sistemas GNSS Segmento Espacial: compuesto por todos los satélites operativos. Segmento de Control: compuesto por todas las estaciones terrestres que monitorean y controlan el sistema. Segmento de Usuarios: compuesto por todos los usuarios civiles y militares.

6 Cómo funciona? Los receptores GNSS se basan en la medición del tiempo de tránsito de una señal de radio para medir la distancia que hay desde los satélites que integran el sistema a puntos sobre la superficie de la tierra. La velocidad de propagación de la señal de radio es la velocidad de la luz en el vacío ( km/s). Si se conoce el tiempo de viaje de la señal, entonces se puede calcular la distancia como: Distancia = Velocidad * Tiempo de viaje

7 Cálculo de Distancia Ejemplo 1: Cálculo de a que distancia cayo el relámpago. Distancia = Travel time * speed of sound (330m/s).

8 Cálculo de posición Ejemplo 2: Cálculo de la posición de un auto. Distancia : Travel Time * speed of light.

9 Cálculo de posición Ejemplo 3: Cálculo de posición de un auto 2. Distancia = ((T_time_1 T_time_2)*speed light + A )/2

10 Cálculo de posición Para calcular la posición en una línea de manera exacta (en una dimensión) necesitamos dos transmisores de señal de tiempo. Podemos decir que cuando se usa un receptor con un reloj no sincronizado, para calcular la posición del receptor, es necesario que el número de transmisores de señal de tiempo exceda en uno al número de dimensiones con las cuales se desea calcular la posición del móvil.

11 Cálculo de posición Ejemplo 4: Calculo de posición de un auto con Satélites. Para tener una posición valida en 3D y tiempo hace falta recibir al menos 4 satélites.

12 Tiempo de viaje de la señal Los satélites poseen relojes atómicos intercomparados con una estabilidad del orden de 5x Los satélites GNSS transmiten a la tierra su posición exacta y el tiempo de sus relojes. Estas señales requieren aprox. 67.3ms para alcanzar la superficie de la tierra debajo del satélite y requieren otros 3.33µs por cada kilómetro adicional de viaje.

13 Cálculo de posición II Comparando el tiempo en que arribó la señal con el tiempo en que fue transmitida, que viene como parte de los datos, es posible determinar el tiempo de viaje de la señal, y por lo tanto la distancia del satélite al receptor. Con esta distancia puedo definir una esfera, de la cual la superficie determina las posibles ubicaciones del receptor.

14 Cálculo de posición II Si se recibe la señal de un segundo satélite, podemos definir otra esfera de posibles ubicaciones del receptor en función de este nuevo satélite. La intersección entre ambas me definirá un circulo de posibles posiciones el receptor.

15 Cálculo de posición II Sumando la señal de un tercer satélite, y por lo tanto una esfera mas, solo tendremos dos posibles puntos donde se encuentre nuestro receptor. Uno de los cuales se puede descartar porque suele ser una posición fuera de la tierra. Un cuarto satélite es necesario para corregir el error de desincronización.

16 Satélites Los distintos sistemas GNSS posee un numero determinado de orbitas para sus satélites. Todos los sistemas permiten visualizar al menos 4 satélites desde cualquier punto de la tierra. Cada satélite da una vuelta a la tierra en 12hs. Pero tarda 24 hs en pasar por el mismo punto (a raíz del giro de la tierra)

17 Satélites Transmiten a frecuencia del orden de 1,5GHz. La señal tarda aprox. 67ns desde que sale del satélite hasta que llega al receptor. Los GPS transmiten un streaming continuo a 50bps, todos en la misma frecuencia y al mismo tiempo (CDMA). Los receptores identifican a cada satélite mediante un código. Los satélites transmiten los siguientes mensajes: Tiempo y corrección de clock Sus datos orbitales exactos (efemérides) Datos orbitales de los demás satélites (almanaque) Estado

18 Errores del sistema GNSS Es importante distinguir entre exactitud y precisión. La exactitud refiere a la diferencia entre el valor indicado y el real. La precisión refiere a la repetibilidad de los valores indicados. El sistema GNSS es suficientemente exacto y preciso para la mayoría de las aplicaciones pero tiene algunos errores.

19 Errores de los sistemas GNSS Si un receptor permanece fijo en una posición durante un tiempo veremos como indica posiciones desparramadas sobre un área, esto es debido a los errores del sistema.

20 Errores de los sistemas GNSS Disponibilidad Selectiva Error de la medición del tiempo de viaje de la señal. Multirutas Clock de satélites Orbitas de satélites Cantidad de satélites Geometría de los satélites. DOP (Dilution of Geometría de los satélites. DOP (Dilution of Precision) satélites usados entre si. Hay distintos tipos DOP, GDOP, PDOP, HDOP, VDOP.

21 Causas de Error del sistema GNSS Disponibilidad selectiva: En el pasado el sistema GPS tenía un ruído agregado llamado Selective Availability (Disponibilidad Selectiva) que aumentaba el error del sistema hasta unos 100m. Este ruido selectivo se desactivó en mayo de 2000 permitiendo que cualquier receptor pueda trabajar con un error de unos 15m o menos dependiendo de el diseño del receptor, la cantidad de satélites, etc. Errores de Propagación: La señal se frena al atravesar la ionósfera y la tropósfera. Solo pueden estimarse. Los cálculos se invalidan de acuerdo a las condiciones locales. Esta perturbación altera los cálculos de triangulación del receptor. También el cambio de índice de refracción produce alteraciones.

22 Causas de Error del sistema GNSS Rutas múltiples de la Señal: Se introducen errores en el sistema por reflecciones en edificios y entidades geográficas. Cuanto la ruta es menos directa, la señal tarda más en llegar, esto puede agregar errores al sistema si el receptor reconoce las señales reflejadas como válidas. Errores de clock de los Receptores: El clock en los receptores es mucho menos exacto que los que están a bordo de los satélites, esto introduce errores. Errores en las órbitas de los satéites: Desvíos de la posición real de los satélites respecto de la especificada por las esfemérides introduce errores el el cálculo de posición. Es difícil mantener a los satélites en las órbitas previstas.

23 Causas de Error del sistema GNSS Cantidad de satélites visibles: Cuanto más satélites ve el receptor, más usa para obtener puntos por triangulación y mayor el nivel de certidumbre (precisión) y de exactitud obtenida. Geometría de la posición de los satélites: La posición relativa entre los satélites puede aumentar el error del receptor. La situación óptima ocurre cuando los satélites tienen grandes ángulos relativos entre sí. Una medición de este problema se conoce como DOP o Dilution of Precision.

24 Dilusion Of Precision (DOP) DOP se usa para hacer una caracterización simple de la geometría de los satélites en uso para obtener un fix. La exactitud óptima se obtiene cuando los ángulos de intersección se aproximan a 90. Cuando los satélites están bién separados, los círculos de radio igual a la distancia de cada uno se intersecan en ángulo recto, definiendo bien el punto de intersección. DOP está relacionado al volumen formado por la intersección de los puntos de los vectores de los satélites en uso con el receptor en el centro de la esfera. A mayor volumen de intersección, mejor definida la intersección y menor DOP.

25 Dilusion Of Precision (DOP) Podemos ver la especificación DOP como: HDOP, VDOP, PDOP, y TDOP que son abrevaciones de Horizontal, Vertical, Posicional (3D), y Time Dilution of Precision

26 Sistemas de coordenadas Map refernce system =datums Para hacer los cálculos, los dispositivos modelizan la figura de la tierra como una elipsoide. La figura real es un geoide pero esta es muy compleja. Existen mas de 120 sistemas de mapas de referencia. WGS84 es un estándar global y se utiliza por default en todos los GPS s.

27 Mejoras del sistema DGPS (Differential GPS): Se emplea una estación de tierra fija en una posición conocida que ve los mismos satélites que el receptor en uso, esto permite cancelar errores. Se pueden usar receptores en un radio de 200km de la estación. La estación determina el valor de corrección y lo transmite generalmente mediante un enlace de radio. Una vez recibido este valor los receptores compensan el error de posición calculado en forma autónoma. Para las correcciones se usan diferentes protocolos como RTCM SC 104 y RTCA

28 Mejoras del sistema SBAS (Satellite Based Augmentation Systems ): satélites adicionales que permiten mejorar los sistemas GNSS Mejoran la exactitud de la posición por corrección Mejoran de integridad y seguridad. Mejoran la disponibilidad

29 Niveles típicos de exactitud La exactitud esperada cuando usamos un receptor GNSS varía de acuerdo a todo el sistema. La tabla debajo muestra especificaciones típicas.

30 Mejoras del sistema AGPS (GPS asistido): Luego de 2 o más horas de inactividad, los datos orbitales de los satélites deben actualizarse para que el sistema funcione. Un receptor requiere por lo menos de segundos para obtener los datos orbitales y calcular la primera posición (Time to First Fix: TTFF). En malas condiciones el cálculo puede tomar minutos. Una mejora para esto se obtiene recibiendo los datos orbitales mediante una red celular

31 Mejoras del sistema DEAD Reckoning: Permite obtener posiciones sin señal GPS partiendo de la última información disponible. La estimación sin señal GPS se degrada con la distancia al ser los errores acumulativos Requiere sensores precisos para mayores distancias (Acelerómetro, Giróscopo, etc.)

32 Protocolos Propietarios : dependen del fabricante del chipset receptor y sirven para obtener la información del recptor y para configurarlos. Ejemplos de esto son: Prolific, Ublox, SIRF, Wi2Wi, Atheros, Mediatek, ST, Atmel, etc Estándar: NMEA (NATIONAL MARINE ELECTRONICS ASOCIATION) que suelen usar todos los receptores GNSS.

33 Protocolos Mensajes estándar GST - GNSS Estadísticas de Error de Pseudo Range GBS - GNSS Falla al detectar satélites GGA (GPS) Datos de posición GLL - Latitud y longitud, con tiempo de fix y estado GSA (GPS) DOP y satélites activos GSV GPS/GNSS Satélites visibles RMC Datos mínimos recomendados VTG Curso sobre la tierra y velocidad d ella tierra GRS - GNSS Residuales de Alcance ZDA Fecha y Hora DTM Referencia de Datum TXT Transmisión de Texto

34 Protocolos

35 Sistemas Embebidos

36 Qué son los sistemas embebidos? Sistema embebido es el nombre genérico que reciben los equipos electrónicos que incluyen un procesamiento de datos, pero que, a diferencia de una computadora personal, están diseñados para satisfacer una función específica, como en el caso de un reloj, un reproductor de MP3, un teléfono celular, un router, el sistema de control de un automóvil (ECU), de un satélite o de una planta nuclear. Es un sistema electrónico que está contenido ( embebido ) dentro de un equipo completo que incluye, por ejemplo, partes mecánicas y electromecánicas. El cerebro de un sistema embebido es típicamente un microcontrolador, aunque los datos también pueden ser procesados por un DSP, una FPGA, un microprocesador o un ASIC, y su diseño está optimizado para reducir su tamaño y su costo, aumentar su confiabilidad y mejorar su desempeño. Algunas aplicaciones también tienen requisitos de bajo consumo, como por ejemplo un celular o un reproductor de MP3, que se satisfacen gracias a los avances en la tecnología. El diseño de sistemas embebidos es un motor clave de la industria y del desarrollo tecnológico, y es un campo que en los últimos años ha crecido notablemente en la Argentina.

37 Sistemas GNSS y los sistemas embebidos

38 Sistemas GNSS y los sistemas embebidos

39 Diagrama en bloques Display Fuente GPS MCU GPIO 2G/3G Sensores RF

40 Características de los módulos GNSS

41 Características de los módulos GNSS Chipset / Sistemas soportados Simultaneidad Cantidad de canales Sensibilidad Tasa de actualización Exactitud Tiempo de arranque (cold/warm/hot start) Tensión de alimentación Interfaces de comunicación

42 Características de los módulos GNSS Chipset / Sistemas soportados Sirf star IV - GPS Sirf star V - GPS/GLONASS/Galileo/Beidou Compass ST Teseo II - GPS/GLONASS/Galileo/Beidou Compass Mediatek MT GPS/GLONASS/Galileo/Beidou Compass Simultaneidad Sirf star IV solo GPS Sirf star V GPS o GLONASS ST Teseo II - GPS y GLONASS Mediatek MT3333 GPS y GLONASS

43 Características de los módulos GNSS Prueba realizada 20 de Marzo del 2012 en Londres Sistema GPS Sistema GPS + GLONASS

44 Características de los módulos GNSS Cantidad de canales Es la máxima cantidad de satélites que pueden estar siendo rastreados por el modulo GPS al mismo tiempo Sensibilidad Indica el nivel de señal mínima que puede ser detectada. Se expresa en db y es un valor negativo. Cuanto mas negativo menor es el nivel de la señal que puede ser detectada. Tasa de actualización Indica a que frecuencia refresca el dato de posición. Cuanto Indica a que frecuencia refresca el dato de posición. Cuanto mayor es la frecuencia de actualización de los datos mas exactitud se puede obtener al promediar dichos valores.

45 Características de los módulos GNSS Exactitud Se puede referir a la posición, la velocidad, etc. La que más nos interesa es la de posición. Cada fabricante puede expresarla distinto. Para todos los casos se especifica en metros. Pero hay variantes como SEP, CEP, 1dRMS, 2dRMS y 3dRMS. SEP corresponde a la mitad de los puntos dentro de una esfera. CEP corresponde a la mitad de los puntos en un círculo. 1dRMS corresponde al 68% de los puntos. 2dRMS corresponde al 95% de los puntos. 3dRMS corresponde al 99,7% de los puntos.

46 Características de los módulos GNSS Tiempo de arranque Coldstart, el dispositivo inicia sin las efemérides, la hora o la ultima posición Warmstart, el dispositivo inicia sabiendo la hora y ultima posición por lo que predice aproximadamente la posición de los SVs Hotstart, el dispositivo tiene efemérides aun validas y no necesita recibir un frame completo En el caso de funcionamiento asistido puede llevarse el caso de un arranque coldstart a uno warmstart

47 Productos Telit

48 Productos Telit

49 Jupiter SE880 Chipset Sirf Star IV - Solo GPS Receptor Gps de 48 canales Sensibilidad Tracking -165 dbm Tasa de actualización Exactitud de posición (CEP50) < 1,8 m Tiempo al primer fix -130 dbm) Hot Start: 1 s Cold Start: 35 s

50 Jupiter SE880 circuito de aplicación VDD 1.8V TX RX R1 10k Configure to UART RF GND Passive Antenna short 50 Ohm trace DC decoupling cap required for active antenna System_ON ON_OFF L1 (shielded) VDD 1.8V 0.68uH RX TX GND1 SYSTEM_ON ON_OFF TM GND2 VBB_I VREG_O VKA VDD RTS S_SPI CTS S_SPI NSR RESET GND10 GND9 Jupiter Jupiter SE880 Air GPIO8 GPIO3 RTC_XI RTC_XO GPIO4 GPIO2 RF_IN GND8 GND7 GND6 GND5 XTAL_CLK TCXO_CLK GND4 VCC_TCXO GPIO1 GND3 GPIO RF GND L2 2.2uH (shielded) C1 0.1uF C2 10uF C3 1000pF 3 4 Y1 OUT VCC GND GND TCXO MHz R2 100k C4 18pF Y KHz C5 22pF.. GPIO0 R3 10k R4 GPIO1 6k VDD 1.8V GPIO0 GPIO1 Protocol Baud HIGH HIGH NMEA 4800 HIGH LOW NMEA 9600 LOW HIGH NMEA LOW LOW OSP VDD 1.8V GPIO3 GPIO1 GPIO4 GPIO0 Optional Serial Flash SST25WF CE# SCK SI SO WP# RTS#/H# 8 VDD GND 4 OR C9 0.1uF R5 2.2k GPIO0 GPIO1 R6 2.2k 24AA512 5 A2 VCC 1 6 SDA A1 2 7 SCL A0 3 8 GND WP 4 Optional Serial EEPROM VDD 1.8V C6 0.1uF

51 Jupiter JF2 / JN3 Chipset Sirf Star IV - Solo GPS Receptor Gps de 48 canales Sensibilidad Tracking -163 dbm Tasa de actualización Exactitud de posición (CEP50) < 2.5 m Tiempo al primer fix -130 dbm) Hot Start: 1 s Cold Start: 35 s

52 Jupiter JF2 circuito de aplicación

53 Jupiter JN3 circuito de aplicación

54 Jupiter SE868V2 Chipset Sirf Star V - GPS L1, GLONASS (L1,FDMA), QZSS (L1) Receptor GNSS de 33 canales Sensibilidad Tracking -166 dbmc Tasa de actualización Exactitud de posición (CEP50) 2.5 m Tiempo al primer fix -130 dbm) Hot Start: 1 s Cold Start: 35 s

55 Jupiter SE868V2 circuito de aplicación

56 Jupiter SL869 Chipset ST Teseo II - Banda: GPS L1, GLONASS (L1,FDMA), Galileo (E1) Receptor GNSS de 32 canales Sensibilidad Tracking -162 dbm Tasa de actualización 10 hz Exactitud de posición (CEP50) 1.5 m Tiempo al primer fix -130 dbm) Hot Start: 1 s Cold Start: 35 s Chipset Meditek MT3333 Banda: GPS L1, GLONASS (L1,FDMA), Galileo (E1), Beidou (B1) Receptor GNSS de 33 canales Sensibilidad Tracking -165 dbm Tasa de actualización 10 hz Exactitud de posición (CEP50) 3m Tiempo al primer fix -130 dbm) Hot Start: 1 s Cold Start: 35 s

57 Jupiter SL869 circuito de aplicación

58 Jupiter SL869V2 circuito de aplicación

59 Jupiter SL871 Chipset Meditek MT3333 Banda: GPS L1, GLONASS (L1,FDMA), Galileo (E1), Beidou (B1) Receptor GNSS de 33 canales Sensibilidad Tracking -165 dbm Tasa de actualización 10 hz Exactitud de posición (CEP50) 3m Tiempo al primer fix -130 dbm) Hot Start: 1 s Cold Start: 35 s

60 Jupiter SL871 circuito de aplicación

61 Productos Telit

62 Productos Telit

63 Productos Telit

64 Productos Telit

65 Muchas Gracias! Electrocomponentes S.A. Ing. Ignacio J. Zaradnik

66 Glonass Es el sistema Ruso equivalente a Navstar GPS de Estados unidos Satélites Totales en la constelación 29 Operacionales 24 En fase de puesta en marcha En mantenimiento De repuesto 4 En fase de prueba de vuelo 1

67 Glonass El GLONASS civil usado solo es un poco menos exacto que GPS. En altas latitudes (norte o sur), la exactitud de GLONASS es mejor que la de GPS debido a las posiciones orbitales de los satélites. Algunos receptores modernos pueden usar ambos sistemas en forma simultánea mejorando la cobertura en cañones urbanos y el time to fix, debido a que hay disponibles más de 50 satélites. En 2009, la agencia espacial rusa informó sus intenciones de expandir la constelación GLONASS y mejorar el segmento terrestre para mejorar las definiciones de navegación a 2.8 m en Los últimos satélites diseñados, GLONASS-K, pueden mejorar la exactitud del sistema un 100%. En 2012 se estaban construyendo 16 nuevas estaciones terrestres a las que se agregarán nuevas en el hemisferio sur. Estas mejoras están pensadas para mejorar la exactitud del sistema GLONASS a 0.6 m o menos para 2020.

68 Galileo Galileo es el nombre del programa de GNSS Europeo, pensado para ser muy exacto, para que opere en forma global y que sea interoperable con los sistemas existentes GPS y Glonass. Consiste en 30 satélites y la infraestructura terrestre. Galileo es desarrollado en colaboración entre la Union Europea y la Agencia Espacial Europea (ESA).

69 Galileo - Arquitectura 30 satélites que completan un giro alrededor de la tierra en 14 horas a km ordenados de modo tal que siempre haya por lo menos 4 satélites visibles en cualquier parte del mundo. Los 30 satélites estarán en 3 planos orbitales a 56 del ecuador que proveerá covertura hasta las regiones polares.

70 Beidou BeiDou Navigation Satellite System es el sistema de GNSS Chino desarrollado en forma independiente. Los objetivos del sistema son mantener la independencia al tiempo que lograr la compatibilidad con los demás sistemas, ofrecer servicio global. El sistema BeiDou se compone de 5 satélites geoestacionarios y 30 de no-geoestacionarios en su segmento espacial. Este sistema se complementa con las estaciones de monitorieo y control terrestre.

71 Receptores y Antenas

72 Receptores Características: Receptores militares vs civiles Velocidad de actualización de PVT Resistencia a multi ruta Condiciones dinámicas (aceleración y velocidad) Amplificación de la señal Cantidad de canales Sensibilidad

73 Antenas El proceso de recepción comienza con una señal GPS propagándose en el espacio libre e incidiendo en la antena del receptor. Esto induce una tensión en los puertos de la antena extremadamente débil, del orden de -130dBm, es decir, por debajo del nivel de ruido térmico. Las antenas pueden ser activas (Con amplificadores integrados) o pasivas (Conectadas directamente al receptor).

74 Antenas La antena es el primer filtro además de ser el transductor entre el medio de propagación y el receptor. Las antenas GPS tienen típicamente una impedancia de 50 Ohm y un ROE (VSWR) de 2. Esto último garantiza que un 90% de la potencia pasa a través de la antena. La antena está diseñada para recibir ondas polarizadas circularmente a derecha, lo que proporciona una cierta supresión de multi ruta. Los diagramas de antena normalmente evitan las señales provenientes de ángulos inferiores a 10º-20º sobre el horizonte, donde la señal viene más degradada y donde el efecto de multi ruta puede ser más importante.

75 Esquema de un receptor GPS El mezclador baja la portadora a frecuencias intermedias (IF) preservando la estructura modulada de la señal. Hay tres buenas razones para hacer esto: 1. Los conversores analógico-digitales operan a estas frecuencias intermedias. 2. Es muy difícil fabricar filtros de banda muy estrecha (2-8 MHz) a altas frecuencias. 3. Los efectos de reflexión pueden ser muy dañinos sobre la cadena RF si una amplificación de más de 100 db se realiza en una sola frecuencia.

76 Receptor El procesado de señal de los sistemas de navegación por satélite se basa en una estructura de canales, donde canal corresponde a la vinculación a un satélite según la estructura de la figura Adquisición: identificación de todos los satélites visibles para el usuario. Si el satélite es visible, el proceso de adquisición debe determinar las siguientes dos propiedades de la señal: frecuencia y fase del código, es decir, el punto del bloque de datos en observación en el que comienza. Seguimiento: se refinan los valores de la fase de código y frecuencia así como se efectúa un seguimiento de la evolución de los mismos.

77 Adquisición El propósito de la adquisición es determinar qué satélites están en el campo de visión así como valores aproximados de la frecuencia de la portadora y de la fase del código de sus señales. Los satélites se diferencian por 32 secuencias PRN diferentes que configuran el procedimiento llamado code division multiple access (CDMA). Es necesario sintonizar la fase del código para poder hacer uso de la propiedad de autocorrelación tan afilada de dicho código. La portadora de la señal input ha de sintonizarse también correctamente, con su Doppler corregido. Antes de asignar un canal a un satélite, ya hemos dicho que se han de identificar su pertenencia al conjunto de los satélites visibles. Hay dos maneras de realizar esta asignación: 1. Arranque en caliente: el receptor usa la información de almanaque almacenada previamente en su último uso. 2. Arranque en frío: empieza de cero y necesita hacer uso del proceso de búsqueda o adquisición.