Für Einsätze an Ort und Stelle

Real Time Kinematic optimiert die Positionsbestimmung

14. Februar 2022, 14:49 Uhr | von Bernd Hantsche, Director Product Marketing Embedded & Wireless bei Rutronik
Rutronik
Gemeinsam mit Unicore bietet das Rutronik Wireless Competence Center die neuesten State-of-the-Art-Produkte an.
© Rutronik

Flugdrohnen könnten künftig auch das Fensterputzen bei Wolken­kratzern übernehmen, und zwar ohne Fernsteuerung, nur mithilfe von KI und immer besserer positions­bestimmender Sensorik. Doch dafür reichen übliche GNSS-Empfänger nicht aus. Hier kommt die Real Time Kinematic (RTK) zum Tragen.

GNSS-Empfänger können die zentimetergenaue Positionsbestimmung trotz der Weiterentwicklung der Systeme von GPS, Beidou, Galileo oder Glonass nicht leisten. Denn je nach aktueller Satellitenkonstellation kann die ermittelte Position um einige Meter daneben liegen.

Bei der Sensorik zur Positionsbestimmung haben optische und akustische Verfahren meist das Nachsehen gegenüber elektromagnetischen Wellen. Die Technik hat unzählige Vorteile und ist inzwischen für die meisten Anwendungen auch durchweg bezahlbar geworden. Ab Bluetooth 5.1 stehen mit An­gle of Arrival (AoA) und Angle of Departure (AoD) neue Ortungsfunktionen zur Verfügung. Bei UWB oder WiFi kennt man dies als Real Time Location System (RTLS) schon länger. Der Nachteil liegt bislang vor allem in der Wirtschaftlichkeit des dafür benötigten Hardware-Aufbaus. Auch Funkprotokolle wie ANT oder das Anbringen von RFID-Transpondern können interessante Ansätze darstellen. Speziell bei Outdoor-Einsätzen haben sich jedoch satellitengestützte Systeme am besten bewährt, da die meisten alternativen Technologien für viele Anwendungen aufgrund des wechselnden Einsatzortes und der unzureichenden Präzision nicht geeignet oder finanziell uninteressant sind. Mit den wachsenden Einsatzgebieten neuer Märkte wie Smart Farming oder Robotik fallen sukzessive auch die Preise von High-Tech-Lösungen für zentimetergenaue Positionsbestimmung.

[RTK-Fehlerkorrektur bringt alle genau auf Position

Landvermessungen wären ohne Navigationssatellitensysteme nicht mehr denkbar. Wird ein durch Vermessungen exakt bestimmter Ort als Referenzstation definiert und die Position dann noch mit einem GNSS-Empfänger bestimmt, ist es möglich, den GNSS-Fehler präzise aus der Abweichung zu ermitteln. Analysiert man von dem Ort aus den Himmel, so ergeben sich viele Daten zur aktuellen Satellitenkonstellation und dem Brechungswinkel zur Hemisphäre. Diese ermittelten Daten können ohne nennenswerte Abstriche in einem Radius von etwa 50 Kilometern als gültig betrachtet werden. Erst bei größeren Entfernungen würden sich die Sichtwinkel zu den Satelliten oder die Dicken und somit Brechungswinkel der Atmosphärenschichten merklich ändern.

Erhält nun ein sich innerhalb des 50-Kilometer-Radius aufhaltendes, mobiles Objekt diesen exakt ermittelten Positionsfehler der Referenzstation, kann es den bekannten Fehler zur Korrektur der gemessenen GNSS-Position anwenden. Das Ergebnis wäre eine Positionsbestimmung, die nur ein bis zwei Zentimeter Unschärfe hätte anstatt der sonst üblichen drei bis fünf Meter. Daraus ergeben sich z. B. für AGV in Landwirtschaft und Logistik oder Flugdrohnen ganz neue Aufgabenfelder.

Die Fehlerkorrektur durch zeitlich synchrone Übertragung eines bekannten Referenzfehlers nennt man Real Time Kinematic (RTK). Je nach Anwendungsfall können Kunden bei kommerziellen RTK/CORS-Netzwerkanbietern wie Sapos, Apos, Agnes oder RTK Clue Zugriff auf die nächstgelegenste Referenzstation bekommen – vorteilhaft bei flexiblen Einsatzorten. Alternativ können auch eigene Basen gesetzt werden, was bei gleichbleibenden Einsatzgebieten, z. B. in der Landwirtschaft, langfristig zielführender ist: Die meisten Landwirte haben ihre Felder innerhalb von 50 km, weshalb die Ausrüstung des Hofes mit einem GNSS-Empfänger und die Online-Übermittlung des Positionsfehlers sinnvoll ist. Auf den Äckern würde der Traktor ebenfalls per GNSS die Position bestimmen und via Mobilfunk den ermittelten Fehler am Hof lokal gegenrechnen lassen.

Bei der im Agrarbereich üblichen Vermietung von Spezialmaschinen, die gestern in Bayern, heute in Ostfriesland und morgen in Polen auf fremden Feldern eingesetzt werden, muss auf die Dienstleistung von externen »Continuously Operating Reference Stations«(CORS)-Netzwerkbetreibern zurückgreifen, welche ähnlich wie Mobilfunk-Provider ihre Basisstationen entsprechend dicht genug aufgestellt haben und den Zugriff darauf monetarisieren.

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+
Rutronik
Bernd Hantsche leitet das Rutronik Wireless Competence Center.
© Rutronik

SoC oder Modul?

Mit Unicore Communications hat Rutronik einen führenden Anbieter solcher RTK-fähigen GNSS-Produkte auf der Linecard. Grundlage des Portfolios aus Navigationsmodulen, -Boards, -geräten und -kits bilden die von Unicore selbst produzierten Halbleiterchips: Das UFirebird UC6226 ist zum Beispiel ein Standard-GNSS-System-on-Chip (SoC) mit besonders niedriger Leistungsaufnahme. RTK-Produkte basieren dagegen auf dem Nebulas-II UC4C0, einem SoC mit leistungsstärkerer Multi-Core-Recheneinheit und Unterstützung von Galileo, QZSS, Glonass, Beidou und Navstar-GPS. Ein Design auf Basis eines solchen GNSS-SoC ist sehr anspruchsvoll und wird nur erfahrenen Hochfrequenzdesignhäusern empfohlen.

Bei einem Modul oder Board sind Hochfrequenzaufbereitung, Filterung und Signalverstärkung bereits umgesetzt und gegen äußere Beeinflussung der umliegenden Schaltungsteile möglichst gut abgeschirmt. Entsprechende Vorzertifizierungen verkürzen die Entwicklungszeit, minimieren das Risiko und sparen Investitionskosten. Entsprechend sind sie für die meisten geplanten Applikationen die bessere Option. Das UB4B0 ist ein solches Multi-System GNSS High-Precision Board auf Basis des Nebulas-II SoC. 432 Kanäle bieten genügend Platz, um empfangene Signale zu bewerten und die besten zur Positionsberechnung heranzuziehen. Die RTK-Genauigkeit wird horizontal mit 1 cm + 1 ppm und vertikal mit 1,5 cm + 1 ppm angegeben. Neben der seriellen Schnittstelle zur NMEA-0183-Kommunikation stehen zudem eine Ethernet-Schnittstelle, USB (Host & Device), ein 1PPS-Signalausgang und ein Anschluss zur optionalen Verwendung eines externes Clock-Signals zur Verfügung. Das Board überzeugt zudem durch die schnelle Polaritätserkennung der Trägerphase sowie die Multipath Interference Detection. Das UB4B0 eignet sich sowohl zur Teilnahme im Ground-Based Augmentation System als auch zur Integration in CORS-Netzwerken. Das Modul kommt bereits in vielen Vermessungs- und Kartierungsgeräten mit höchsten technischen Ansprüchen zum Einsatz, die eine besonders hohe Präzision erfordern.

Zusätzlich zum 100 mm × 60 mm × 11,4 mm großen Modul bietet Unicore Communications mit dem UB4B0M eine aufwendigere Miniaturversion mit Abmessungen von gerade einmal 46 mm × 71 mm × 9 mm – ohne dabei Abstriche hinsichtlich Funktionsumfang oder Leistung zu machen. Auch das UB482 eignet sich mit 46 mm × 71 mm für den Einsatz in kleinen Bauräumen. Sowohl Heading- als auch Positioning-Daten können simultan mit bis zu 20 Hz ausgegeben werden. Das UB482 arbeitet bereits in professionellen beweglichen Anwendungen wie landwirtschaftlichen Maschinen und Flugdrohnen (UAV).

Bei den Modulvarianten der GNSS-Boards sind die besonders hochfrequenzkritischen Schaltungsteile bereits aufgebaut und vorzertifiziert. Lediglich die umgebende Peripherie muss kundenseitig ergänzt werden. Das AEC-Q104- und IATF16949-zertifizierte Modul UM220-IV NV basiert auf dem SoC UC6226 und bietet sich dank integriertem MEMS sowie Odometerunterstützung auch zum Dead-Recognition-Navigationsbetrieb, beispielsweise bei der Navigation durch Tunnelsysteme, an. Ebenso steht eine Auswahl an stromsparenden Standard-GNSS-Modulen zur Verfügung sowie zu allen Varianten entsprechende Entwicklungskits. Auch fertig aufgebaute Empfängerboxen im Metallgehäuse sind verfügbar, können direkt mit einem Laptop verbunden werden und dienen nicht nur zum schnellen Aufbau einer eigenen CORS-Basisstation, sondern können auch für Feldtests oder Produktevaluierungszwecke verwendet werden.

State of the Art
trifft Wireless Competence

Rutronik ist von der Bedeutung der Real-Time-Kinematic(RTK)-Technologie und dem positiven Einfluss auf die sich stark entwickelnden Zielmärkte wie AGV, Drohnen, Roboter und Smart Farming überzeugt. RTK prädestiniert sich zunehmend zur Ablösung von Standardsatellitenempfängern, da Ergebnisse mit höherer Präzision einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil bieten – auch wenn die Technologie trotz sinkender Preise eine geringfügig höhere Investition erfordert.

Gemeinsam mit Unicore bietet das Rutronik Wireless Competence Center nicht nur die neuesten State-of-the-Art-Produkte an, sondern auch eine individuelle Produkt- und Systemberatung, die zusätzlich Antennenkonzepte, Spannungsversorgungen und die Funkdatenübertragung der Korrekturwerte beleuchtet. Rutronik kann auf das Portfolio von etwa 250 weiteren Elektroniklieferanten zurückgreifen und so für jeden spezifischen Einsatzzweck individuell ein komplettes GNSS-System aus einer Hand zusammenstellen – vom Xeon-Hochleistungsserver über cloudbasiertes Device Management mit optionalen Geofencing-Regeln bis hin zur Status-LED.


Verwandte Artikel

Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH