И.Ю.САМКОВ Московское конструкторское бюро ”Компас” ПРОГРАММНЫЕ МОДУЛИ ДЛЯ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ Рассматриваются особенности применения программных навигационных модулей ГНСС, предлагаются методы оптимизации функционирования системы при использовании программных навигационных модулей. В настоящее время задача определения координат и прокладки маршрутов с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), включая GPS, ГЛОНАСС и Gallileo, является актуальной для множества устройств потребительской электроники. Применение ГНСС давно уже не ограничено использованием в транспорте, в геодезической оснастке, судоходстве или в дорогостоящих системах позиционирования – всё больше становится на рынке электронных систем с поддержкой ГНСС, таких как телефоны, PDA (Personal Digital Assistant), PND (Personal Navigation Devices), фотоаппараты и наручные часы. Аппаратные ГНСС-модули являются достаточно дорогостоящими. Т.к. в большинстве изделий широкого потребления спутниковая навигация является не основной, а дополнительной функцией, то высокая стоимость в этом случае не удовлетворяет интересам рынка. При использовании программного ГНСС-модуля становится возможным наделять навигационными способностями широкий круг изделий, включая мобильные телефоны и плееры. К тому же практически все эти устройства уже содержат цветной ЖК-дисплей, который удобно использовать для вывода навигационной информации. При чисто-программной обработке сигналов ГНСС есть множество архитектурных и детальных решений, которые сильно влияют на чувствительность, быстродействие, точность позиционирования и мощность потребления. Выгода гибкости архитектуры ПО заключается в том, что можно достичь более высокого уровня технических характеристик (например повышенной точности позиционирования при малом количестве спутников) за меньшую цену, чем при использовании аппаратных модулей. По причинам цены и быстродействия большая часть алгоритмов обработки сигнала приёмника традиционно осуществляется ГНСС коррелятором, используя или реальный коррелятор, или ядро цифрового сигнального процессора (DSP), эмулирующее функции параллельного коррелятора. Поворот к внедрению ГНСС в продукты потребительской электроники меняет уравнение рентабельности инвестиций в сторону выбора наиболее эффективного метода внедрения ГНСС. В программной архитектуре (см. рис.1) задача обработки сигнала переносится на главный процессор (аналогично программному модему, повсеместно используемому в ПК). NAND flash Малошумящий Генератор TXCO усилитель Приёмник ГЛОНАСС/ GPS с цифровым выходом Навигационные данные SPI Управление PDA/PND контроллер (СнК) SDRAM Flash media Цветной ЖК дисплей Аудио Клавиатура SD-card Рис.2. Архитектура с программным навигационным модулем. Обработку ГНСС сигналов в исключительно навигационных устройствах выполняет обычно не главный процессор, т.к. цена процессорных циклов значительно выше цены эквивалентного числа вентилей, используемых в заказной БИС (ASIC) для ГНСС-обработки. Но в современных телефонах мощный хост-процессор уже является частью большой архитектуры и должен удовлетворять увеличению спроса на мультимедиа-сервисы; такой процессор должен иметь достаточную производительность для декодирования потоковой аудиои видеоинформации. К тому же когда эти сервисы не используются, процессор переходит в спящий режим, и готов для выполнения других задач. До недавнего времени производительности главного процессора в подобных устройствах не хватало для осуществления программного ГНССмодуля. Однако сейчас хост-процессор уже способен поддерживать обработку сигналов ГНСС, что снижает стоимость введения этой функции в широкий спектр потребительских электронных устройств. В перспективе, программно-реализованные навигационные модули будут добавлять к стоимости основной системы примерно $3 (в два раза меньше, чем аппаратные модули) [1]. Т.к. программные ГНСС-модули используют незадействованные другими приложениями процессорные циклы, то это накладывает на разработчиков ПО задачу оптимизации ВЧ-обработки. От инженеров- программистов не требуется обязательно заново изобретать алгоритмы обработки сигналов, на рынке присутствует уже готовый и отлаженный софт для сигнальной ГНСС обработки (особенно это актуально для GPS). Основная задача оптимизатора – суметь наилучшим образом внедрить программный ГНСС-модуль в конкретную разработку. Главным образом оптимизация направлена на обеспечение производительности и точности при наихудших условиях, минимизацию потребляемой мощности и сохранение архитектурной гибкости. Вместо того чтобы постоянно поддерживать высокую точность на фиксированном значении (как при непрерывной навигации), можно использовать несколько рекомендаций, которые помогают снизить общую нагрузку на процессор: Ограничение количества спутников в режиме сопровождения (чем меньше спутников, тем меньше циклов процессора требуется на сопровождение). Усреднение и фильтрация данных (уменьшает количество ошибок). Уменьшение интенсивности определения местоположения (для многих носимых устройств вместо стандартной скорости фиксации положения 1раз/с достаточно скорости 1раз/10с). Использование незадействованных циклов процессора для повышения точности. Выбор приёмника, который способен выдавать данные в виде квадратурных составляющих I и Q (что облегчает работу процессора). Применение алгоритмов экстраполяции и интерполяции (создание инерциальных систем помогает при потере сигнала, но полезно для случаев, где маловероятно отклонение от траектории). Использование высокопроизводительных процессоров. Стоит отметить, что $3 это лишь стартовая цена программных ГНССмодулей, и значит максимальная. Если ПО уже однажды разработано, оно больше не требует вложения капитала. При низкой цене ГНСС станет функцией, которая может быть внедрена практически в любое электронное изделие. Список литературы: [1]. M.Lomer “Reviewing GNSS Basics For Software Engineers”, Microwave&RF, May 2008. [2]. “Get the picture?”, GPS World, March 2008. [3]. D.Manandhar, R.Shibasaki, "Software-based GPS receiver a research and simulation tool for global navigation satellite system”, Center for Spatial Information Science, The University of Tokyo, 2004