W listopadzie 2021 roku podjęliśmy współpracę z integratorem rozwiązań technologicznych, który szukał metody precyzyjnej identyfikacji i lokalizowania kontenerów w porcie kontenerowym. Środowisko portowe stawia przed systemami GPS wyjątkowo trudne warunki: kontenery składowane są w wieżach sięgających 5 jednostek wzwyż, ustawiane w długich szeregach, tworząc gęste korytarze radiowe. Efektem jest ograniczona widoczność nieba oraz duża liczba sygnałów odbitych od metalowych ścian.
Porty kontenerowe to miejsca, gdzie precyzja lokalizacji ma bezpośrednie przełożenie na efektywność operacji i bezpieczeństwo. Błąd pozycjonowania rzędu kilku metrów może oznaczać operowanie na niewłaściwym kontenerze. Zdecydowaliśmy się zastosować technologię GPS RTK (real-time kinematic positioning), która w sprzyjających warunkach osiąga dokładność centymetrową.
Do technologii nawigacji satelitarnej GNSS (Global Navigation Satellite System) zaliczamy systemy takie jak GPS, Glonass, Beidou czy QZSS. Określają one pozycję odbiornika na podstawie odległości między satelitami a odbiornikiem, obliczanej na podstawie czasu, jaki sygnał pokonuje od nadajnika do odbiornika, przemnożonego przez prędkość sygnału. W praktyce jednak obliczona odległość rzadko jest tą rzeczywistą. Sygnał satelitarny przechodząc przez kolejne warstwy atmosfery ulega załamaniu, co wprowadza błędy pomiaru m.in. błędy orbity, zegara i troposfery.
W idealnych warunkach antena GPS ma swobodny widok na niebo w zakresie ok. 150°, co pozwala na odbiór sygnału z wystarczającej liczby satelitów – minimum 4 są wymagane do prawidłowego obliczenia pozycji. Im więcej satelitów, tym dokładniejszy i stabilniejszy odczyt.
W rzeczywistości każda przeszkoda terenowa między satelitą a odbiornikiem ogranicza ten widok i degraduje jakość odczytu. Im bardziej zurbanizowane lub zagęszczone środowisko, tym gorsze warunki dla systemów satelitarnych.
Dodatkowym źródłem błędów są odbicia sygnału. Sytuacja, w której sygnał dociera do odbiornika nie tylko ścieżką bezpośrednią, ale też odbitą od przeszkód terenowych takich jak budynki, drzewa czy jak w naszym przypadku, metalowe ściany kontenerów. Każda dodatkowa ścieżka sygnału wprowadza zakłócenia i powoduje dryf pozycji.
GPS RTK (real-time kinematic positioning) to technologia, która odpowiada na te ograniczenia, osiągając dokładność centymetrową w czasie rzeczywistym. Działa na zasadzie stacji bazowej o znanej pozycji referencyjnej, która mierzy różnicę między swoją rzeczywistą a obliczoną pozycją i na tej podstawie generuje poprawki dla każdego sygnału satelitarnego. Poprawki te są następnie przesyłane do odbiornika końcowego, przez radio (np. LoRa, Wi-Fi) lub sieci komórkowe (protokół NTRIP) i pozwalają na bieżąco korygować obliczaną pozycję. Kluczowe ograniczenie: stacja bazowa i odbiornik końcowy nie mogą być oddalone od siebie o więcej niż 10 km. Technologia ma sens wyłącznie lokalnie.
Do pierwszych testów wybraliśmy jednoczęstotliwościowy odbiornik Ublox Neo M8P. Stacja bazowa komunikowała się z modułem ruchomym przez technologię radiową LoRa.
Środowisko portowe szybko ujawniło swoje ograniczenia. Napotkaliśmy trzy główne problemy:
Zestaw jednoczęstotliwościowy w tym środowisku nie spełnił naszych oczekiwań.
Przed powrotem do portu postanowiliśmy przeprowadzić testy porównawcze w środowisku zurbanizowanym, czyli mniej ekstremalnym, ale pozwalającym na kontrolowane pomiary. Sprawdzaliśmy, w jakiej odległości od budynków biurowych zestaw Neo M8P traci wspomaganie RTK.
Wynik okazał się niepomyślny już przy odległości 8-10 metrów od ściany budynku, sygnał zanikał, poprawki RTK były niedostępne. Wniosek był jednoznaczny: zestaw jednoczęstotliwościowy nie nadaje się do nawigacji w środowiskach z przeszkodami terenowymi.
Zdecydowaliśmy się przetestować dwuczęstotliwościowy zestaw Ublox c099-f9p-1 z odbiornikiem ZED-F9P , pracujący jednocześnie na częstotliwościach L1 i L5. Odbiornik przetwarza sygnały z dwóch niezależnych ścieżek, co pozwala korygować m.in. błędy troposfery, jeden z głównych źródeł niedokładności w standardowych systemach GNSS.
Wyniki były jakościowo inne. Przy tych samych warunkach testowych, zbliżając odbiornik do 1 metra od ściany budynku, system RTK działał stabilnie, bez utraty sygnału, bez dryfu pozycji. Odczyty odzwierciedlały rzeczywistą zmianę lokalizacji w czasie rzeczywistym.
Testy wyraźnie pokazały przewagę rozwiązań dwuczęstotliwościowych w środowiskach z ograniczoną widocznością nieba i wysokim poziomem odbić sygnału. Zestaw jednoczęstotliwościowy, mimo niższego kosztu, nie jest w stanie zapewnić wymaganej stabilności w gęstym środowisku miejskim ani portowym.
Wyniki testów w środowisku zurbanizowanym dają podstawy do dalszych prac. Kolejnym krokiem są testy zestawu dwuczęstotliwościowego bezpośrednio w porcie kontenerowym, docelowym środowisku wdrożenia, gdzie warunki propagacji sygnału są jeszcze bardziej wymagające.
Masz nietypowy pomysł lub wyzwanie, którego nie da się rozwiązać gotowym produktem? Zgłoś się do nas. Lubimy projekty, które nie mieszczą się w schematach.
Masz nietypowy pomysł lub wyzwanie, którego nie da się rozwiązać gotowym produktem? Zgłoś się do nas. Lubimy projekty, które nie mieszczą się w schematach.
