19 stycznia 2023
W ostatnim czasie mieliśmy okazję pracować nad ciekawym projektem geolokalizacyjnym. Wyzwaniem było lokalizowanie dużych obiektów w specyficznym i wymagającym środowisku. Postanowiliśmy wykorzystać technologię GPS RTK (real-time kinematic positioning) charakteryzującą się wysoką precyzją. Pierwsze próby jednak nas nie zadowoliły. Dlaczego? Poniżej znajduje się przegląd technologii GNSS wraz z opisem przeprowadzonych przez nas testów i wykorzystanych zestawów RTK GPS.
Jak RTK GPS sprawdza się w wymagającym środowisku?
Technologia GNSS
Do technologii nawigacji satelitarnej „global navigaton satelite system” (GNSS) zaliczamy systemy takie jak GPS, Glonass, Beidou, QZSS. Określają one pozycję na podstawie odległości pomiędzy satelitami a odbiornikiem. Jest to możliwe dzięki obliczeniom odnoszącym się do drogi, którą pokonuje sygnał. Drogę tą determinuje czas – różnica momentu nadania i odebrania x prędkość sygnału. Odbiornik estymuje drogę, jaką pokonał sygnał i to jest właśnie interesujący nas dystans odbiornika od satelity.
Znając odległość odbiornika od kilku satelit możemy przy użyciu triangulacji wyznaczyć jego pozycję. Okazuje się jednak, że obliczona odległość nie jest tą rzeczywista, z powodu błędów, wpływających na prawidłowość danych. Najistotniejszymi dla naszych odczytów są błędy: orbity, zegara oraz troposfery.
Warunki środowiskowe
W idealnych dla działania systemu GPS warunkach, korzystamy z otwartego nieba i dobrego widoku na horyzoncie, bez przeszkód terenowych. Antena pozwala na odebranie sygnału w zakresie do ok. 150°.
Każda przeszkoda terenowa występująca między satelitą a odbiornikiem pogarsza dokładność działania systemu. Nie jest to jednoznaczne z niemożnością skorzystania z technologii nawigacji satelitarnej, o ile przeszkody nie zasłaniają całego zakresu widoczności nieba, tylko jego część. W takim przypadku korzysta się z dostępności do ograniczonej liczby satelit. Minimalna, teoretyczna liczba pozwalająca na prawidłowe obliczenie pozycji, to 4 satelity. Oczywiście większa liczba satelit to dokładniejszy i stabilniejszy odczyt lokalizacji. Im bardziej zurbanizowane środowisko, tym gorsze warunki dla działania systemów satelitarnych.
Kolejnym generatorem błędów pomiarowych są odbicia. To sytuacja, w której sygnał dociera do odbiornika nie tylko ścieżką bezpośrednią, ale też odbitą. Przeszkody terenowe np. budynki czy drzewa odbijają sygnał, tworząc dodatkowe ścieżki dla sygnału, co wprowadza zakłócenia.
Jak RTK GPS uzyskuje centymetrową dokładność?
RTK GPS jest technologią, cechującą się wysoką dokładnością (centymetrową), uzyskiwaną w czasie rzeczywistym. System RTK wyznacza poprawki dla systemu GPS, które pozwalają na zniwelowanie błędów. Podstawą działania jest niewielki dystans pomiędzy odbiornikiem końcowym a stacją referencyjna. Prawidłowa, maksymalna odległość między tymi dwoma stacjami wynosi do 10 km. Dlatego też działanie systemu RTK będzie miało sens tylko w obszarze lokalnym. Parametry wyliczone w centrum Londynu nie mają żadnej wartości w Glasgow.
Poprawki powstają w stacji bazowej o znanej pozycji referencyjnej. Odbiornik GPS tej stacji bazowej prócz tego, że zna wspomnianą pozycję referencyjną, odbiera także sygnał satelitarny i na tej postawie zbiera dane, wyznaczające jego położenie. Jako że stacja bazowa jest w znanym położeniu może ona wyliczyć błąd dla każdego otrzymanego sygnału satelitarnego. Bazując na różnicy pomiędzy tymi dwoma lokalizacjami obliczane są poprawki. W następnym etapie następuje ich dystrybucja do odbiornika końcowego, znajdującego się w bliskim sąsiedztwie stacji bazowej. Wtedy też następuje obliczanie skorygowanej pozycji.
Poprawki pomiędzy stacją bazową a odbiornikiem końcowym mogą być przesyłane bezpośrednio za pomocą technologii radiowych np. Wi-Fi, Lora lub przez sieci komórkowe przy użyciu protokołów NTRIP. Alternatywnym rozwiązaniem pozyskiwania poprawek RTK jest korzystanie z systemu subskrypcji np. Precize Perfect Point od firmy Ublox, który udostępnia je przez sieć internetową, za pomocą protokołu MQTT. Opcja ta pozwala na natychmiastowe korzystanie z poprawek RTK, nie posiadając własnej stacji bazowej, na całym obszarze działania usługi, a nie tylko w okręgu działania stacji bazowej. Oczywiście wiąże się to z tym, że im więcej urządzeń jest skalowanych w systemie, tym większy będzie koszt subskrypcji.
Dla porównania – inwestycja w posiadanie własnej stacji bazowej także ma swoje plusy, ale również generuje dodatkowe utrudnienia. Podłączając większą liczbę odbiorników do stacji bazowej, nie ponosimy dodatkowych kosztów zwiększającej się subskrypcji. Co skutkuje mniejszymi kosztami utrzymania, mimo początkowej inwestycji we własny sprzęt. Należy pamiętać o tym, że stację bazową należy umieścić w stabilnym środowisku, w którym będzie miała zapewnione stałe zasilanie oraz serwis. Obszar zasięgu również może okazać się wyzwaniem – jedna stacja pokrywa teren o promieniu 10 km. Dla obszarów przekraczających ten zakres wymagane jest użycie dodatkowych stacji bazowych.
Ciekawi Cię, czy system GPS z poprawkami RTK mógłby rozwiązać Twój problem?
Więcej ścieżek większa dokładność
W ostatnich czasach na rynku pojawiają się odbiorniki dwuczęstotliwościowe, dla częstotliwości L1 i L5. Istotnym faktem jest, że fale różnej częstotliwości pokonują inną drogę. Wynika to z m.in. z różnych kątów załamania na styku warstw atmosfery. Odbiornik przetwarza sygnały z dwóch odrębnych ścieżek i oblicza przebyte przez nie drogi – na podstawie tych różnic korygowany jest m.in. błąd troposfery. Podwojona liczba ścieżek zdecydowanie zwiększa dokładność na korzyść odbiorników dwuczęstotliwościowych.
Zastosowanie w przemyśle
Geodezja
Maszyny autonomiczne
Rolnictwo
Drones
RTK GPS znalazło zastosowania w różnorodnych dziedzinach technologicznych. Powszechnie wykorzystuje się ten system w geodezji. Od kilku lat sprawnie wdrażany jest także w maszynach autonomicznych pracujących na zewnątrz, ogrodnictwie czy rolnictwie precyzyjnym, gdzie wykorzystywany jest do precyzyjnego nawigowania oraz wspierania jazdy równoległej. Ciekawe rozwiązania dla RTK GPS można zaobserwować także w kontekście precyzyjnej nawigacji w dronach. Rynek ten ma ogromny potencjał ze względu na różnorodność zadań, jakie potrafią wykonywać te stosunkowo małe urządzenia.
Jak RTK GPS sprawdza się w wymagającym środowisku?
W listopadzie 2021 roku mieliśmy okazję współpracować z podmiotem, pełniącym rolę integratora rozwiązań dla zleceniodawcy. W ramach współpracy pracowaliśmy nad problemem identyfikowania oraz lokalizowania kontenerów w porcie kontenerowym. Postanowiliśmy zastosować rozwiązanie wspomagania pomiarowania. Kontenery składowane są w formie wież do 5 kontenerów. Wieże z kolei ustawiane są w szeregach, co tworzy niekorzystne środowisko propagacji sygnału radiowego, przez powstanie licznych korytarzy radiowych. Skutkuje to powstaniem dużej liczby sygnałów odbitych oraz ograniczonym obszarem widoczności nieba.
Testy w porcie kontenerowym
W pierwszych testach korzystaliśmy z jednoczęstotliwościowym odbiornikiem RTK GPS – Ublox Neo M8P. Stacja bazowa komunikowała się z modułem drugim stacji ruchomej poprzez technologię radiową Lora.
Problemy w zbieraniu danych lokalizujących, napotkanie w porcie kontenerowym:
- Brak odpowiedniej widoczności na horyzoncie; zakrycie widoczności wolnego pola wokół odbiornika przez stojące kontenery;
- Odbijanie sygnału od metalowych ścian kontenerów;
- Brak zsynchronizowania się odbiornika z satelitą jako następstwo problemów z odbiorem sygnału;
Testy w porcie kontenerowym
W pierwszych testach korzystaliśmy z jednoczęstotliwościowym odbiornikiem RTK GPS – Ublox Neo M8P. Stacja bazowa komunikowała się z modułem drugim stacji ruchomej poprzez technologię radiową Lora.
Problemy w zbieraniu danych lokalizujących, napotkanie w porcie kontenerowym:
- Brak odpowiedniej widoczności na horyzoncie; zakrycie widoczności wolnego pola wokół odbiornika przez stojące kontenery;
- Odbijanie sygnału od metalowych ścian kontenerów;
- Brak zsynchronizowania się odbiornika z satelitą jako następstwo problemów z odbiorem sygnału;
Niestety z uwagi na bardzo trudne środowisko propagacji sygnału radiowego napotkaliśmy sytuację, w której wybrany odbiornik RTK GPS nie spełnił naszych oczekiwań. Gdy antena znajdowała się w otoczeniu wysoko składowanych kontenerów dochodziło do przysłonięcia znaczącego obszaru widocznego nieba. Skutkiem było przełączanie się odbiornika w tryb GPS bez poprawek RTK, ponieważ nie odbierano sygnału z dostatecznej liczby satelit. Dodatkowo odczuwalny był dryf pozycji – miało to związek z licznymi zakłóceniami wielu odbić sygnału radiowego.
Testy w środowisku zurbanizowanym
Zdecydowaliśmy się na testy porównawcze w środowisku zurbanizowanym. Sprawdzaliśmy, na jaką odległość możemy zbliżyć się do budynków biurowych bez utraty wspomagania poprawkami RTK z uwagi na niedostateczną liczbę satelit. Wykorzystaliśmy do tego ten sam jednoczęstotliwościowy zestaw RTK Ublox Neo M8P. Jednak szybko napotkaliśmy podobny problem, co w porcie kontenerowym. Budynek biurowy zasłaniał część satelit, przez co sygnał zanikał i traciliśmy poprawki przy podejściu do ściany na odległość od ok. 8-10m. Przeszkody terenowe okazały się być bardzo dużym problemem, mimo że były relatywnie niskie w porównaniu z portem kontenerowym. Wniosek: zestaw jednoczęstotliwościowy nie może być wykorzystywany do tego typu nawigacji; nie spełni on naszych oczekiwań.
Postanowiliśmy przetestować dwuczęstotliwościowy zestaw RTK Ublox c099-f9p-1 z odbiornikiem ZED F9P. Odtworzyliśmy te same warunki testów w środowisku zurbanizowanym. Otrzymaliśmy bardzo stabilne odczyty pozycji. W trakcie testów zmniejszaliśmy odległość odbiornika od budynku. Mimo zbliżenia się na 1m od ściany, zestaw RTK działał poprawnie. Nie występował także dryf pozycji w czasie, a odczyt położenia odbiornika GPS odzwierciedlał rzeczywistą zmianę lokalizacji. Wyniki były bardzo dobre jak na nasze potrzeby.
Wyraźnie widać potencjał dla rozwiązań z korektami RTK. Podczas testów z zestawem dwuczęstotliwościowym w środowisku miejskim przekroczyliśmy granicę, do której wcześniej nie udało się dotrzeć. Dokładność i wyniki sugerują, że system dwuczęstotliwościowy jest bardziej odporny na źródła zakłóceń sygnału odbitego. Kontynuujemy więc testy i zgłębiamy wiedzę potrzebną do wdrożenia systemów RTK w produkcji. Następnym krokiem będą testy w środowisku docelowym, którym jest port kontenerowy. Śledź nasze aktualizacje!
Zobacz również:
Konserwacja predykcyjna: wykorzystaj sztuczną inteligencję, aby zapobiegać awariom maszyn, zanim do nich dojdzie!
Konsekwencje mogą być poważne: opóźnienia w dostawach, niezadowolenie klientów, zmarnowane zasoby i nieplanowane koszty.
Automatyzacja procesów: Uwolnienie produktywności dzięki IoT
W dzisiejszych czasach, w których technologia rozwija się wykładniczo, potencjał zrewolucjonizowania codziennych procesów jest na wyciągnięcie ręki.
Inwestowanie w IoT: Dlaczego każdy grosz jest tego wart?
Dlaczego te projekty są tak kosztowne? A co ważniejsze, czy naprawdę są warte tego wydatku? Odpowiedź brzmi: tak! Oto dlaczego!
Pozostańmy w kontakcie
Opowiedz nam o swoim projekcie, a my wkrótce się z Tobą skontaktujemy.
Porozmawiaj z ekspertem
Paweł Skiba
IoT Solution Architect