17.11.2022

Joustava ja avoin GNSS-vastaanotin – Tiira

Tšekkiläinen tiimi Huldilla kehitti monitaajuisen, useita satelliittijärjestelmiä tukevan ja avoimen standardien mukaisen laitteistopohjaisen GNSS-vastaanottimen ja paikannusalustan.

Tiira tarjoaa puhtaan GNSS navigointi ratkaisun käyttäen E1, E5 ja E6 taajuusalueiden signaaleja tai sitten hybridinavigointiratkaisun, jossa käytetään lisäksi lisäantureiden kuten inertiamittausyksikön (IMU), magnetometrin, ja barometrisen korkeusmittarin mittauksia.

Tarve joustaville paikannusdatan vastaanottimille

Kuluttajamarkkinoilla on nykyään valtava määrä GNSS-vastaanottimia, jotka hoitavat erilaisia erityistehtäviä alkaen matkapuhelimien navigoinnista aina korkealaatuisiin, millimetriluokan geopaikannuslaitteisiin.

Laajasta tarjonnasta huolimatta markkinoilla on tilaa nykyisiä ratkaisuja joustavammalle laitteelle. Kysyntää löytyy avoimelle vastaanottimelle, jota yritykset ja tutkimuslaitokset voivat helposti hyödyntää alustana innovatiivisten algoritmien tai joustavien loppukäyttäjätuotteiden kehittämiselle.

Kuvittele yritys, jolla on nerokas idea uudesta navigointialgoritmista, joka mahdollistaisi itseohjautuvien autojen turvallisen ja luotettavan navigoinnin ja paikannuksen.

Yrityksen kehitystyötä rajoittaa olemassa olevien teknologioiden kankeus. Ne tarjoavat vain perustason mittauksia. Suljetut ratkaisut eivät esimerkiksi tarjoa mahdollisuutta saada yksityiskohtaista erittelyä siitä, miten niiden sisäinen toiminnallisuus on suunniteltu – saati anna konfiguroida tätä sisäistä logiikkaa uudelleen, jotta kehittäjät voisivat testata ratkaisunsa tehokkuutta ja toimintaa paremmin.

Jos yritys päättää sen sijaan kehittää oman navigointivastaanotinalustan, on työ vaativaa, kallista ja aikaa vievää.

Tiira, avoin alusta ja pelkistetty GNSS

Onneksi Tiira tarjoaa ratkaisun! Tiira-järjestelmä tuo paljon kaivattua joustavuutta suljettujen järjestelmien ongelmien ratkaisuun. Tiira on kustannustehokas avoin laitteistoalusta, johon on tarjolla avoimen lähdekoodin ohjelmistopaketti. Ohjelmisto tarjoaa verrokin yleiselle GNSS-käsittelylle ja rajapinnan uusien algoritmien kehittämiselle.

Tiirassa on laskentatehoa, erilaisia lisäantureita, RF-rajapintoja, laitteistojen ja ohjelmistojen modulaarisuutta sekä muokattavuutta. Se tukee nopeaa prototypointia korkean teknologian eri valmiuden tasoilla (TRL) ja siten myös lopputuotteita kaupallisiin tarkoituksiin ja tutkimukseen.

Tämän EUSPA:n kanssa kehitetyn hankkeen tavoitteena oli luoda edullinen, modulaarinen ja muokattavissa oleva navigointijärjestelmä. Karkeasti määriteltynä se koostuu seuraavista lohkoista:

Laitteistopohjainen GNSS-vastaanotin.
Monianturikortti.
Navigointialgoritmit.

Korkean tason lohkokaavio Tiira-navigointialustasta.

GNSS navigoinnin referenssinä Galileo-järjestelmä

Tiiralle kehitetty esimerkkikoodi käyttää Galileon satelliittijärjestelmää taajuuskaistoilla E1, E5 ja E6, joilta se vastaanottaa ja prosessoi signaaleja. Referenssikoodi on helposti muokattavissa käyttämään muitakin satelliittijärjestelmiä, jotka tukevat vastaavia taajuusalueita.

Monianturikortti on suunniteltu keräämään GNSS:ään liittyvien tietojen lisäksi myös mittauksia useista antureista kuten inertiamittausyksiköstä (IMU), korkeusmittarista ja magnetometristä. Kortti on myös varustettu ultralaajakaistaisella (UWB) radiomoduulilla ja pitkän kantaman radiomoduulilla, joka perustuu LoRa-tekniikkaan.

Navigointialgoritmit on suunniteltu käsittelemään kaikkia käytettävissä olevia mittauksia tai osia niistä. Näin saadaan aikaan tarkka navigointiratkaisu, kuten esimerkiksi hetkellinen tai jatkuva-aikainen paikan ja nopeuden arviointi, heikosti tai vahvasti yhteen liitetty GNSS-teknologia ja INS tai muu anturi.

Suunnitelmissa on laajentaa algoritmeja kattamaan radiomoduulien ohjausta, jotta voidaan arvioida laitteen suhteellista paikkaa verkon ankkurisolmukohtiin nähden, ja jotta voidaan siirtää ja vastaanottaa dataa radiolinkin yli verkon eri osien välillä. Datan siirtoväylät mahdollistavat tutkimuslinjan, jossa voidaan selvittää konsepteja useiden laitteiden yhteistoiminnallisista navigointijärjestelmistä.

Tiiran laitteistot ja ohjelmistot

Laitteiston näkökulmasta keskeisin osa Tiiran vastaanottimesta on Huldin kehittämä RF-kytkentäkortti. Kortissa on: matalataajuussuotimet (LNA), RF-suotimet ja tehonjakaja; itse valmistettu monianturikortti, jossa on MAX2771 GNSS-ASIC:t, kellonjakelu, anturit ja radiot; sekä Zynq UltraScalea ja MPSoC:tä käyttävä COTS-pääkortti (Avnet Ultra96-V2), jossa käsitellään peruskaistasignaali, dekoodataan tietoja ja navigointituloksia.

Tiira-laitteistopaketti.

Petalinux-käyttöjärjestelmän tukema sovellusohjelmisto sijaitsee ARM Cortex A53 IP -ydinprosessorissa. Se huolehtii korkean tason käsittelystä kuten vastaanottimen ohjauksesta, satelliittinavigointiviestien dekoodauksesta ja navigointiratkaisujen laskemisesta (sijainti, nopeus, korkeus ja ajan arviointi).

Ohjelma on tehty modernilla Rust-ohjelmointikielellä. Rust on suunniteltu suorituskykyiseksi järjestelmätason ohjelmointikieleksi, joka välttää yleisimmät tyypillisten ohjelmointikielten muistinhallintaan liittyvät virhetilat jo sen syntaksissa. Tämä ominaisuus parantaa tuotettujen ohjelmistojen kestävyyttä ja turvallisuutta ja korkean tason luonteensa vuoksi se on erittäin hyvin skaalautuva myös sulautettuihin järjestelmiin, mikä Tiirakin on. Kielelle on myös tarjolla runsaasti avoimen lähdekoodin kirjastoja.

Alustan kehitystyön ohessa tuotettiin Python-kielellä useita tukityökaluja, jotka mahdollistavat tietojen keräämisen ja käsittelyn kaupallisesta vastaanottimesta (uBlox ZED-F9P) ja muista antureista testaus- ja vertailutarkoituksiin. Navigointialgoritmeista on myös Python-versio, joka laskee navigointiratkaisun seuraavissa tiloissa:

GNSS-tilannekuvaratkaisu, jossa käytetään painotettua pienimmän neliösumman algoritmia.
GNSS Kalman-suodin pohjainen ratkaisu.
Hybridi GNSS-INS löyhästi kytketty ratkaisu.
Hybridi GNSS-INS tiukasti kytketty ratkaisu.