Utiliser un kit pour développer rapidement des applications de positionnement de précision basées sur GNSS

Les systèmes globaux de navigation par satellite (GNSS) sont fréquemment utilisés pour couvrir les besoins de navigation courants. Pourtant, les applications modernes nécessitent une précision de positionnement bien supérieure à celle offerte par les systèmes de navigation par satellites classiques. Bien qu'il existe des méthodes de correction GNSS capables de fournir des informations de positionnement de plus en plus précises, leur déploiement est souvent associé à des problèmes de précision, de fiabilité, de facilité d'intégration et de sécurité.

Des avancées considérables sont toutefois en passe d'être réalisées afin de répondre à ces enjeux. Nous allons ici nous intéresser à un module GNSS haute précision entièrement intégré et compatible toutes bandes, à un kit d'évaluation, à un logiciel et à des services proposés par u-blox, tous conçus pour vous aider à déployer rapidement des systèmes de positionnement nécessitant une précision de l'ordre du centimètre.

Pourquoi certaines applications nécessitent une précision de positionnement supérieure à celle offerte par le GNSS standard

À l'heure actuelle, les applications de transport personnel et commercial nécessitant une précision de l'ordre de quelques mètres (m) ont largement recours à la navigation par GNSS. La disponibilité de méthodes de correction telles que le système de renforcement à large zone de couverture (WAAS) a permis d'améliorer encore un peu plus la précision de positionnement, celle-ci pouvant atteindre entre 1 et 2 mètres. Si ce degré de précision suffit à satisfaire les besoins de l'aviation, elle reste insuffisante pour un large éventail d'applications.

Par exemple, les modules GNSS traditionnels à bande unique peinent souvent à offrir la précision, la rapidité et la robustesse requises, ce qui les rend inadaptés aux systèmes d'aide à la conduite (ADAS) et aux fonctions de conduite autonome, qui nécessitent de détecter avec précision la voie empruntée par le véhicule. De la même manière, les solutions performantes pour les drones ou les véhicules terrestres autonomes reposent sur une convergence rapide des signaux, une précision exceptionnelle et une protection efficace contre les interférences.

L'agriculture de précision et les équipements lourds nécessitent une précision au centimètre (cm) près, en particulier dans les régions isolées où les services de correction traditionnels basés sur le protocole Internet (IP) se heurtent à des problèmes de couverture, de performances aléatoires et de coûts d'exploitation élevés.

De même, les infrastructures de télécommunications dépendent d'une synchronisation précise à la nanoseconde (ns) près, ce que peinent à offrir les modules GNSS traditionnels, qui font souvent l'objet de problèmes de précision en plus d'être susceptibles aux usurpations et aux interférences.

Les solutions GNSS toutes bandes classiques peuvent offrir une meilleure précision, mais elles sont souvent plus complexes, plus gourmandes en énergie et plus coûteuses. Le module GNSS haute précision toutes bandes ZED-X20P conçu par u-blox répond directement aux défis associés à ces applications.

Comment une solution complète améliore la précision de positionnement

Conçu pour fournir aux applications des données de positionnement précises avec la plus large couverture possible, le module ZED-X20P de u-blox capte simultanément de multiples bandes GNSS, notamment la bande L1 entre 1559 et 1610 mégahertz (MHz), la bande L2 entre 1215 et 1252 MHz, la bande L5 entre 1164 et 1210 MHz, la bande L6/E6 entre 1260 et 1300 MHz, ainsi que la bande L entre 1520 et 1559 MHz.

Les capacités toutes bandes du module lui permettent de prendre en charge de nombreuses constellations GNSS, notamment le système de positionnement mondial (GPS), le système de navigation par satellite Galileo, le système de navigation par satellite BeiDou (BDS), le système de renforcement satellitaire (SBAS), le système de satellites Quasi-Zenith (QZSS) ainsi que le système de navigation avec la constellation indienne (NavIC). À noter que si une faible consommation d'énergie est indispensable, il est possible de configurer le module de façon à ce qu'il ne reçoive qu'une partie des constellations GNSS.

Pour les développeurs, le module est conçu pour accélérer l'intégration système et réduire la complexité, en fournissant une solution de positionnement haute précision clé en main grâce à son architecture hautement intégrée (Figure 1).

Figure 1 : Le module GNSS ZED-X20P offre une prise en charge multi-bande et multi-constellation complète, une sécurité intégrée et des algorithmes de convergence rapides, permettant ainsi aux développeurs de déployer des systèmes GNSS haute précision. (Source de l'image : u-blox)

Le module associe un frontal radiofréquence (RF) multibande à un bloc logique comprenant un processeur, un moteur GNSS, une mémoire Flash intégrée et un moteur de synchronisation dédié avec sortie de synchronisation temporelle configurable. Il se présente sous la forme d'un boîtier compact à montage en surface de seulement 17,0 millimètres (mm) × 22,0 mm × 2,4 mm, et consomme typiquement environ 55 milliampères (mA) à 3,0 volts (V).

Alors que l'analyseur de spectre intégré au module surveille l'environnement RF à la recherche d'interférences, le ZED-X20P offre également une protection contre de multiples menaces directes. Son système de défense multi-niveaux comprend une racine de confiance avec démarrage et stockage sécurisés, une détection des brouillages et des usurpations, ainsi que la prise en charge du protocole OSNMA (Open Service Navigation Message Authentication) de Galileo (Figure 2). Le système OSNMA de Galileo assure une transmission sécurisée de bout en bout depuis les satellites Galileo, permettant aux utilisateurs civils de bénéficier d'une authentification adaptée aux applications GNSS critiques en termes de sécurité.

Figure 2 : La prise en charge de Galileo OSNMA par le module GNSS ZED-X20P garantit une transmission sécurisée de bout en bout depuis les satellites Galileo, permettant aux utilisateurs civils de bénéficier d'une authentification adaptée aux applications GNSS critiques en termes de sécurité. (Source de l'image : u-blox)

Pour les applications de positionnement haute précision, le module prend en charge à la fois la correction cinématique en temps réel (RTK) associée à la représentation en espace d'observation (OSR) et la correction cinématique en temps réel avec positionnement ponctuel précis (PPP-RTK) associée à la représentation en espace d'état (SSR).

Les mesures de correction RTK avec OSR sont transmises sous forme de messages RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) par les fournisseurs de données de correction via Internet, à l'aide du protocole NTRIP (Network Transport of RTCM via IP). Le mode de fonctionnement RTK du module offre une solution simple pour les applications à ligne de base relativement courte utilisant le RTK réseau (nRTK) ou le RTK à station unique. Dans le cas du nRTK, le module utilise les corrections RTCM d'un fournisseur de services de station de référence virtuelle (VRS) exploitant un réseau VRS. Dans le cas du RTK à station unique, la station de référence est locale et transmet les données de correction au récepteur mobile.

Par exemple, le RTK à station unique sera parfaitement adapté à une tondeuse robot, un module ZED-X20P étant utilisé comme station de référence pour fournir des corrections à un deuxième ZED-X20P utilisé comme récepteur mobile (Figure 3).

Figure 3 : Grâce à la prise en charge native du RTK avec OSR, deux modules ZED-X20P peuvent être rapidement configurés pour répondre aux besoins des applications à courte ligne de base, comme les tondeuses robots. (Source de l'image : u-blox)

Le PPT-RTK avec SSR utilise également le protocole NTRIP, mais plutôt que de fournir des données de correction spécifiques, ce protocole transmet des modèles basés sur les satellites (tels que les orbites, les horloges et les biais de signal) au récepteur à l'aide du format SPARTN (Secure Position Augmentation for Real-Time Navigation). À partir des données transmises, un récepteur PPT-RTK avec SSR calcule lui-même les corrections locales en se basant sur les données contenues dans les messages SPARTN transmis via les réseaux de données mobiles ou par radiodiffusion satellite en bande L.

Comme ce protocole de correction utilise des volumes de données très faibles et des corrections calculées par le récepteur, il est particulièrement efficace pour les applications à longue ligne de base avec une bande passante de communication limitée. Grâce à ses capacités de réception en bande L et à sa prise en charge native des formats SPARTN/SSR, le module ZED-X20P est parfaitement adapté à des applications telles que les véhicules aériens sans pilote (UAV), les équipements agricoles et les systèmes de logistique ou de transport, qui se caractérisent par un accès plus que limité aux réseaux de données mobiles. Pour recevoir les informations de correction, il est possible de tirer parti du service de correction PPP-RTK PointPerfect Flex de u-blox, qui propose des forfaits abordables basés sur l'utilisation et prend en charge les messages au format SPARTN transmis via les réseaux de données mobiles ou les connexions satellite en bande L.

Lorsqu'il a accès à des données de correction fiables reçues via une antenne de haute qualité telle que l'ANN-MB2-00 de u-blox, le module ZED-X20P atteint une précision de positionnement RTK de 0,6 cm + 1 partie par million et une précision de positionnement PPP-RTK < 6 cm avec des temps de convergence typiques < 7 secondes (s) et < 40 s pour le RTK et le PPP-RTK, respectivement.

Des ressources de développement conçues pour accélérer l'évaluation et l'intégration

Alors que les fonctionnalités du module ZED-X20P contribuent à simplifier l'intégration système, le kit d'évaluation EVK-X20P-00 de u-blox (Figure 4) a été conçu pour accélérer l'évaluation du module. En plus des câbles et de l'antenne ANN-MB2-00, le kit comprend une carte qui intègre un récepteur GNSS complet spécialement conçu pour le module ZED-X20P.

Figure 4 : Le kit d'évaluation EVK-X20P-00 simplifie le prototypage et l'intégration GNSS en fournissant une plateforme matérielle et logicielle facile à utiliser pour des temps de développement réduits. (Source de l'image : u-blox)

Afin d'accélérer l'évaluation des applications, le progiciel d'évaluation GNSS u-blox u-center 2 comprend des outils serveur/diffuseur et client NTRIP qui permettent d'exécuter une configuration base locale/rover avec OSR via RTCM, ou de connecter le client à PointPerfect Flex pour du PPP-RTK avec SSR.

Conclusion

De nombreuses applications émergentes dans les domaines de la robotique, de l'automobile, de l'agriculture, de la logistique et de la synchronisation nécessitent des données de positionnement de l'ordre du centimètre, ce que le GNSS standard et le protocole IP ne sont généralement pas en mesure de proposer. En combinant les solutions de u‑blox, notamment le module GNSS ZED-X20P, le kit d'évaluation EVK‑X20P, le logiciel u‑center 2 et le service de correction GNSS PointPerfect Flex, il est possible de déployer rapidement des applications nécessitant des positions et des mesures de temps précises.