蜂窝服务和 Wi－Fi 辅助全球卫星导航系统跟踪贵重物品

Nordic Semiconductor公司

全球定位系统（GPS）是全球卫星导航系统（GNSS）的主要组成部分，该系统还包括伽利略系统、北斗系统和GLONASS系统等，堪称技术奇迹。

GPS由 24 颗卫星组成，位于地球上空约 2 万公里处。这些卫星的排列确保在地球上任何一个位置都能观测到至少四颗卫星。GPS接收器接收卫星发出的信号，这些信号提供了卫星的位置、状态以及由机载原子钟提供的精确时间。接收器记录下信号的到达时间，然后根据信号发射和接收之间的时间差，乘以光速，确定其与每颗卫星的距离。通过来自四颗卫星的信息可以确定独一无二的接收器位置。

每天有数十亿人士依靠GNSS来确定自己身处的位置。现在，全球卫星导航系统也为物流和运输领域的许多物联网应用奠定了基础，帮助追踪可能丢失的宝贵资产。因此，Nordic 的蜂窝物联网解决方案 nRF9160 SiP 加入了GNSS 功能，可用于资产跟踪和其他应用。

卫星信号丢失

尽管 GNSS 具有令人惊叹的技术基础，但它并非完美无瑕。导航卫星确实会出现一些问题，例如板载时钟不准确导致定时误差。为了减少这种漂移误差，GNSS系统会对多个卫星进行比较，并使用算法来确定哪些时钟出现了误差，然后将其与地面基准进行比较重置。

其他问题的成因，包括卫星与地面接收器之间的信号相对较弱，很容易受到干扰。例如，由一排排高楼形成的 "城市峡谷(urban canyons) "会阻碍信号传输。而GNSS 信号难以穿透建筑物。

即使信号穿透了建筑物，若信号在到达接收器之前被建筑物反射，就会产生所谓的多路径误差(multipath error)，这会导致定时误差，进而产生错误的位置信息。地球大气层的异常也会造成其他的误差，从而延迟或扭曲 GNSS 信号。来自其他无线电源的电磁干扰（EMI）也会造成定时误差。为了缓解这些问题，接收器使用了滤波、相关和信号功率测量等技术，针对大气层难题，则使用了电离层和对流层建模等方法。

GNSS调制解调器面临的另一个挑战，是从冷启动到确定一组卫星的位置可能需要几分钟时间。这就需要消耗大量电池容量，Nordic公司的 nRF9160 和该公司的nRF Cloud定位服务采用的一种解决方案是辅助和预测GPS (A-GPS和P-GPS)。这些方法使用存储在数据库中的卫星辅助数据，这些数据通过 LTE-M 或 NB-IoT 网络中继传输到 nRF9160 ——与时间较长的首次定位相比，可节省大量电能。在需要时，物联网设备可以在几秒钟内找到卫星，进一步节省能源。P-GPS 技术以 A-GPS 为基础，为物联网设备提供两周以上的辅助数据，从而节省更多的电能。

即便采用了省电技术，GNSS仍会严重损耗电池，这是可穿戴设备或资产跟踪器等设备需要考虑的重要因素，因为这些设备通常配备的电池容量不大，但却需要较长的电池使用寿命。

与GNSS相辅相成

如果需要高精度定位，那么 GNSS 的电池损耗是值得的；但如果可以接受精度较低的定位，那么就有办法节省电能。降低GNSS 功耗的一种方法是利用蜂窝基站的已知位置来缩小接收器的位置范围，nRF9160 SiP 和 nRF Cloud定位服务也支持这种方法。单一蜂窝定位方法依赖于识别所跟踪的设备位于哪一个蜂窝，然后将蜂窝标识与已知基站位置数据库进行比对。这项技术的精确度可达到千米级，同时对接收器的电池使用寿命仅有轻微的影响。

多蜂窝定位则以单一蜂窝技术为基础，参考附近多个基站的位置，而不仅仅是一个基站的位置，从而提供达到几百米的定位精度，同时保持低功耗。

一种有趣的定位技术是 Wi-Fi 服务集标识符（SSID）扫描，它是对GNSS 的补充，也可用于定位精度和电池寿命的折衷权衡。每个 Wi-Fi 接入点（AP）网络都有一个 SSID（接入点名称的技术参照）。有了网络的 SSID 信息，就可以对照数据库详细了解其位置。

Nordic 的 nRF70 系列协同 IC 可以支持SSID 定位。当用于 Wi-Fi 定位时，nRF70 系列设备会扫描附近的任何 Wi-Fi 接入点，以获取其 SSID；然后，协作 nRF9160 SiP 会使用蜂窝连接将 SSID（以及其他有用信息）转发到 nRF Cloud。而后，nRF Cloud检查一个或多个 Wi-Fi SSID 数据库，并将 SSID 位置以及该位置的不确定度数据返回到 nRF9160 或其他指定位置。

GNSS 的定位精度是难以超越的。然而，如果可以接受几十米精度而电池寿命又非常重要时，或者当GNSS 信号中断时，Wi-Fi SSID 定位是极佳的选择，因为它的功耗比GNSS 低得多。如果只需要一公里以内的资产定位精度，且电池使用寿命至关重要，那么基于蜂窝的定位就是最佳选择。利用 Nordic 的 nRF91、nRF70 系列和nRF Cloud定位服务，可以在所有三种定位方法之间轻松实现无缝切换，从而在定位精度和电池寿命之间进行最佳的权衡。有了这种定位技术，宝贵的资产再也不会丢失了。

nRF70 系列设备（如图中所示nRF7002）可扫描附近的任何 Wi-Fi 接入点，以获取其 SSID；然后，协作nRF9160 SiP 会使用蜂窝连接将 SSID（以及其他有用信息）转发到 nRF Cloud。nRF Cloud 检查一个或多个 Wi-Fi SSID 数据库，然后将 SSID 位置以及该位置的不确定度数据返回到 nRF9160 或其他指定位置。