Экспериментальная архитектура GPS-трекеров позволяет снизить энергопотребление на три порядка

    Определение координат с помощью GPS — весьма энергоёмкий процесс. В отличие от смартфонов, которые всё равно каждый вечер ставят на подзарядку, или автомобильных навигаторов, автономные GPS-трекеры, которые используют биологи для отслеживания миграций животных, имеют очень жёсткие требования к энергопотреблению. Довольно часто их снабжают не только мощными аккумуляторами, но и солнечными батареями, чтобы обеспечить работу в течение многих месяцев.

    В Microsoft Research предложили разделить процесс сбора геолокационной информации на два этапа — запись «сырого» сигнала со спутников GPS и расчёт координат на основе этой информации. Это позволило снизить расход электроэнергии на запись одной точки трека на три порядка. Чтобы понять, как именно удалось этого добиться, придётся сначала разобраться, как работает GPS.

    Определение координат в системе GPS происходит по достаточно сложной и запутанной схеме. Каждый спутник GPS оборудован сверхточными атомными часами, которые к тому же периодически синхронизируются с наземными станциям. Эти же станции используются и для уточнения параметров орбиты спутников. Орбиты подобраны таким образом, чтобы в любой момент над любой точкой Земли были одновременно видны не меньше шести спутников. Высота орбиты составляет около 20200 километров, период обращения — половина земных суток.

    Каждый спутник излучает радиосигналы в диапазонах 1575,42 и 1227,60 МГц. В гражданских приёмниках обычно используется первый из них. Все спутники работают на одной и той же частоте, и для различения их сигналов используется множественный доступ с кодовым разделением (CDMA) У каждого спутника есть свой уникальный псевдослучайный 1023-битовый код (код Голда), который транслируется 1000 раз в секунду. Этот код используется для идентификации спутников и определения задержки прихода сигналов от каждого из спутников.

    Поверх этого сигнала с помощью дополнительной модуляции несущей частоты со скоростью всего в 50 бит/сек передаются так называемые навигационные сообщения, которые содержат точные координаты орбиты спутника («эфемериды»), точное системное время и данные альманаха — эфемериды остальных спутников системы. Эти данные разбиты на 25 фрагментов по 1500 бит, поэтому полное навигационное сообщение передаётся 12 минут 30 секунд.

    По времени задержек приёмник вычисляет (через скорость света) точные расстояния до спутников, а из навигационных сообщений получает их координаты, после чего может вычислить свои. Расшифровка и интерпретация данных приёмника — довольно сложная задача, так как необходимо учитывать множество факторов, вносящих ошибки — эффект Доплера, вызванный движением спутников и приёмника, изменение скорости радиосигнала при прохождении ионосферы, отражения от окружающих предметов и другие.

    Как правило, приёмнику нет необходимости получать полное навигационное сообщение, чаще всего хватает первого фрагмента, содержащего необходимый минимум информации. Если же приёмник был выключен довольно долгое время, приходится принимать больше фрагментов, и получение координат первой точки может занять до нескольких минут («холодный старт»). В режиме постоянного отслеживания координат приёмник опирается на уже полученные навигационные данные и определяет положение практически сразу.

    Если устройство способно принимать информацию из других источников — GSM или WiFi-сети, часто используется технология Assisted GPS (A-GPS). В этом случае полученные из относительно высокоскоростной сети актуальные эфемериды и данные альманаха, а так же грубые геолокационные данные на основе положения вышек и точек доступа позволяют гораздо быстрее учесть все необходимые поправки и вычислить координаты.

    Итак, вернёмся к трекеру Microsoft Research. Решение, предложенное учёными, называется Cloud-Offloaded GPS (CO-GPS). Оно просто и эффективно. Вместо готовых координат, для получения которых нужно проделать все вышеперечисленные манипуляции, предлагается записывать на встроенную флэш-память лишь короткие фрагменты «сырого» сигнала GPS, которые потом будет загружены на облачный сервер и все сложные вычисления будут произведены уже там. Вместо навигационных сообщений, точные координаты орбиты спутников могут быть получены из общедоступных баз данных GNSS.

    Для того, чтобы определить координаты с точностью около 30 метров необходимо всего пять фрагментов сигнала GPS длительностью 2 миллисекунды с интервалами между ними не больше 50 мсек. Тысяча точек, записанных таким образом, занимает около одного мегабайта — это гораздо больше, чем готовые координаты, но флэш-память стоит копейки.

    Экспериментальный трекер, созданный инженерами Microsoft Research для проверки концепции и экспериментов, показал, что на запись одного 2-миллисекундного фрагмента требуется всего 0.407 мДж электроэнергии. Для определения точных координат необходимо всего несколько таких фрагментов, так что суммарное потребление составит порядка одного миллиджоуля, тогда как обычный современный смартфон с A-GPS тратит около джоуля на точку. Если записывать точки каждую секунду, двух батареек AA хватит на полтора года непрерывной работы.

    При записи сырых данных возникает ещё одна проблема — синхронизация точного времени, которая невозможна без расшифровки сигнала GPS. Если рассинхронизация часов трекера с временем системы составляет больше минуты, из сырого сигнала трудно получить точные данные. Для решения этой проблемы в трекер встроили небольшой приёмник сигналов точного времени WWVB — эти сигналы транслируются Национальным институтом стандартов и технологий США и уверенно принимаются практически в любых условиях на всей территории Соединённых Штатов (Мощность передатчика составляет 70 кВт, время синхронизируется по атомным часам). Для достижения приемлемой точности достаточно синхронизировать внутренние часы с сигналами WWVB всего несколько раз в месяц.

    Таким образом, технология CO-GPS позволяет избавиться от большей части сложной начинки GPS-трекера, производящей вычисления, заменив её флэш-памятью большего объёма и простым и экономичным приёмником сигналов точного времени. Большую часть времени эксплуатации трекер будет проводить в спящем режиме, приёмнику GPS-сигнала достаточно включаться всего на 10 мсек для записи одной точки. Естественно, такой приёмник не сможет получать координаты в реальном времени, что вполне устраивает биологов, которые готовы подождать несколько месяцев, пока трекер не будет снят с животного.

    Однако, учитывая стремительное распространение широкополосной беспроводной связи в городах, CO-GPS может найти применение и в потребительских, «городских» устройствах. Достаточно раз в несколько секунд отправлять на сервер по дешёвой высокоскоростной сети несколько килобайт сырых данных, получая координаты почти так же быстро, как и в случае обычного приёмника.

    Скачать PDF с подробным описанием CO-GPS можно здесь.

    Средняя зарплата в IT

    110 000 ₽/мес.
    Средняя зарплата по всем IT-специализациям на основании 8 763 анкет, за 2-ое пол. 2020 года Узнать свою зарплату
    Реклама
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее

    Комментарии 33

        +2
        Его приём занимает пол-минуты — именно поэтому «холодный старт» навигатора занимает чуть больше 30 секунд.

        30с это горячий или теплый старт могут быть, но никак не холодный, для которого требуется обновить альманах и заново искать все спутники.
          0
          Да, спасибо, исправил.
            0
            Вы не правы. 30с — типичное время именно холодного старта. Это период повторения эфемеридной информации, достаточной для навигационного решения.

            Альманах передается 12.5 минут, но это не обязательное условие для навигационного решения.

            Все спутники под открытым небом в отсутствии помех ищутся за время порядка секунды. Именно столько занимает горячий старт.

            www.navipedia.net/index.php/GPS_Navigation_Message
            www.u-blox.com/en/gps-modules/pvt-modules/neo-7.html

            Acquisition GPS / GLONASS
            Cold starts: 29 s / 30 s
            Aided starts: 5 s / n.a.
            Reaquisition: 1 s / 3 s
            0
            Работает только на территории США — какой толк в этом для датчиков на всяких там птицах\рыбах?
            А еще трек за 1.5 года будет весить 48 Гб.
              +2
              Так ведь SSD 64Gb явно будет меньше и легче чем батарейки на 1.5 годя для классического трэкера
                0
                Конечно, я просто так цифру прикинул.
                0
                48 вроде как не так и много. Думаю элементы питания на такой срок будут стоить дороже флеш памяти. Хотя это, конечно, стоит посчитать :)

                Та что ж такое. Опередили.
                  +5
                  А нахрена писать раз в секунду? Пятиминутной точности для миграции стаи птиц или стада животных достаточно, а это — уже в 300 раз меньше места.
                    +1
                    Да и часовой точности достаточно.
                    0
                    В перспективе может работать не только в США — аналогичные радиостанции точного времени есть и в других регионах — DCF77, например.
                      0
                      Вообще-то работает в любой части мира, где есть приемлемый уровень сигнала GPS спутников. Условие — более-менее точные часы, как именно их корректировать — на выбор разработчика девайса. Думаю, если хорошо откалибровать обычный RTC чип по температуре и поставить на девайс датчик температуры, то можно получить погрешность хода меньше минуты на долгий период времени.
                      –14
                      Это абсолютно, без преувеличения, идиотская затея, потому что приемник, не имеющий доступа к интернет превращается в бесполезный кирпич. То есть смысла в этом приемнике практически никакого.
                        +1
                        Читайте топик, там указана целевая аудитория таких устройств. Да и я так думаю, что много кому ещё будет важной долгая работа устройства от батареек, чем немедленное выкладывание данных в интернет.
                          0
                          Суть в том, что логгируются не координаты, а сырые данные со спутника трекером. Когда нужно восстановить трек по записям — все обсчитывается по записанному заранее во флешку, и отлично восстанавливаются все точки маршрута. Смысл в том, что можно вычисления производить через N месяцев после записи сырых данных. А в случае смартфона — можно подключить облако для realtime получения координат.
                            0
                            А будет ли использование интернета дешевле(в накладных расходах), чем обсчет на месте?
                              0
                              В случае смартфона — честно говоря сам сомневаюсь. Но в оригинале речь идет об всяких non-real-time трекерах, для которых интернет не нужен будет вовсе, и там соответственно вполне ощутимый прирост времени автономной работы может быть получен.
                                0
                                Это понятно. Мне интересен вариант смартфона. Хотя никто не мешает при использовании как трекера не отправлять каждую точку, а посылать пакет раз в 10,30 минут, если реалтайм не нужен.
                          +2
                          Странно, что на передачу данный по радиоканалу (!) требуется меньше энергии, чем в небольших локальный расчетах.
                            0
                            Смысл в том что для расчета точных координат надо куда больше данных получить, а это уже больше затраченной энергии. Я как понял потом просто недостающая информация берется из глобального справочника и рассчитываются координаты.
                              +1
                              Там ничего никуда не передаётся, а только сохраняется на флешку. А передавать можно будет, если реализовать технологию в потребительском устройстве, которому будет доступен дешёвый и быстрый WiFi и т.п.
                              –3
                              Кстати, интересно, как много энергии потребуется для передачи данных в облако и прием ответа?

                              Выше прикидывали «А еще трек за 1.5 года будет весить 48 Гб».
                              Не стану пересчитывать, но отправка 48 Гб по 2G сети займет пару дней, а за пару дней активности GSM модема батарейки безбожно издохнут.
                                +3
                                Как уже писали, это оффлайн навигация :)

                                Вешаем на птичку, через полгода снимаем, считываем данные, обрабатываем. Так как последний пункт можно делать не в полевых условиях, а в американском НИИ, то проблемы с трафиком не предвидится.
                                  –1
                                  Индересно, как много времени понадобится для отлова небольшой птички из стайки? Сдается мне это не вариант.
                                  Как писалось в статье, суть экономии в том, что данные отправляются в облако и там обсчитываются. Какой смысл в облаке, если данные можно обсчитать локально, сняв накопитель?
                                  Суть именно в отправке сырых данных в облако, обсчете их там и приеме непосредственно координат из облака. Возможно, даже сразу передача координат облаком в центр, занимающийся слежением за миграциями, а не на сам маяк.
                                    +1
                                    Это уже вопрос к орнитологам. Готовы ли они оставлять передатчик навечно прицепленным, или птичку жалко? Нужны ли им онлайн данные, или лог за полгода устроит?
                                      –1
                                      Птичка для таких вещей как солнечная батарея и вовсе не подходит. Сильно сомневаюсь, что такие передатчики вешают на птичек. Ведь атичке ж нужно летать с этим.

                                      Но суть не меняется. Облако позоцианировано как сервис обсчета сырых координат, передаваемых с маяка. А значит и интерфейс передачи должен присутствовать.
                                    0
                                    Такие трекеры обычно умеют самостоятельно отстёгиваться в заданный момент. После этого у них срабатывает радиомаяк или что-то вроде того, чтобы их можно было найти.
                                0
                                Интересно, какие есть проблемы с тем, чтобы время синхронизировать тоже «задним числом», расшифровывая сигналы со спутников? Не думаю, что МС просто не подумали об этом, наверняка есть какие-то сложности…
                                  0
                                  Всё равно надо точно отмерять временны́е интервалы между снятиями точек, а атомные часы пока тяжеловаты для птичек :)
                                  А вот приём сигналов точного времени операция совсем не накладная, кстати — у меня дома (в Москве) метеостанция Oregon синхронизируется по аналогичному передатчику в Германии. От комплекта батареек живёт больше года.
                                  0
                                  Интересно, насколько это совместимо если данные раз в какое-то время передавать на низколетящие спутники Argos или т.п.?
                                    +2
                                    Предвижу потребительские трэклоггеры, которые месяцами пишут трэк в круглосуточном режиме, а человек постфактум может им воспользоваться при необходимости… скажем фото-видео отгеотеггировать, маршруты поездок посмотреть, зачекинится в местах где был постфактум-чекином :)
                                      +1
                                      Если эта штука будет писать сырые данные, то при известной ловкости их можно использовать не просто для определения координат, а для точного определения (на сколько это вообще возможно с фазовыми измерениями) методом постпроцессинга.

                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                      Самое читаемое