解析用于可穿戴设备和工业的导航卫星GNSS平台u-blox M10

u-blox 推出了 M10，这是其最新的 GNSS（全球导航卫星系统）平台，完全由内部设计，用于低功耗定位应用。u-blox M10 适用于广泛的应用，例如运动手表或货物和牲畜追踪器，所有这些都具有小尺寸和非常长的电池寿命。

摩天大楼限制了天空的一部分。因此，GNSS 接收器视线范围内的卫星数量（城市峡谷）使得 GNSS 接收器极难锁定轨道上卫星发出的信号足够长的时间以连续定位自身。增加卫星的数量可以产生显着的差异。

新的 M10 u-blox 定位平台可以同时从多达四个 GNSS 星座中获取数据，即使在非常高的建筑物等恶劣环境中也是如此。接收器的 Super-S 技术有助于过滤噪声和区分定位信号。

u-blox AG 定位产品经理 Bernd Heidtmann 在一次 EE Times 采访中强调了 u-blox M10 如何设计为在连续跟踪模式下消耗 12mW，比母公司之前的技术 (M8) 减少了约 5 倍.

“Super-S 技术通过弱信号或小型天线优化功耗和精度。较短的首次定位时间 (TTFF) 可确保低功耗，而弱信号补偿功能可提高定位精度，”Heidtmann 说。

图 1：u-blox M10 和 u-blox M8（来源：u-blox）

全球导航卫星系统平台

卫星定位是一项不可或缺的日常技术。当我们必须去某个地方时，我们现在依靠它。由于硬件和软件电子成本的降低，应用和用例方面有了很大的扩展。我们不断地依赖它——通常甚至没有意识到它。在安全性和新商业模式发展的推动下，精确度的挑战始终是一个重要因素。

欧盟的全球导航卫星系统 Galileo 允许 GNSS 接收器确保卫星信号实际上来自 Galileo 卫星并且未被修改。这种方法使黑客更难以完成他们的“工作”。欧洲 GNSS 星座将是第一个向平民用户提供免费认证导航信息的星座。

Galileo 是欧洲全球导航卫星系统 (GNSS)，旨在为世界各地的用户提供位置、导航和天气信息。与其他 GNSS 系统不同，Galileo 由一个民间机构欧洲航天局 (ESA) 管理，其设计旨在满足不同用户群体的需求。

伽利略卫星部分涉及使用 30 颗卫星（24 颗运行卫星和 6 颗备件），在轨道上的高度超过 23,000 公里。卫星将均匀分布在三个轨道平面上，绕地球运行大约需要 14 小时。

所使用的安全方法包括在 GNSS 导航电文上附加一个加密的认证签名，该签名可用于基于混合对称/非对称密钥方法验证消息。GNSS 数据认证将在高级驾驶辅助系统、自动驾驶或任何数量的风险商业活动中发挥重要作用。

u-blox 硬件

u-blox M10 设计为在连续跟踪模式下消耗 12mW，使其成为电池供电应用的理想选择。u-blox M10 提高的射频灵敏度还缩短了平台在初始化时到达第一个固定位置的时间，即使使用小型天线也能正常工作。

“u-blox M10 芯片尺寸为 4×4 mm，采用 QFN 封装。著名的“MAX”模块外形允许轻松集成，无需外部组件。“ZOE”外形具有与 MAX 和 NEO 模块相同的功能。这就是所谓的打包系统。它具有与 max 模块相同的功能，但只有 20 平方毫米”，Heidtmann 说。

图 2：三个模块，左起：QFN 封装、MAX 模块和 ZOE 外形尺寸（来源：u-blox）

在澳大利亚和德国进行的两项测试表明，即使在大型建筑物可能遮挡信号的恶劣环境中，Super-S 和改进的“Super-E”模式也可以以更低的更新速率进一步降低功率，优化信号所在位置的测量非常低（图 3）。

Super-S 技术解决了工业跟踪和可穿戴用例中遇到的两个常见挑战：GNSS 信号微弱和天线定位不足，以及恶劣天气、天空视野受阻和城市峡谷等因素对到达定位的 GNSS 信号质量产生不利影响接收机，降低定位性能。u-blox Super-S 技术结合了 2 种不同的尺寸来应对这些情况。

GNSS 接收器可以处于两个操作阶段：获取阶段和跟踪阶段。在第一阶段，灵敏度更高，通过获得更高概率的位置和消耗更少的能量来减少采集时间。在下一阶段，目标是保持位置。

图 3：澳大利亚同时接收 4 个 GNSS 的最大位置可用性（来源：u-blox）

图 4：德国的弱信号补偿（来源：u-blox）

“如果你看图片，在图 3 的左侧，你会看到一个 1 和一个 2。在第一个中，您会看到建筑物没有第二个那么高。如果你向右看，你会看到所有这些彩色线条的茎，绿色是真正的路径，真正的位置。然后是黄色的 M8 和蓝色的 M10。对于第一名，您会发现几乎没有区别。他们基本上报告了真实情况。但如果你看第二个，你会发现不同。黄线距离果岭约20米。而蓝线距离果岭约10米。在这种情况下，我们看到在市区深处拥有非常高的建筑物，因此拥有 4 个 GNSS 会有所不同，”Heidtmann 说。

他补充说，“如果你在这个地区，你就看不到每颗卫星，因为建筑物会给你一个阴影。而且，如果你能收听所有四个星座，你就会赶上更多的卫星。然后，当然，这会给你带来好处，因为总是有选择的。因此，接收器将查看所有可用的卫星，然后选择最多 30 个信号进行跟踪。但当然，在这种情况下，你没有 30 个，如果你有 8 个或 9 个，你就很幸运了，”Heidtmann 说

小天线或不良天线位置会导致射频信号强度差。弱信号补偿改变接收器行为以适应这种情况。“驾驶测试表明，位置和速度精度提高了 25% 以上，”Heidtmann 说。

图 5：M10 框图（来源：u-blox）

图 6：u-blox M10 和 M8 比较（来源：u-blox）

u-blox M10 具有先进的欺骗和干扰检测功能。“检测到欺骗和干扰攻击并报告给主机。基于 GNSS 原始数据分析的欺骗检测，以及通过使用经过身份验证的信号 (Galileo OS-NMA) 来缓解欺骗攻击，”Heidtmann 说。

关键应用程序需要知道他们对接收器获取的数据有多大的信心。保护等级描述了最大位置误差并量化了系统的可靠性。此级别受通常影响 GNSS 解决方案的所有误差源的影响。

“例如，如果 GNSS 接收器以 95% 的保护级别为一米来确定其位置，那么报告的位置距离其实际位置一米以上的概率只有 5%，”Heidtmann 说。

与 GNSS（全球导航卫星系统）部门相关的系统和技术创新是一个不断快速发展的过程。GPS 在这些水平上的瞬时精度是为美国国防部保留的，但这引发了创建更可靠的替代系统的竞赛，从而产生了 GNSS（全球导航卫星系统），其中有来自世界多个国家的贡献，例如俄罗斯 GLONASS ，中国的北斗和欧洲的伽利略。伽利略数据有助于在各种环境中定位信标并营救遇险人员。