Функциональные возможности GSM-модуля Cinterion BGS8: удобное совмещение технологий

Новая модель Cinterion BGS8 — это модуль, у которого в одном корпусе объединены два устройства: GSM/GPRS (850/900/1800/1900 МГц) — блок, предназначенный для приема и передачи данных по сетям 2G, и 32-канальный ГНСС-приёмник. ГНСС-приёмник модуля BGS8, изготовленный на базе чипсета STA8088, поддерживает работу с сигналами навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS: GPS L1 ((1575,42 ±20) МГц); GLONASS L1 FDMA (1597,5–1605,8 МГц).

В качестве базовой схемы GSM-части модуля BGS8 использована схема модуля BGS2. Поэтому технические характеристики GSM-части модулей BGS2-W и BGS8, в основном, совпадают. Однако есть и ряд различий. В модуле BGS8 оставлен свободным только восьмипроводной последовательный интерфейс ASC0. Второй интерфейс ASC1 занят ГНСС-приёмником. По-разному организован интерфейс I²С. В модуле BGS8 под сигналы этого интерфейса выделены отдельные контактные площадки I2CCLK (28) и I2CDAT (27), в то время как в модуле BGS2 этот интерфейс реализован через пользовательские вводы/выводы 9 и 10.

В модуле BGS8 не поддерживается линия VDIG, и интерфейсы ASC0, DAI, I²C постоянно подключены к линии V180 с напряжением 1,8 В. В модуле BGA8 напряжение на линии VCORE находится в диапазоне 0,9–1,2 В. Кроме того, в модуле BGS8 несколько иначе, чем в BGS2, организовано аппаратное включение и выключение. Для включения модуля BGS8 используется сигнал IGT, минимальный уровень которого должен быть V_IHmin= 1,8 В. Минимальный уровень сигнала ON в модуле BGS2 составляет V_IHmin= 1,2 В при токе ~40 мкА. Также в модулях BGS2 и BGS8 используются разные уровни сигналов аварийного перезапуска, которые подаются на вход EMERG_RST через транзисторный ключ с открытым коллектором. Модуль выполнен в конструктиве LGA-120 PAD (Land Grid Array) со 120 контактными площадками под пайку для поверхностного монтажа. Размеры модуля BGS8 — 27,6 х 25,4 х 2,6 мм, вес 3.5 г.

Видно, что они отличаются от выводов модуля BGS2 как по количеству и размерам, так и по назначению. В то же время следует подчеркнуть, что BGS8 аппаратно и программно совместим с новыми высокоскоростным 3G-модулем EHS6, который может быть использованы в системе «ЭРА-ГЛОНАСС».

Модуль BGS8 поддерживает работу с американской системой WAAS и её европейским аналогом EGNOS, которые предназначены для передачи дифференциальных поправок пользователям GPS-аппаратуры. Принцип действия и состав систем полностью идентичны. Несмотря на то, что системы являются глобальными, каждый геостационарный спутник может обслуживать только ограниченную территорию. Это в первую очередь связано со сферической формой Земли.

Обе системы состоят из сети наземных станций, которые принимают GPS-сигналы, обрабатывают и анализируют их. Затем вся информация поступает на главную управляющую станцию (Master Station), где данные повторно анализируются и передаются уже на геостационарные спутники, откуда ретранслируются наземным пользователям. Навигаторы принимают эту информацию совместно с навигационными сигналами GPS, обрабатывают ее и включают в алгоритмы вычисление позиции. В результате точность позиционирования может повыситься до 1–2 м. Конечная точность во многом зависит от близости текущего положения пользователя к одной из наземных станций сети. Чем ближе к станции, тем точнее вычислены ошибки. Именно по этой причине включение в навигаторе DGPSрежима в России не только не улучшает, а порой даже ухудшает точность координат. На территории России нет наземных базовых станций, входящих в систему EGNOS, которые могли бы передавать измерения и ошибки на Мaster Station. Поэтому геостационарные спутники EGNOS не передают ионосферные коррекции для российской территории. В непосредственной близости от западных границ России ситуация несколько лучше, и точность координат может достигать теоретически 1 м. Стоит отметить, что сигналы WAAS и EGNOS транслируются бесплатно.

В модуле BGS8 предусмотрено несколько вариантов подключения внешних антенн. Антенный вход 2G/3G (номинальный импеданс 50 Ом) у этих модулей выведен на контактные площадки 58, 59, 60. Пассивная GPS/ГЛОНАСС-антенна подключается к контактам 223, 224, 225. Кроме того, в этих модулях предусмотрено подключение активной GPS/ ГЛОНАСС-антенны и антенного усилителя (сигналы VGNSS и ANT_GNSS_ DC).

Выбор способа подключения осуществляется с помощью АТ-команд. Нужно учитывать, что линия VGNSS не имеет защиты от короткого замыкания. Для защиты модуля по антенному входу рекомендуется использовать внешнюю схему, которая подключается между линиями VGNSS и ANT_GNSS_ DC.

В модуле BGS8 есть линия синхронизации по GPS-времени (GPS_1PPS). Эта синхронизация осуществляется с помощью прямоугольных импульсов с частотой один импульс в секунду (вывод 70). Линия GPS_1PPS, соединенная непосредственно с ГНСС-приемником (V_OLmax= 0,4 В, V = 1,9 В), служит в качестве опорного генератора, который вырабатывает высокоточные синхроимпульсы, привязанные к мировому GPS-времени. Погрешность генератора не превышает 50 нс.

Навигационная информация передается модулем BGS8 в виде следующих стандартных сообщений протокола NMEA-183:

$GPGGA — информация о фиксированном решении: горизонтальные координаты, значение высоты, количество используемых спутников и тип решения.
$GPVTG — Vector Track and speed over the Ground.
$GPRMC — наборы данных PVT (position, velocity, time).
$GPGST — GPS статистические ошибки псевдодальности (расстояние до спутника, полученное в приемнике на основе корреляции принятого и бортового кодов без коррекции ошибок синхронизации часов).
$GPGLL — сообщение со значением координат широты и долготы и времени, когда было вычислено это решение.
$--GSV — детальная информация о спутниках: количество сообщений GSV в пакете; номер сообщения в пакете (от 1 до 3); количество видимых спутников; номер спутника; угол возвышения в градусах; азимут в градусах; SNR, уровень сигнала.
$--GSA — общая информация о спутниках: тип выбора между 2D- и 3D-решениями, (A-auto, M-manual), тип решения, 3D, PRN-коды используемых в подсчете позиции спутников (12 полей), пространственный геометрический фактор PDOP, горизонтальный геометрический фактор HDOP, вертикальный геометрический фактор VDOP. Все NMEA-сообщения содержат префикс «$--GNS», определяющий спутниковую систему навигации, сигналы которой были использованы для вычисления данных, которые содержатся в этом конкретном сообщении. Символ «$» относится либо к GPS ($=GP), либо к ГЛОНАСС ($=NS), либо к GPS+ГЛОНАСС ($=GN).

На открытой местности, в условиях ясного неба, при работе со спутниками GPS и ГЛОНАСС ГНСС-приёмник модуля BGS8 обеспечивает точность определения координат в горизонтальном плане 1,5 м, при круговом вероятностном отклонении (Circular Error Probability, CEP), равном 50%. В условиях городской застройки точность будет несколько хуже. Использование двух спутниковых систем навигации ГЛОНАСС и GPS позволяет уменьшить ошибки вычисления координат, обусловленные отражением и экранированием сигналов спутников.

Следует обратить внимание на то, что в таблице 2 приведены предварительные результаты точности определения координат для случая совместного использования сигналов спутниковых систем навигации GPC и ГЛОНАСС (Preliminary ersion). Точность определения координат во многом зависит от того, как на практике реализовано схемотехническое решение конечного изделия на базе модуля BGS8. Например, можно оптимизировать время старта ГНСС-приемника, используя схему подключения часов реального времени через линию VDDLP.

Часы реального времени RTC модуля BGS8 подключены к отдельному линейному регулятору напряжения (LDO). По команде AT^SMSO выключаются основные блоки модуля (Power Down mode). При этом напряжение питания продолжает поступать на схему RTC, которая будет находиться в активном состоянии. Дополнительно можно подать питание на RTC от линии VDDLP, к которой подключен внешний конденсатор.

Если отключится основное напряжение BATT+, питание на блок RTC будет поступать от внешнего конденсатора. Чем больше емкость внешнего конденсатора, тем дольше модуль будет сохранять данные при полном отключении питания. Вместо конденсатора можно использовать аккумулятор. В этом случае ГНСС-приемник модуля сможет начать работу с теплого старта даже в случаях длительного полного отключения основного питания. ГНСС-приемник модуля BGS8 управляется с помощью АТ-команд. Для его конфигурирования используется команда AT^SGPSC: AT^SGPSC="Engine", <EngineVal> активирует ГНСС-приемник. Параметр <EngineVal> может принимать четыре значения: ГНСС отключен («0»), старт («1»), повторный старт («3»), спящий режим («4»). AT^SGPSC="Engine", <EngineState> показывает текущее состояние приемника. AT^SGPSC="Nmea/Output", <OutVal> выводит ON («да») или OFF («нет») в последовательный порт модуля. AT^SGPSC="Power/Antenna" <AntVal> служит для выбора типа антенны и подачи питания на активную антенну.

В модуле BGS8 организовано раздельное регулирование режимов энергосбережения для GSM-блока (+CFUN) и ГНСС-приемника (^SGPSC). Перевод ГНСС-приемника в спящий режим осуществляется командой AT^SGPSC="Engine","4" и возможен только в случае, когда модуль находится во включенном состоянии (+CFUN не равно нулю). При этом RTC, кварцевый генератор и SRAM находятся в активном состоянии. Такая схема спящего режима ГНСС-приемника позволяет, с одной стороны, экономить энергопотребление, а с другой — сокращает время первой фиксации спутника TTFF (Time To First Fix) при пробуждении. Для вывода ГНСС-приемника из спящего режима используется команда:

AT^SGPSC="Engine","1".

Режим энергосбережения для GSM-блока (+CFUN=7 или 9) возможен только когда ГНССприемник находится в спящем состоянии или выключен ( <EngineVal> = 0 или 4). После выхода GSM-блока из спящего режима (+CFUN=1) линия «mux channel 4» автоматически подключается к интерпретатору АТ-команд. Для корректной работы ГНСС-приемника необходимо, чтобы он был подключен к линии «mux channel 4». Это можно сделать с помощью AT^SCFG="Serial/Ifc","24".