포지셔닝 다중 위성군 GNSS 모듈을 빠르게 구현하는 방법

유럽의 Galileo, 미국의 위성 항법 장치(GPS), 러시아의 GLONASS, 중국의 BeiDou 위성 항법 장치, 일본의 QZSS를 위한 다중 위성군 글로벌 위성 항법 시스템(GNSS) 수신기를 사용한 위치 기반 기능의 사용이 로봇 공학, 자율 차량, 산업 자동화, 물류 및 자산 추적, 드론, 농업 및 중장비 건설 장비 분야 등 다양한 범위에서 증가하고 있습니다. 다중 위성군 GNSS 수신기 사용의 이점에는 위치, 탐색, 타이밍(PNT) 신호의 가용성 향상, 정확성 및 무결성 개선, 응용 제품의 견고성 향상 등이 있습니다.

그러나 다중 위성군 수신기를 개발하는 것은 무선 주파수(RF) 프런트 엔드 설계, 다양한 PNT 신호에 대한 보정 획득, 추적 및 적용하기 위한 기저대역 신호 처리 알고리즘의 통합, 기저대역의 각 채널에서 PNT 데이터를 추출하고 시스템 기능을 구현하기 위해 정보를 사용하는 응용 처리 소프트웨어의 코딩 등 복잡하고 시간 소모적인 일입니다. 설계자는 또한 적절한 안테나를 선택하고 올바르게 배치해야 합니다.

그 대신 설계자는 사전 엔지니어링된 GNSS 모듈 및 개발 환경으로 전환하여 위치 기능을 시스템에 빠르고 효율적으로 통합할 수 있습니다. 이러한 GNSS 모듈에는 응용 처리 소프트웨어 개발을 가속화하기 위한 RF 프런트 엔드, 기저대역 처리 및 내장형 펌웨어가 포함됩니다. 일부 GNSS 모듈에는 안테나도 포함되어 있습니다.

이 기사에서는 GNSS, PNT의 기본 사항과 다중 위성군 GNSS 수신기의 작동에 대해 알아봅니다. 그런 다음 통합 안테나가 있거나 없는 여러 GNSS 모듈을 소개하기 전에 안테나를 GNSS 모듈에 통합할 때의 장단점과 설계자가 정확하고 강력한 위치 기반 응용 제품을 효율적이고 비용 효율적으로 개발에 적용할 수 있는 STMicroelectronics, Septentrio 및 Würth Elektronik의 평가 기판을 살펴봅니다.

GNSS와 PNT는 무엇입니까?

GNSS와 PNT는 밀접하게 관련된 개념입니다. GNSS 위성은 PNT 신호의 가장 일반적인 소스입니다. GNSS 위성은 본질적으로 PNT 정보를 지속적으로 동보 통신하는 매우 정밀한 동기화된 클록입니다. GNSS 모듈은 주어진 위성에서 PNT 신호를 수신하고 이 위성으로부터의 거리를 계산합니다. 수신기가 최소 4개의 위성까지의 거리를 파악하는 경우, 자신의 위치를 ​​추정할 수 있습니다. 그러나 위치 추정의 정확도는 다음을 포함한 다양한 오류 소스의 영향을 받습니다.

• GNSS 위성에서 시간 측정 회로망의 클록 드리프트
• GNSS 위성에 대한 정확한 궤도 위치 예측의 부정확성
• 다른 위성에 대한 전체 위성 장비의 일반적인 성능 드리프트(위성 편향이라고도 함)
• 전리층과 대류권을 통과할 때 발생하는 신호 전달의 왜곡 및 지연
• 다중 경로 반사 및 수신기의 가변적 성능 및 드리프트

설계자가 위성 기반 및 대기 GNSS 오류를 보정하는 데 사용할 수 있는 다양한 기술이 있습니다.

GNSS 성능 개선

GNSS 수신기에서 발생하는 오류의 영향을 최소화하는 가장 좋은 방법은 주어진 응용 제품의 비용 및 크기 제약 조건과 일치하는 고성능 수신기를 사용하는 것입니다. 그러나 고성능 수신기도 완벽하지는 않지만, 성능이 향상될 가능성은 매우 높습니다. 이러한 보정법은 다양한 성능을 제공하고 일부 GNSS 모듈은 모든 기능을 구현하지 못할 수 있으므로, 이러한 보정법을 이해하는 것이 중요합니다.

지상 기준국은 여러 GNSS 보정법에서 사용됩니다(그림 1). 지상 기준국을 사용하여 수신기에 GNSS 보정을 제공하는 가장 확실한 방법은 실시간 이동 측위(RTK) 및 정밀 절대 측위(PPP)이며, 최근에는 하이브리드 RTK-PPP 방법을 사용할 수 있게 되었습니다.

그림 1: GNSS 사용자 수신기는 기준 네트워크에서 대기, 클록 및 궤도 오류 정보를 얻어 위치 정확도를 향상시킬 수 있습니다. (이미지 출처: Septentrio)

RTK는 대부분의 GNSS 오류를 제거할 수 있는 보정 데이터를 얻기 위해 단일 기지국 또는 로컬 참조 네트워크에 의존합니다. RTK는 기지국과 수신기가 최대 40km 또는 25마일 이내로 서로 매우 근접하여 위치하므로 동일한 오류가 발생한다고 가정합니다. 후처리 이동 측위 또는 PPK는 RTK의 변형이며, 고정밀 위치 데이터 또는 센티미터 수준의 정확도를 얻기 위해 측량 및 매핑 분야에서 널리 사용됩니다.

PPP 보정에는 위성 궤도 및 클록 오류만 사용됩니다. 이러한 위성별 오류는 사용자의 위치와 무관하므로, 필요한 기준국의 숫자가 줄어듭니다. 그러나 PPP는 대기 오류를 처리하지 않으므로 정확도가 RTK보다 낮습니다. 또한 PPP 보정의 초기화 시간은 약 20분입니다. 더 긴 초기화 시간과 낮은 정밀도로 인해 PPP는 많은 응용 제품에서 실용적이지 않습니다.

RTK에 가까운 정확도와 빠른 초기화 시간이 필요한 응용 제품은 주로 최신 GNSS 보정 서비스인 RTK-PPP(상태 공간 표현(SSR)이라고도 함)를 사용합니다. GNSS 데이터를 수집하고 위성 및 대기 보정의 조합을 계산하는 약 100km(65마일) 간격의 스테이션이 있는 기준 네트워크를 사용합니다. 기준 네트워크는 인터넷, 위성 또는 휴대 전화 네트워크를 이용하여 가입자에게 보정 데이터를 보냅니다. RTK-PPP 방식을 사용하는 GNSS 수신기는 서브데시미터 미만의 정확도를 가질 수 있습니다. RTK, PPP 및 RTK-PPP 보정법을 선택하려면 개발자가 특정 응용 제품 프로필에 대한 최적의 솔루션을 선택하기 위해 검토해야 하는 일련의 설계 절충안이 필요합니다(그림 2).

그림 2: 세 가지 일반적인 GNSS 보정법의 장단점. (이미지 출처: Septentrio)

위성 기반 보정 시스템(SBAS)이 지역별로 사용 가능하게 되면서 RTK, PPP 및 RTK-PPP 지상국 기반의 보정법을 대체하고 있습니다. SBAS는 여전히 지상국을 사용하여 GNSS 오류를 측정하지만 그 관측소는 전체 대륙에 걸쳐 있습니다. 측정된 오류는 중앙 위치에서 처리되는데, 여기에서 보정이 계산되고 해당하는 지역에 걸쳐 지구 동기 위성으로 전송됩니다. 보정 데이터는 기존 GNSS 데이터에 대한 오버레이 또는 증강으로 위성에서 동보 통신됩니다.

GNSS 정확도는 위성 측정 및 관련한 보정의 가용성과 정확도에 따라 다릅니다. 고성능 GNSS 수신기는 여러 주파수에서 GNSS 신호를 추적하고, 여러 GNSS 위성군과 다양한 보정법을 사용하여 필요한 정확도와 복원력을 제공합니다. 이러한 이중화로 일부 위성 측정 및 데이터에 간섭이 발생하더라도 안정적인 성능을 얻을 수 있습니다. 설계자는 다양한 GNSS 정확도 및 이중화 기능 중에서 선택할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: GNSS 정확도 등급과 각 등급에 해당하는 보정법 및 응용 분야 (이미지 출처: Septentrio)

GNSS 모듈: 통합 안테나와 외부 안테나

다중 위성 항법의 복잡성으로 인해, 다양한 제공업체로부터 출시 기간을 단축하고 비용을 절감하며 성능을 보장하는 데 도움이 되는 모듈을 선택하여 사용할 수 있습니다. 즉, 설계자는 내부 안테나를 사용할지 또는 GNSS 모듈의 외부 안테나를 선택할지 고려해야 합니다. 시장 출시 기간과 비용이 우선시되는 응용 제품의 경우 엔지니어링이 훨씬 적게 소요되므로 통합 안테나가 보다 적합할 수 있습니다. FCC 또는 CE 인증이 필요한 응용 제품의 경우 안테나가 통합된 모듈을 사용하면 승인 과정을 가속화할 수도 있습니다. 그러나 솔루션 크기가 증가할 수 있으며 통합 안테나 솔루션을 사용하면 유연성이 제한될 수 있습니다.

외부 안테나는 설계자에게 광범위한 성능 및 레이아웃 옵션을 제공합니다. 대형 고성능 안테나 또는 더 작고 성능이 낮은 안테나를 선택할 수 있습니다. 또한 안테나 배치는 GNSS 모듈의 위치에 비해 더 유연하여 설계의 유연성을 더욱 향상시킵니다. 또한 배치 유연성으로 인해 외부 안테나가 보다 안정적인 GNSS 작동을 제공할 수 있습니다. 그러나 안테나 배치 및 연결 라우팅은 복잡하고 시간이 많이 소요되는 과정일 수 있으며 특정 전문 지식이 필요하므로 잠재적으로 비용이 증가하고 출시 기간이 길어질 수 있습니다.

공간 제약적인 설계를 위한 초소형 GNSS 모듈

안테나 배치 및 라우팅에 필요한 전문 지식을 갖춘 설계 팀은 외부 안테나를 사용하는 다중 위성군(GPS/Galileo/GLONASS/BeiDou/QZSS) GNSS 모듈인 STMicroelectronics의 Teseo-LIV3F를 사용할 수 있습니다(그림 4). 이 모듈은 9.7mm x 10.1mm 크기의 LCC-18 패키지로, 1.5m의 원형 공산 오차(CEP) 위치 정확도와 함께 GPS, GLONASS에 대해 각각 32초 및 1.5초 미만의 콜드 및 핫 스타트를 위한 초기 위치 산출 시간(TTFF)을 제공합니다. 대기 전력 소비는 17μW이고 추적 전력 소비는 75mW입니다.

그림 4: Tesco-LIV3F GNSS 모듈에는 GNSS 코어 및 서브 시스템, 필요한 모든 연결 및 전력 관리가 9.7mm x 10.1mm 크기의 패키지에 포함되어 있으며, 외부 안테나가 필요합니다. (이미지 출처, STMicroelectronics)

Tesco-LIV3F의 온보드 26MHz 온도 보정형 수정 발진기(TCXO)는 높은 정확도를 보장하고 전용 32kHz 실시간 클록(RTC) 발진기는 초기 위치 산출 시간(TTFF)을 단축합니다. 데이터 로깅, 7일 자율 지원 GNSS, 펌웨어(FW) 재구성 및 FW 업그레이드와 같은 기능이 내장된 16Mbit 플래시 메모리에서 제공됩니다.

Tesco-LIV3F에 적합한 응용 분야에는 보험, 물류, 드론, 통행료, 도난 방지 시스템, 사람 및 애완 동물 위치 추적, 차량 추적 및 긴급 전화가 포함됩니다.

사전 인증된 솔루션인 Teseo-LIV3F 모듈을 사용하면 최종 응용 제품 출시 기간을 단축할 수 있습니다. 이 제품은 -40°C ~ +85°C의 작동 온도 범위를 가집니다.

모듈을 경험하고 응용 제품의 개발을 가속화하기 위해 설계자는 AEK-COM-GNSST31 평가 기판을 사용할 수 있습니다. X-CUBE-GNSS1 펌웨어와 함께 사용되는 경우 평가 패키지는 외부 메모리 지원 없이 수집, 추적, 탐색 및 데이터 출력 기능을 지원할 수 있습니다. 또한 이 EVB는 자동차 응용 제품을 개발하기 위한 SPC5 마이크로 컨트롤러와 함께 사용하도록 설계되었습니다.

간섭 완화 기능이 있는 GNSS 모듈

Septentrio의 410322 mosaic-X5 다중 위성군 GNSS 수신기는 31mm x 31mm x 4mm 크기의 저전력 표면 실장 모듈로 설계자에게 4개의 UART, 이더넷, USB, SDIO 및 2개의 사용자 프로그래밍 가능 GPIO를 포함한 다양한 인터페이스를 제공합니다.

로봇 공학, 자율 시스템 및 기타 대량 판매 시장 응용 제품에 사용하도록 설계된 mosaic-X5는 100Hz의 업데이트 속도, 10ms 미만의 대기 시간, 각각 0.6cm 및 1cm의 수직 및 수평 RTK 위치 정확도가 특징입니다. 모든 GNSS 위성군을 추적하여 현재 및 미래의 신호를 지원하며, PPP, SSR, RTK 및 SBAS 수정 버전과 호환됩니다. 모듈의 TTFF는 콜드 스타트의 경우 45초 미만이며 웜 스타트는 20초 미만입니다.

mosaic-X5는 단순한 협대역 연속 신호에서 복잡한 광대역 및 펄스 전파 방해 장비에 이르기까지 다양한 간섭을 억제할 수 있는 Septentrio의 AIM+ 온보드 간섭 완화 기술을 비롯한 다양한 특허 기술을 갖추고 있습니다.

모듈의 인터페이스, 명령 및 데이터 메시지는 모두 문서화되어 있습니다. 함께 제공되는 RxTools 소프트웨어를 통해 수신기 구성 및 모니터링은 물론 데이터 로깅 및 분석을 수행할 수 있습니다.

Septentrio의 410331P3161 mosaic-X5 개발 키트를 통해 설계자는 mosaic-X5의 기능을 최대한 활용하는 시제품을 탐색, 평가 및 개발할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 설계자는 이더넷, COM 포트 또는 USB 2.0을 포함한 다양한 연결을 사용하거나 SD 메모리 카드를 사용하여 410331P3161 mosaic-X5 개발 키트를 통해 시제품을 만들 수 있습니다. (이미지 출처: Septentrio)

이 키트는 손쉬운 작동과 모니터링을 지원하기 위한 mosaic-X5의 직관적인 웹 사용자 인터페이스를 사용하므로 설계자는 모든 모바일 장치 또는 컴퓨터에서 수신기 모듈을 제어할 수 있습니다. 웹 인터페이스는 읽기 쉬운 품질 표시기를 사용하여 수신기 작동을 모니터링합니다.

설계자는 이더넷, COM 포트, USB 2.0, SD 메모리 카드 중 하나의 연결을 사용하여 mosaic 개발 키트를 통합하여 시제품을 만들 수 있습니다.

안테나가 통합된 GNSS 모듈

통합 안테나가 있는 GNSS 모듈을 사용하여 이점을 얻을 수 있는 응용 제품 설계자를 위해 Würth Elektronik은 고성능 단일 칩 시스템(SoC)이 포함된 2614011037000 Erinome-I 모듈을 제공합니다(그림 6). 이 모듈은 GPS, GLONASS, Galileo 및 BeiDou GNSS 배치를 지원하며 하드웨어 통합을 단순화하고 통합된 안테나가 상단에 함께 제공되어 출시 기간이 단축됩니다. 통합 안테나를 포함한 모듈의 크기는 18mm x 18mm입니다.

그림 6: 2614011037000 Erinome-I는 고성능 GNSS SoC와 안테나가 통합된 완전한 GNSS 모듈입니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

또한 이 모듈에는 TCXO, RF 필터, 저잡음 증폭기(LNA) 및 직렬 플래시 메모리가 포함됩니다.

Würth에서 Erinome-I용 2614019037001 평가 기판(EVB)도 제공합니다(그림 7). EVB는 응용 제품에서 GNSS 모듈을 통합하기 위한 참조 설계 역할도 할 수 있습니다. USB 포트를 사용하여 EVB를 PC에 연결할 수 있습니다. 다중 핀 커넥터를 통해 설계자는 GNSS 모듈의 모든 핀에 액세스할 수 있습니다.

그림 7: Erinome-I용 평가 기판 2614019037001(기판 중앙 부근, 내장 안테나가 모듈 중앙에 표시됨)도 참조 설계 역할을 합니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

Würth Elektronik 네비게이션 및 위성 소프트웨어(WENSS)는 UART 인터페이스를 사용하여 Erinome-I GNSS 모듈과 상호 작용하는 간단한 PC 도구로, 다음을 지원합니다.

• EVB 작동 제어
• Erinome-I 모듈과의 양방향 통신
• Erinome-I 기능 및 성능 평가
• Erinome-I 프로토콜, 문장 및 명령 익히기
• 프로토콜에 대한 지식 없이 Erinome-I 구성
• Erinome-I에서 사용하는 문장 및 명령 구문 분석

WENSS를 사용하면 고급 지식이 없이도 포지셔닝 응용 제품을 쉽게 평가할 수 있습니다. 숙련된 개발자는 고급 구성을 위해 WENSS를 사용할 수도 있습니다.

결론

정확하고 신뢰할 수 있는 위치 추적 기능을 달성하는 가장 좋은 방법은 관련한 보정 기술의 지원과 함께 다양한 배치를 사용하는 것입니다. 이는 복잡한 시스템이지만 설계자는 사전 엔지니어링된 GNSS 모듈, 관련 개발 키트 및 환경으로 전환하여 옵션을 빠르고 효율적으로 비교하며 위치 기반 기능 및 서비스를 구현할 수 있습니다.

권장 참고 자료

1. Use IMUs for Precise Location Data When GPS Won’t Suffice(GPS가 충분하지 않을 때 정확한 위치 데이터를 얻기 위해 IMU 사용)
2. 정밀한 위치를 위한 IMU: 2부 - 정밀도 향상을 위한 IMU 소프트웨어 사용 방법