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低功耗GNSS設計TIPS:功耗、性能和成本需要如何權衡

日期:2024-04-16 14:02:10

衛星定位具有全球可用性和高精度等特點,因而成為越來越多的消費、工業和汽車跟蹤應用的關鍵推動因素。與此同時,在性能、尺寸、功耗和成本方面,用戶對于衛星定位技術仍然抱有更高的期望。為了以最佳方式平衡這些特性從而滿足特定應用或用例的需求,需要深入了解所使用的技術、硬件、軟件和服務。

GNSS 技術能夠在全球范圍內提供高度準確的位置、速度和時間數據,因此在不斷涌現的智能互聯解決方案中占有一席之地。與此同時,用戶對 GNSS 技術的期望也越來越高,要在當今競爭激烈的市場中脫穎而出,GNSS 設備需要在精度、響應性和功耗方面優于競爭對手,這通常在降低成本和尺寸方面有著巨大壓力。

特別是在消費、工業和汽車跟蹤用例中,全球導航衛星系統 (GNSS) 接收機長期以來一直被視為耗電大戶。早在2010年,單頻段接收機在連續跟蹤模式下的功耗稍高于120 MW。到 2015 年,功耗已降至 70 MW 左右。如今,憑借技術改進,跟蹤應用的功耗僅為 25 MW。

在過去的五年里,GNSS 技術的功耗已攀升到新的高度。如今的低功耗 GNSS 接收機可以跟蹤更多的衛星星座,每個星座都支持多個頻段,從而以更快的速度、更低的功耗提供更高定位精度。在某些用例中,GNSS 接收機的功耗可以降低到終端設備電力預算的百分之十以下。

但是,要實現以上這一低功耗目標是充滿挑戰的。目前,先進的 GNSS 接收機通常提供一系列設置,以便用戶自行配置以優化功耗,同時滿足特定用例的性能要求。

在本文中,我們概述了一些基本的設計考慮因素,利用這些因素,可以使 GNSS 接收機的功耗僅占到標準GNSS 解決方案耗電預算的一小部分。對于特定用例需要考慮的設計因素,將取決于用戶如何在精度、動態性能、尺寸、成本等因素之間進行取舍。

使用云端定位技術的跟蹤設備在蜂窩通信和 GNSS 之間的電力分配。

產品開發人員可以使用哪些省電選項來平衡 GNSS 接收機的精度、性能、尺寸和成本,在很大程度上取決于他們的應用場景。例如,運動手表的尺寸較小,通常僅配備小型天線和電池,因此需要相對高的 1 HZ 更新速率,并且對 GNSS 性能有著苛刻的要求。大多數運動手表僅提供有限的互聯網連接(通過智能手機)。

物流貨物跟蹤器對于更新速率和GNSS 接收機性能方面的要求較為寬松,但需要使用小型電池運行數月。介于兩者之間的是手持設備以及寵物和兒童跟蹤器。

下表概述了五類終端設備的常見限制,給定終端設備的具體限制將取決于其用例所規定的特定要求,并且可能與下面提供的示例有所不同。

正如我們所見,GNSS 接收機的功耗由多種因素決定。大部分電力是在啟動(衛星信號捕獲)期間消耗的,這通常比連續衛星跟蹤多消耗 20% 左右,因此,功耗的主要驅動因素與衛星信號捕獲和連續衛星跟蹤有關。

除了終端設備的尺寸和成本外,應用對 GNSS 的性能要求也會限制可用于降低功耗的選項。正如我們所見,以上每個選項都有自身的一套取舍規則,開發人員需要謹慎考慮以充分滿足目標應用的需求。

雖然一些用例始終需要高度精確的 GNSS 定位,但其他用例的要求并不那么嚴格。當今最先進的 GNSS 接收機會提供多種方法來平衡定位可用性和精度與功耗之間矛盾的需求。

第一種方法涉及選擇所跟蹤的 GNSS 星座的數量。同時跟蹤多個 GNSS 星座會增加任何給定時間的可見衛星數量,從而提高定位讀數的魯棒性。在信號不佳的環境中,例如在城市峽谷深處或森林樹冠下,此方法可以顯著提高定位服務的可用性、精度和可靠性。

在功耗方面,跟蹤更多 GNSS 星座會迫使接收機花費更多時間獲取衛星信號,進而增加功耗。此外,接收機在跟蹤不同頻段 GNSS 信號時,需要額外的射頻路徑來捕獲信號,這也會增加功耗。

第二種方法側重于天線選擇,即選擇滿足最終應用性能要求的天線。有源天線使用低噪聲放大器 (LNA) 來增加輸入射頻信號的增益,尤其在天線放置不當或在室內等弱信號場景中,有源天線對于在噪聲中捕捉微弱的衛星信號至關重要。然而,有源天線 LNA 會消耗相當多的電力來實現所需的天線增益,此類靈敏度增加通常以增加功耗為代價。因此對于需要出色定位可用性和精度的低功耗用例,可以使用大型無源天線(終端設備的尺寸需有所妥協)。

雖然一些用例需要連續跟蹤,但其他用例每分鐘、每小時甚至每天僅需要讀取不超過一次定位數據。定位更新速率決定了兩次位置計算之間的時間間隔,并且會顯著影響GNSS 接收機的功耗。

在此圖上,連續跟蹤模式的功耗最高。在結合了GNSS 定位和 LTE 云端連接的應用中,連續跟蹤模式還會帶來以下挑戰:傳輸的 LTE 信號與附近頻段接收的 GNSS 信號之間發生射頻干擾。

通過有效減輕射頻干擾,可防止因信號損失而迫使接收機重新進入大功耗的信號捕獲階段,從而降低 GNSS 接收機的功耗。減輕射頻干擾需要對精密電路板設計進行前期投資,并且可能需要額外的濾波器,而這會增加射頻路徑中的信號衰減。使用無源天線設置時,可能需要添加一個低噪聲放大器 (LNA)。

對于不需要持續跟蹤的應用,許多 GNSS 接收機提供省電模式 (PSM),該模式通過限制 GNSS 接收機在位置計算之間的跟蹤功能來大幅降低功耗。

PSM 有多種類型,各自具有不同的優點和缺點。要在接收機性能和功耗之間取得最佳平衡,開發人員需要明智地選擇最能滿足用例需求的 PSM。

跟蹤解決方案的設計人員可以使用一整套設計策略來優化設備的功耗。由于每個決策不僅會影響功耗,而且還會影響跟蹤解決方案的性能、尺寸和成本,因此解決方案設計人員必須仔細權衡每種策略的利弊,以找到能夠提供所需跟蹤性能的最低功耗配置。

雖然 GNSS 設備在較窄的電壓范圍內運行,但其有一個最佳電壓,在該電壓下,可最大限度地降低功耗。所選的用于提供正確電壓的元器件也會影響 GNSS 接收機的整體功耗:低壓降穩壓器 (LDO) - 該解決方案的成本較低, 但以熱量的形式消耗電力,因此不利于優化功耗。開關模式電源 (SMPS) 的效率更高。不過,這種電源使用線圈, 可能會在天線前端造成不必要的射頻干擾。

電源中斷會導致 GNSS 接收機失去其定位以及所有下載的時間和 GNSS 軌道數據,因此在電源恢復時,GNSS 接收機會被迫進行完整的冷啟動。通過將此類數據保存在備用 RAM 中,帶有備用電池的 GNSS 接收機可以更快地從電源中斷中恢復,從而節省電力。當位置更新周期長于兩個小時(大致對應于星歷數據的有效時間) 時,備用電池就變得多余了,因此可以去掉備用電池, 從而降低功耗。

如果發生停電,內置實時時鐘可讓 GNSS 接收機在主電源恢復后更快地啟動。因此,使用此裝置可降低功耗。不過,RTC 需要電池作為備用電源,所以會增加設備的尺寸和成本。

在信號強度足夠的情況下,無源天線的功耗小于有源天線。而在需要更高靈敏度的用例中,使用有源天線可能無法增加射頻路徑的增益。在此類情況下,帶有外部 LNA 控制的有源天線可關閉 LNA(不使用GNSS時),而非始終保持開啟狀態。通過根據環境條件調整射頻路徑增益,具有內部功耗設置的 LNA 可以降低提供必要 GNSS 靈敏度和精度所需的功耗。

雖然晶振利用較低的功耗即可輸出穩定的頻率信號,但溫度波動會影響其頻率,進而影響 GNSS 接收機的靈敏度和首次定位時間,并因此增加功耗。溫控晶振 (TCXO) 可以解決溫度靈敏度的問題并降低定位功耗,但在連續運行中會消耗稍多的電力。晶振的選擇取決于所需的定位性能和所用的特定元器件組合。依賴小型天線設計或預期在弱信號環境中運行的用例可以通過選擇 TCXO 來提高GNSS 接收機的靈敏度。

在一些跟蹤器中,GNSS 接收機配有閃存,以便進行固件升級或將數據存儲到設備上。不過,通過將數據存儲在主機的存儲器中,設備可以縮短其物料清單并降低功耗。

除了上一節中提出的基于硬件的功耗優化策略外,產品開發人員還可以使用一系列基于固件的功耗優化策略。

盡管功耗優化策略因供應商而異,但通常屬于下面所示的四種類型。

更新速率是在尋求降低 GNSS 接收機功耗時首先考慮的因素。在連續跟蹤模式下,大多數 GNSS 接收機都支持10 HZ 或更高的更新速率。一些常用用例僅需要每分鐘或每天更新一次位置。因此,通過降低更新位置速率來滿足用例的實際要求并允許其在更新間隔期內進入省電模式(PSM),GNSS 接收機可以顯著降低功耗。

同時跟蹤多個 GNSS 衛星信號會顯著影響功耗,特別當接收不同頻段信號時,這也是有回報的:尤其是天空視野受限或使用小天線時,跟蹤更多的 GNSS 星座會提高定位可用性。在此類信號不佳的環境中,通過減輕多徑效應并從多個頻段(L1、L2、L5)接收信號可以提高定位精度。此外,根據星座的地理位置來仔細選擇要跟蹤的星座,存在地域性限制的設備可以在不影響性能的情況下降低功耗。

當高定位精度和短捕獲時間(TTFF)對應用至關重要時, GNSS 接收機需要每 30 分鐘下載一次所跟蹤衛星的星歷數據,接收機跟蹤的星座越多,下載操作越頻繁。由于GNSS 接收機需要保持開啟狀態才能下載星歷數據,因此該操作僅在連續跟蹤模式下才可實現,在此情況下,接收機無法節省電力。

先進的 GNSS 接收機可提供一種或多種省電模式 (PSM), 以在降低功耗的同時保持高性能(相較于連續跟蹤模式)。各 PSM 以不同的方式平衡功耗和 GNSS 接收機性能,因此,關鍵是要根據應用的限制條件使用正確的模式。

在連續模式下,GNSS 接收機首先獲取其位置,然后確定位置修正并下載歷書和星歷數據。完成此操作后,接收機會切換到跟蹤模式以降低功耗,除非失去其位置,否則接收機將保持跟蹤模式。對于每秒需要幾次更新的應用,連續跟蹤模式可在性能和功耗之間實現完美平衡。

某些 GNSS 接收機具有省電模式,可在少于十秒的短間隔內減少計算以節省電力。循環跟蹤模式特別適用于信號足夠強或天線足夠大的用例:如果信號太弱,接收機將恢復到具有更高功耗的正常跟蹤模式。

SUPER-E 模式是 U-BLOX GNSS 接收機上的專有省電模式,其本質上是一種優化的循環跟蹤模式。通過將跟蹤期間所需的資源降至最低,SUPER-E 模式可在幾乎不影響性能的情況下降低整體功耗。當信號較弱或只有少數衛星可見時,將激活全功率模式以保持定位性能。當有充分且足夠強的衛星信號時,將激活省電的 SUPER-E 模式。測試表明,在開闊環境中,SUPER-E 模式的省電效果比標準 U-BLOX 1 HZ 全功率模式提升三倍,同時對定位和速度精度的影響極小。

一些 GNSS 接收機可以在捕獲/跟蹤階段和睡眠階段之間切換,此功能稱為開/關操作。在休眠階段(關),接收機僅消耗極少的備用電池電量。對于休眠時間較長的場合,此模式是明智的選擇。與循環跟蹤模式的情況一樣, 開/關操作需要射頻輸入端具有較強的衛星信號,以最大程度地減少在每個“關閉”周期后首次定位所需的時間(和電力)。

GNSS 接收機采用的另一種倍受歡迎的節省電力方式是將計算位置輸出期間涉及的高能耗計算交給云端處理。在云端定位中,GNSS 接收機執行 GNSS 信號的接收和信號處理,同時將定位估算處理交給云服務。雖然此操作需要互聯網連接,但可以將 GNSS 接收機上的功耗 降低至十分之一。

對于 GNSS 接收機可以長時間休眠(比如,每天僅需要進行幾次位置更新)并且設備本身不需要使用位置信息的用例,云端定位是一種理想的解決方案。在更新周期為一小時或更短的情況下,建立蜂窩通信并將數據傳輸到云端所需的電力超過了讓接收機休眠的好處。

對于使用 LTE-M 連接到互聯網的設置,GNSS 接收機會消耗大約 10% 的電力,剩余 90% 電力由蜂窩通信調制解調器耗用。

對于介于每分鐘一次和每小時一次之間的更新速率,可能需要計算能耗以確定最合適的省電模式。正如我們將在下面探討的那樣,在冷啟動期間使用輔助 GNSS 來節省電力也是一種有效的方法。

最明顯的省電方法是切斷設備的電源。但是,完全關閉設備會迫使接收機在下次打開時執行冷啟動,這涉及獲取第一個位置所需的大約 30 秒的捕獲階段 - 首次定位時間(TTFF)。如果射頻信號由于挑戰性環境、天線尺寸或天線布置而變弱,則此階段可能需要數分鐘的時間。GNSS 接收機通常會嘗試盡快完成首次定位,這會影響初次定位的精度。

顯著縮短 TTFF 的一個好方法是使用輔助 GNSS 服務, 該服務可提供衛星系統的星歷、歷書以及準確的時間和衛星狀態校正數據。輔助 GNSS 有多種形式,包括通過互聯網實時下載或批量下載以供一次使用幾天的輔助數據。U-BLOX 還提供自主模式,在該模式下,GNSS 軌道預測由 GNSS 接收機本身直接計算,無需外部輔助數據或通信。

表中的數據是在良好信號條件 (-130 DBM) 下獲得的。如果射頻信號電平較低,則捕獲時間會延長。良好的天線和精心的天線布置對于獲得最佳結果非常重要。

捕獲階段越短,GNSS 接收機消耗的電力就越少。要從連續通信中獲益,在線輔助是最佳選擇,其次是離線和自主輔助,請記住,自主輔助需要偶爾打開 GNSS 接收機幾秒鐘到一分鐘以便下載星歷數據。

GNSS 接收機和主機 MCU 之間的消息傳輸數量增加了雙方的處理器負載,因此僅傳輸基本消息有助于降低功耗。GNSS 接收機通常提供兩種配置選項:用戶可以選擇應該發送哪些消息和設置連續消息傳遞的更新時間間隔。

另一種降低主機端功耗的方法是讓 GNSS 接收機在開始向主機傳輸數據之前收集一定數量的數據,這稱為數據批處理。由于主機消耗的電力明顯高于 GNSS 接收機,因此從 GNSS 接收機到主機 MCU 的批量數據傳輸可以讓主機盡可能地進入休眠狀態,從而降低功耗(見下圖)。

下表針對適用于前述每組用例的硬件和固件選項提供了指導。提出的建議適用于每個用例的常規實施情況,并概述了產品開發人員優化其跟蹤設備功耗時必須考慮的因素。該指導并非提供明確的建議,而是旨在為與元器件供應商討論時提供一個出發點。僅在考慮目標用例的精確規格后,才能最終確定最佳設置。

循環跟蹤模式和數據批處理可節省大量電力。建立通信后可以下載離線輔助 GNSS 數據,此方式將縮短啟動時間,不過需要備用電池和實時時鐘。對于大多數運動手表來說,使用 TCXO 并同時接收 2 個 GNSS 星座的信號可以兼顧功耗和性能,是最佳的取舍方案。

物流貨物跟蹤器優先考慮長電池壽命而不是定位精度,并將物料清單減少到最低限度,以實現小尺寸和低成本。

隨著越來越多的消費、工業和汽車跟蹤應用開始利用衛星定位,客戶對其解決方案的性能、尺寸、成本和功耗的期望比以往任何時候都高。由于這四個因素密切相關,任何降低功耗的措施都會影響產品的性能。

當今最先進的 GNSS 接收機通常提供多種方法來優化功耗,同時滿足用例特定的性能要求。究竟哪些設計考慮因素和設備配置適用于特定用例,將取決于研發人員如何在這四個相互矛盾的因素之間做出平衡。

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