Ein Kit zur schnellen Entwicklung GNSS-basierter Anwendungen zur präzisen Positionsbestimmung

Der Einsatz von globalen Satellitennavigationssystemen (GNSS) ist für die Navigation zur Routine geworden. Neue Anwendungen sind jedoch auf eine Positionsgenauigkeit angewiesen, die weit über die Möglichkeiten herkömmlicher satellitengestützter Navigationssysteme hinausgeht. Obwohl es GNSS-Korrekturmethoden gibt, die immer präzisere Positionsdaten liefern können, ist ihr Einsatz mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, wenn es darum geht, die erforderliche Genauigkeit, Zuverlässigkeit, einfache Integration und robuste Sicherheit zu gewährleisten.

Es werden jedoch rasche Fortschritte bei der Lösung dieser Probleme erzielt. Sehen wir uns ein vollständig integriertes Allband-GNSS-Modul hoher Präzision, ein Evaluationskit, Software und Dienstleistungen von u-blox an, die Ihnen helfen sollen, Positionierungssysteme, die eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erfordern, schnell zu implementieren.

Warum verschiedene Anwendungen eine Positionsgenauigkeit erfordern, die über die Grundfunktionen von GNSS hinausgeht

GNSS-gestützte Navigation ist zu einem Routinebestandteil von privaten und kommerziellen Transportanwendungen geworden, die eine Genauigkeit von wenigen Metern erfordern. Die Verfügbarkeit von Korrekturmethoden wie dem WAAS (Wide Area Augmentation System) hat die Positionsgenauigkeit weiter auf die für Präzisionsanflüge in der Luftfahrt erforderlichen 1 bis 2 m gesenkt, aber das ist immer noch nicht genau genug für eine breitere Palette von Anwendungen.

Herkömmlichen Einband-GNSS-Modulen mangelt es beispielsweise häufig an der erforderlichen Präzision, Geschwindigkeit und Robustheit, so dass sie für moderne Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und Selbstfahrfunktionen, die eine Genauigkeit auf Fahrspurenebene erfordern, nicht geeignet sind. Ebenso hängen wirksame Lösungen für Drohnen oder autonome Bodenfahrzeuge von einer schnellen Signalkonvergenz, einer außergewöhnlichen Genauigkeit und dem Schutz vor Störungen ab.

Anwendungen in der Präzisionslandwirtschaft und bei schweren Maschinen erfordern eine Genauigkeit im Zentimeterbereich, insbesondere an abgelegenen Standorten, wo herkömmliche Korrekturdienste auf Basis des Internetprotokolls (IP) mit Abdeckungslücken, uneinheitlicher Leistung und hohen Betriebskosten zu kämpfen haben.

Ebenso hängt die Telekommunikationsinfrastruktur von einer präzisen Zeitsynchronisation im Nanosekundenbereich (ns) ab, eine Herausforderung für herkömmliche GNSS-Module, die oft mit der Genauigkeit und der Anfälligkeit für Manipulation und Störungen zu kämpfen haben.

Herkömmliche Allband-GNSS-Lösungen können die Genauigkeit verbessern, führen aber oft zu Komplexität, erhöhtem Energiebedarf und höheren Kosten. Das hochpräzise All-Band-GNSS-Modul ZED-X20P von u-blox adressiert diese anwendungsspezifischen Herausforderungen direkt.

Wie eine umfassende Lösung die Positionierungsgenauigkeit verbessert

Das Modul u-blox ZED-X20P wurde entwickelt, um Anwendungen mit präzisen Positionsdaten bei grösstmöglicher Abdeckung zu versorgen. Es erfasst gleichzeitig mehrere GNSS-Bänder, darunter L1 bei 1559 bis 1610 Megahertz (MHz), L2 bei 1215 bis 1252 MHz, L5 bei 1164 bis 1210 MHz, L6/E6 bei 1260 bis 1300 MHz und L-Band bei 1520 bis 1559 MHz.

Die All-Band-Fähigkeiten des Moduls ermöglichen die Unterstützung mehrerer GNSS-Konstellationen, darunter das Global Positioning System (GPS), das Galileo-Satellitennavigationssystem, das BeiDou Navigation Satellite System (BDS), das Satellite-Based Augmentation System (SBAS), das Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) und die Navigation with Indian Constellation (NavIC). Wenn Sie den Stromverbrauch wirklich begrenzen müssen, können Sie das Modul so konfigurieren, dass es nur eine Teilmenge der GNSS-Konstellationen empfängt.

Für Entwickler ist das Modul darauf ausgelegt, die Systemintegration zu beschleunigen und die Komplexität zu reduzieren. Dank seiner hochintegrierten Architektur ist es eine sofort implementierbare Lösung für hochpräzise Positionierung (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das GNSS-Modul ZED-X20P bietet umfassende Multiband- und Multikonstellationsunterstützung, integrierte Sicherheit und schnelle Konvergenzalgorithmen, die Entwicklern helfen, hochpräzise GNSS-Designs zu optimieren. (Bildquelle: u-blox)

Das Modul kombiniert sein Multiband-Hochfrequenz-Frontend (RF) mit einem digitalen Block, der einen Prozessor, eine GNSS-Engine, einen integrierten Flash-Speicher und eine dedizierte Timing-Engine mit konfigurierbarem Zeitimpuls-Synchronisationsausgang umfasst. Es ist in einem kompakten oberflächenmontierten Gehäuse mit den Abmessungen von nur 17,0 × 22,0 × 2,4 Millimetern (mm) untergebracht und verbraucht bei 3,0 Volt typischerweise etwa 55 Milliampere (mA).

Während der integrierte Spektrumanalysator des Moduls die HF-Umgebung auf Interferenzen überwacht, schützt das ZED-X20P auch vor mehreren direkten Bedrohungen. Die mehrschichtige Verteidigung umfasst eine Vertrauensbasis mit sicherem Booten und sicherer Speicherung, Erkennung von Störeinflüssen und Manipulation sowie Unterstützung für Galileo Open Service Navigation Message Authentication (OSNMA) (Abbildung 2). Galileo OSNMA gewährleistet eine sichere End-to-End-Übertragung von Galileo-Satelliten und bietet zivilen Nutzern eine Authentifizierung für ihre sicherheitskritischen GNSS-Anwendungen.

Abbildung 2: Die Unterstützung des GNSS-Moduls ZED-X20P für Galileo OSNMA gewährleistet eine sichere End-to-End-Übertragung von Galileo-Satelliten und bietet zivilen Nutzern eine Authentifizierung für ihre sicherheitskritischen GNSS-Anwendungen. (Bildquelle: u-blox)

Für präzise Positionierungsanwendungen unterstützt das Modul sowohl die kinematische Echtzeitkorrektur (RTK) mit Beobachtungsraumdarstellung (OSR) als auch die kinematische Echtzeitkorrektur für präzise Punktpositionierung (PPP-RTK) mit Zustandsraumdarstellung (SSR).

RTK mit OSR-Korrekturmessungen werden als RTCM-Nachrichten (Radio Technical Commission for Maritime Services) von Korrekturdatenanbietern über das Internet unter Verwendung des NTRIP-Protokolls (Network Transport of RTCM via IP) übertragen. Der RTK-Betriebsmodus des Moduls bietet eine unkomplizierte Lösung für Anwendungen mit relativ kurzer Basislinie, die entweder mit Netzwerk-RTK (nRTK) oder Einzelstations-RTK aufgebaut sind. Mit nRTK verwendet das Modul RTCM-Korrekturen eines Anbieters von virtuellen Referenzstationen (VRS), der ein VRS-Netz betreibt. Bei der Einzelstations-RTK ist die Referenzstation lokal und überträgt Korrekturdaten an den Rover-Empfänger.

So kann z. B. eine Mähroboteranwendung problemlos RTK mit einer Station verwenden, wobei ein ZED-X20P-Modul als Referenzstation dient und Korrekturen an ein zweites ZED-X20P liefert, das als Rover-Empfänger fungiert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Dank der nativen Unterstützung von RTK mit OSR können zwei ZED-X20P-Module schnell konfiguriert werden, um Kurzstreckenanwendungen wie z.B. Roboterrasenmäher zu unterstützen. (Bildquelle: u-blox)

PPT-RTK mit SSR verwendet ebenfalls das NTRIP-Protokoll, aber anstatt spezifische Korrekturdaten zu liefern, überträgt dieses Protokoll satellitenzentrische Modelle, einschließlich Umlaufbahnen, Zeitsignalen und Signalverzerrungen, an den Empfänger unter Verwendung des SPARTN-Formats (Secure Position Augmentation for Real-Time Navigation). Unter Verwendung der gestreamten Daten berechnet ein PPT-RTK mit SSR-Empfänger selbst lokale Korrekturen anhand von Daten, die in SPARTN-Nachrichten enthalten sind, die über das mobile Internet oder über L-Band-Satelliten übertragen werden.

Da dieses Korrekturprotokoll sehr niedrige Datenraten mit vom Empfänger berechneten Korrekturen kombiniert, ist es besonders effektiv für Anwendungen mit langer Basislinie und begrenzter Kommunikationsbandbreite. Mit seinen L-Band-Empfängerfähigkeiten und der nativen Unterstützung für SPARTN/SSR eignet sich das ZED-X20P-Modul hervorragend für Anwendungen wie unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), landwirtschaftliche Geräte und Logistik-/Transportsysteme, bei denen mobile Internetverbindungen bestenfalls punktuell vorhanden sind. Für den Erwerb von Korrekturinformationen können Sie den PPP-RTK-Korrekturdienst PointPerfect Flex von u-blox nutzen, der kosteneffiziente nutzungsbasierte Pläne anbietet, die Nachrichten im SPARTN-Format unterstützen, die über mobile Internetverbindungen oder L-Band-Satellitenverbindungen übertragen werden.

Mit Zugang zu zuverlässigen Korrekturdaten, die über eine hochwertige Antenne wie die ANN-MB2-00 von u-blox empfangen werden, erreicht das ZED-X20P-Modul eine RTK-Positionierungsgenauigkeit von 0,6 cm + 1 ppm und eine PPP-RTK-Positionierungsgenauigkeit von <6 cm mit typischen Konvergenzzeiten von <7 Sekunden (s) und <40 s für RTK bzw. PPP-RTK.

Entwicklungsressourcen beschleunigen Evaluierung und Integration

Während die funktionalen Fähigkeiten des Moduls ZED-X20P die Systemintegration vereinfachen, hilft Ihnen das Evaluierungskit EVK-X20P-00 von u-blox (Abbildung 4), die Evaluierung des Moduls zu beschleunigen. Neben Kabeln und einer ANN-MB2-00-Antenne enthält das Kit eine Platine, die einen kompletten GNSS-Empfänger auf Basis des ZED-X20P-Moduls implementiert.

Abbildung 4: Das Evaluationskit EVK-X20P-00 vereinfacht das GNSS-Prototyping und die Integration und bietet eine einfach zu bedienende Hardware- und Software-Plattform für eine schnelle Entwicklung. (Bildquelle: u-blox)

Um die Evaluierung von Anwendungen zu beschleunigen, enthält das GNSS-Evaluierungssoftwarepaket u-center 2 von u-blox NTRIP Server/Caster- und Client-Tools, so dass Sie eine lokale Basis- und Rover-Konfiguration mit OSR über RTCM ausführen oder den Client mit PointPerfect Flex für PPP-RTK mit SSR verbinden können.

Fazit

Viele neu entstehende Anwendungen in den Bereichen Robotik, Automobiltechnik, Landwirtschaft, Logistik und Zeitmessung benötigen Positionsdaten im Zentimeterbereich, die von einfachen GNSS- und ungleichmäßigen IP-Verbindungen nicht zuverlässig bereitgestellt werden können. Eine Kombination von u-blox-Lösungen, einschliesslich des GNSS-Moduls ZED-X20P, des Evaluierungskits EVK-X20P, der Software u-center 2 und des GNSS-Korrekturdienstes PointPerfect Flex, bietet einen schnellen Weg zum Einsatz von positions- und zeitkritischen Anwendungen.