GNSS 모듈을 사용하여 위치 인식 스마트 시티 솔루션을 만드는 방법

스마트 시티의 위치 인식 서비스(LAS)는 정부 서비스, 운송, 교통 관리, 에너지, 의료, 수도 및 폐기물, 더 안전하고 지속 가능하며 효율적으로 연결된 도시 만들기를 비롯한 다양한 영역에서 배포되고 있습니다. 따라서 이러한 응용 분야에서 주변 장치 간의 거리를 파악해야 하는 경우도 있습니다. 유럽의 Galileo, 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS 및 중국의 BeiDou 항법 위성 시스템을 위한 다중 위성군 글로벌 항법 위성 시스템(GNSS) 수신기를 사용하는 위치 기반 기능에 대한 수요가 LAS 응용 분야에서 증가하고 있습니다. 다중 위성군 GNSS 수신기 사용의 이점에는 위치, 탐색, 타이밍(PNT) 신호의 가용성 향상, 정확성 및 무결성 개선, 견고성 향상 등이 있습니다. 하지만 다중 위성군 수신기 개발은 복잡하고 시간이 많이 소요되는 작업입니다.

이 기사에서는 위치 인식 스마트 시티 응용 제품을 효과적이고 비용 효율적으로 개발하기 위해 u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales 및 Arduino의 GNSS 플랫폼 및 개발 환경을 제공하기 이전에 다중 위성군 GNSS 수신기를 사용할 때 고려해야 할 중요한 시스템 설계 요소를 검토합니다.

GNSS 기술의 향상, 특히 전력 요구 사항의 축소가 스마트 시티 응용 제품에서 GNSS의 사용 증가와 LAS 확산에 중요한 역할을 했습니다. GNSS 수신기의 전력 소비가 2010년의 120mW에서 2020년에 25mW로 감소했습니다(그림 1). 실제로 GNSS 수신기의 전력 수요는 대부분의 다른 LAS 시스템 부품에서보다 더 빠르게 감소했습니다. 이전 GNSS 기술은 다른 시스템 요소에 비해 많은 전력을 소비했습니다. 오늘날 GNSS에 필요한 전력이 전체 전력 예산에서 차지하는 비율은 한 자릿수에 불과합니다.

그림 1: GNSS 수신기의 전력 소비가 2010년의 120mW에서 2020년에 25mW로 감소했습니다. (이미지 출처: u-blox)

전력 소비 과제

GNSS 수신기의 전력 소비가 크게 감소했지만, 전력 대비 성능이 최적인 솔루션을 얻기 위한 복잡성은 크게 증가했습니다. 모든 LAS 설계에서 지속적인 GNSS 위치 예측이나 높은 수준의 위치 정확성이 요구되는 것은 아닙니다. 설계자는 하드웨어 최적화, 펌웨어 기반 접근 방식을 비롯하여 GNSS 성능과 전력 소비를 최적화할 수 있는 다양한 도구가 있습니다.

저전력 부품, 특히 저잡음 RF 증폭기(LNA), 발진기 및 실시간 클록(RTC)을 사용하는 것이 에너지 효율적인 GNSS 솔루션을 개발하는 첫 번째 단계입니다. 능동 소자 안테나와 수동 소자 안테나 중에서 선택하는 것이 좋은 예입니다. 수동 소자 안테나는 비용은 낮고 효율성은 높지만 모든 응용 분야의 요구 사항을 충족하지 못합니다. 능동 소자 안테나는 도심속, 건물 안 또는 신호 강도가 약한 기타 위치에서 좋은 선택 옵션이 됩니다. 능동 소자 안테나의 LNA는 약한 신호를 수신하는 성능을 획기적으로 개선하지만 많은 양의 전력을 소비합니다. 전력 소비는 중요하지만 안테나 크기는 중요하지 않은 경우 더 큰 수동 소자 안테나는 더 작은 능동 소자 안테나와 동일한 성능을 제공하지만 위치 가용성과 정확도 수준이 향상될 수 있습니다.

대부분의 GNSS 수신기는 10Hz 이상의 업데이트 속도를 제공하지만, 대부분의 LAS 응용 제품은 훨씬 느리고 전력 소비가 적은 업데이트 속도에서 잘 작동합니다. 최적의 업데이트 속도를 선택하면 전력 소비에 가장 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 하드웨어 기반 고려 사항 외에도 설계자는 전력 소비를 최적화할 때 업데이트 속도, 동시에 추적되는 GNSS 위성군 수, 보조 GNSS, 다양한 절전 모드 등 다양한 펌웨어 도구를 사용할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 가장 효율적인 하드웨어 솔루션을 사용하는 외에도 설계자는 다양한 펌웨어 도구를 사용하여 GNSS 성능과 에너지 소비를 최적화할 수 있습니다. (이미지 출처: u-blox)

까다로운 환경에서 여러 GNSS 위성군을 동시에 추적해야 할 수 있습니다. 다양한 대역을 사용하여 신호를 수신하면 강력한 위치 결정을 보장할 수 있지만 전력 소비도 증가합니다. 구체적인 운영 환경, 특히 스카이 뷰를 여는 방법을 이해하고 특정 LAS 응용 제품의 요구 사항을 지원하는 데 필요한 최소 수의 GNSS 신호를 사용해야 합니다.

GNSS 기능을 끄면 가장 많은 에너지가 절약되지만 기능을 켤 때마다 저온 시동이 수행됩니다. 저온 시동을 위한 최초 보정 시간(TTFF)은 GNSS 신호의 가용성과 강도, 안테나의 크기와 배치에 따라 30초 이상 걸릴 수 있습니다. 보조 GNSS는 TTFF를 줄이면서 정확한 정보를 제공할 수 있습니다. 현재 및 예상 위상 위치와 타이밍 파라미터('천문력 데이터'라고 함), 연감, 인터넷을 통해 실시간 또는 최대 며칠 간격으로 다운로드되는 위성 시스템에 대한 정확한 시간 및 위성 상태 보정 데이터 등 다양한 방식으로 보조 GNSS를 구현할 수 있습니다. 일부 GNSS 수신기는 GNSS 궤도 예측을 내부적으로 계산하는 자율 모드를 지원하므로 외부 데이터 및 연결 요구 사항이 없습니다. 하지만 자율 모드를 사용하면 수신기를 주기적으로 켜서 현재 천문력 데이터를 다운로드해야 할 수 있습니다.

절전 모드

보조 GNSS와 같은 연결 옵션 외에도 설계자는 많은 GNSS 수신기에서 업데이트 속도와 전력 소비를 다양하게 조율할 수 있습니다(예: 지속적 추적, 주기적 추적, on/off 작업, 스냅샷 포지셔닝 등)(그림 3). 최적의 추적 모드를 선택하는 것은 특정 응용 제품의 성능을 정의할 때 다른 중요한 고려 사항입니다. 작동 조건이 변경되어 최적 절전 모드를 사용할 수 없을 경우 시스템이 다음 최대 절전 모드로 자동으로 전환되어 지속적인 기능이 보장됩니다.

그림 3: GNSS 시스템 성능을 최적화하는 데 필요한 업데이트 속도와 절전 작동 모드가 일치해야 합니다. (이미지 출처: u-blox)

지속적 추적은 초당 업데이트 수 요구 사항이 낮은 응용 분야에 적합합니다. GNSS 수신기는 이 모드에서 위치를 수집하고, 위치를 수정하고, 연감 및 천문력 데이터를 다운로드한 다음 추적 모드로 전환하여 전력 소비를 줄입니다.

주기적 추적은 몇 초 간격으로 위치 업데이트를 수행하며 신호 및/또는 안테나가 필요에 따라 위치 신호에 접근하는 데 충분한 강도일 때 유용합니다. 추적에서 새로운 위성을 취합할 필요가 없을 경우 더 큰 전력을 절감할 수 있습니다.

On/Off 작업은 취득/추적 활동과 절전 모드 간 전환을 포함합니다. 절전 시간은 일반적으로 몇 분 정도이며 on/off 작업에서 TTFF를 최소화하려면 강력한 GNSS 신호가 필요하므로 각 절전 기간 이후에 전력 소비를 최소화해야 합니다.

스냅샷 포지셔닝에서는 로컬 신호 처리를 위한 GNSS 수신기와 더 컴퓨팅 집약적인 위치 예측 처리를 위한 클라우드 컴퓨팅 리소스를 결합하여 전력을 절약합니다. 인터넷 연결을 사용할 수 있는 경우 스냅샷 포지셔닝에서 GNSS 수신기 전력 소비를 1/10로 줄일 수 있습니다. 이 솔루션은 매일 몇 번만 위치를 업데이트하면 되는 경우에 효과적인 절전 전략입니다.

내장형 안테나는 GNSS 강화를 지원합니다.

설계자는 GPS, Galileo 및 GLONASS GNSS 신호를 동시에 수신하는 것이 유리한 시스템에 대해 u-blox의 SAM-M8Q 패치 안테나 모듈로 전환할 수 있습니다(그림 4). 한 번에 세 위성군을 사용하여 약한 신호를 수신할 때나 도심속과 같은 까다로운 환경에서 위치 정확도가 높아집니다. 빠르게 포지셔닝하고 정확도를 개선하기 위해 SAM-M8Q는 quasi-zenith 위성 시스템(QZSS), GPS 지원 GEO 증강 항법(GAGAN), 실내 메시징 시스템(IMES), 광역 증강 시스템(WAAS), 유럽 정지 항법 오버레이 시스템(EGNOS), MTSAT 위성 증강 시스템(MSAS)을 비롯한 증강 기능을 지원합니다.

그림 4: SAM-M8Q 모듈은 최대 3개 GNSS 소스(GPS, Galileo, GLONASS)에 대한 동시 수신을 지원합니다. (이미지 출처: u-blox)

또한 SAM-M8Q 모듈은 천문력 데이터, 연감, 시간 또는 대략적 위치를 비롯한 GNSS 동보 통신 파라미터를 제공하는 u-blox AssistNow 지원 서비스를 사용하여 TTFF를 크게 줄일 수 있습니다. AssistNow 오프라인 데이터(최대 35일) 및 AssistNow 자율 데이터(최대 3일)의 유효성이 연장되어 연장된 시간이 경과한 이후에도 빠른 TTFF를 지원합니다.

이 사물 인터넷(IoT) Google 클라우드 개발 플랫폼은 PIC MCU 기반 응용 제품을 간편하게 연결하고 보안을 확보할 수 있는 방법을 제공합니다. MikroElektronika의 GNSS 4 click은 SAM-M8Q 모듈을 포함하며 LAS 스마트 시티 응용 제품 개발을 가속화하기 위해 Microchip Technology의 PIC®-IoT WG 개발 기판을 사용하여 설계되었습니다(그림 5). PIC-IoT WG 개발 기판은 Google Cloud IoT 사용자에게 클라우드 연결 응용 제품의 개발을 가속화할 수 있는 방법을 제공합니다. 또한 PIC-IoT WG 기판은 설계자에게 분석 및 기계 학습 도구를 제공합니다.

그림 5: GNSS 4 click 기판은 u-blox의 SAM-M8Q 패치 안테나 모듈을 전달합니다. (이미지 출처: DigiKey)

다중 위성군 GNSS 및 무선 연결

Rel. 14초 생성 Cat. M1/NB1/NB2를 활용하여 단일 모듈에서 다중 위성군 GNSS 지원(GPS/Galileo/GLONASS) 및 글로벌 LPWAN LTE 연결을 활용할 수 있는 추적기와 같은 소형 LAS 장치의 경우 설계자는 Thales의 Cinterion TX62 모듈로 전환할 수 있습니다(그림 6). 호스트 프로세서를 사용하거나 통합 프로세서를 사용하여 모듈 내에서 실행 중인 응용 제품을 지원하는 모듈의 유연한 아키텍처를 사용하여 솔루션 크기를 최적화할 수 있습니다. TX62는 전력에 민감한 응용 제품을 위해 3GPP 절전 모드(PSM) 및 확장된 불연속 수신(eDRx)을 지원합니다. PSM 절전 시간이 eDRX보다 훨씬 긴 경향이 있습니다. 긴 절전 시간으로 인해 장치가 eDRX보다 더 깊고 작은 절전 모드로 전환될 수 있습니다. PSM 절전 전력은 10마이크로암페어 미만이고, eDRX 전절 전력은 최대 30 마이크로암페어입니다.

그림 6: TX62 IoT 모듈은 LTE-M, NB1 및 NB2 통신 및 다중 위성군 GNSS를 지원합니다. (이미지 출처: Thales)

TX62 보안 기능에는 장치와 데이터를 보호하면서 제조 중에 TX62의 루트에 미리 통합된 신뢰할 수 있는 ID와 클라우드 플랫폼의 신뢰할 수 있는 등록을 지원하기 위한 보안 키 저장소 및 인증서 처리가 포함됩니다. 필요한 경우 설계자는 물류 및 제조 공정을 간소화하고 동적 구독 업데이트 및 원격 프로비저닝을 통해 현장에서 유연성을 개선할 수 있는 선택적 통합 eSIM을 지정할 수 있습니다.

Arduino Portenta H7 응용 제품에서는 Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield를 사용하여 LAS를 간단하게 개발할 수 있습니다(그림 7). 이 실드는 Portenta H7의 에지 컴퓨팅 기능을 TX62의 연결과 결합하여 산업, 농업, 공공설비 및 기타 영역과 스마트 시티 응용 분야에서 LAS 자산 추적 및 원격 모니터링을 개발할 수 있습니다. 기본 Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield에는 GSM/UMTS 안테나가 포함되어 있지 않습니다. 호환되는 안테나를 검색하는 대신 설계자는 Arduino 쌍극 5대역 방수 안테나를 사용할 수 있습니다.

그림 7: Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shield에는 TX62-W IoT 모듈(큰 노란색 사각형)이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Arduino)

Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shield의 추가적인 이점은 다음과 같습니다.

• 기판을 변경하지 않고 연결 변경 가능
• 포지셔닝 및 NB-IoT, CAT.M1 Portenta 기반 설계 포지셔닝 추가
• IoT 장치의 통신 대역폭 요구 사항 크게 감소
• 66mm x 25.4mm 콤팩트 형식
• -40°C ~ +85°C(-104°F ~ 185°F) 작동

요약

저전력 고성능 GNSS 기술의 발전으로 LAS 스마트 시티 응용 분야의 성장이 촉진되고 있습니다. 하지만 가장 에너지 효율적인 하드웨어를 사용하는 것은 시작점에 불과하며, 최적의 에너지 효율적인 솔루션으로 도착하도록 펌웨어를 최적화하는 것도 못지 않게 중요합니다. 하드웨어와 펌웨어를 다양하게 조합하여 GNSS 기반 LAS 응용 제품을 개발할 수 있으며, 설계자는 개발 공정을 가속화하기 위해 다양한 평가 도구로 전환할 수 있습니다.