Utilizzare un kit per sviluppare rapidamente applicazioni di posizionamento di precisione basate su GNSS

L'uso dei sistemi di navigazione satellitare globale (GNSS) è diventato una pratica comune per la navigazione di base. Ma le applicazioni emergenti dipendono da una precisione di posizionamento che va ben oltre la capacità dei sistemi di navigazione satellitari tradizionali. Sebbene sia possibile trovare metodi di correzione GNSS in grado di fornire informazioni di posizionamento sempre più precise, la loro implementazione presenta molteplici sfide nel garantire l'accuratezza, l'affidabilità, la facilità di integrazione e la sicurezza richieste.

Si stanno tuttavia compiendo rapidi progressi per risolvere questi problemi. Diamo un'occhiata a un modulo GNSS ad alta precisione all-band completamente integrato, al kit di valutazione, al software e ai servizi di u-blox, progettati per favorire la rapida implementazione dei sistemi di posizionamento che richiedono una precisione a livello centimetrico.

Perché le diverse applicazioni richiedono una precisione di posizionamento che vada oltre il GNSS di base

La navigazione basata su GNSS è diventata una parte abituale delle applicazioni di trasporto personale e commerciale che richiedono una precisione di pochi metri. La disponibilità di metodi di correzione come WAAS (sistema di miglioramento dell'area di copertura) ha ulteriormente migliorato la precisione di posizionamento portandola a 1 o 2 metri come richiesto per gli avvicinamenti di precisione in aviazione, ma per una serie più ampia di applicazioni tali metodi non sono ancora abbastanza accurati.

Ad esempio, i tradizionali moduli GNSS a banda singola spesso non hanno la precisione, la velocità e la robustezza richieste, per cui non risultano adatti per i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e per le funzioni di guida autonoma che richiedono precisione a livello di corsia. Analogamente, le soluzioni per i droni o i veicoli terrestri autonomi per essere efficaci dipendono dalla rapida convergenza del segnale, da una precisione eccezionale e dalla protezione dalle interferenze.

L'agricoltura di precisione e le applicazioni con attrezzature pesanti richiedono una precisione centimetrica, soprattutto in località remote dove i tradizionali servizi di correzione basati su protocollo Internet (IP) si trovano in difficoltà a causa di vuoti di copertura, prestazioni irregolari e spese operative elevate.

Da parte sua, l'infrastruttura delle telecomunicazioni dipende da una precisa sincronizzazione temporale entro pochi nanosecondi, un'impresa impegnativa per i moduli GNSS tradizionali che spesso hanno problemi di precisione e sono suscettibili allo spoofing e alle interferenze.

Le soluzioni GNSS tradizionali all-band possono migliorare la precisione, ma spesso introducono complessità, richieste di energia superiore e comportano costi più elevati. Il modulo GNSS ad alta precisione all-band ZED-X20P di u-blox affronta direttamente queste sfide specifiche dell'applicazione.

Come una soluzione completa migliora la precisione di posizionamento

Progettato per fornire alle applicazioni dati di posizionamento precisi con la copertura più ampia possibile, il modulo ZED-X20P di u-blox acquisisce contemporaneamente più bande GNSS, tra cui L1 da 1559 a 1610 MHz, L2 da 1215 a 1252 MHz, L5 da 1164 a 1210 MHz, L6/E6 da 1260 a 1300 MHz e la banda L da 1520 a 1559 MHz.

Le capacità all-band del modulo gli consentono di supportare più costellazioni GNSS, tra cui il sistemi di posizionamento globale (GPS), il sistema di navigazione satellitare Galileo, il sistema di navigazione satellitare BeiDou (BDS), il sistema di miglioramento basato su satelliti (SBAS), il sistema satellitare Quasi-Zenith (QZSS) e il sistema di posizionamento satellitare regionale indiano (NavIC). Tenere presente che se è davvero necessario limitare il consumo energetico, è possibile configurare il modulo per ricevere solo un sottoinsieme di costellazioni GNSS.

Per gli sviluppatori, il modulo è progettato per velocizzare l'integrazione del sistema e ridurre la complessità, fornendo una soluzione drop-in per il posizionamento ad alta precisione grazie alla sua architettura altamente integrata (Figura 1).

Figura 1: Il modulo GNSS ZED-X20P offre un supporto completo multibanda e multi-costellazione, sicurezza integrata e algoritmi di convergenza rapida, aiutando gli sviluppatori a semplificare i progetti GNSS ad alta precisione. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Il modulo combina il suo front-end a radiofrequenza (RF) multibanda con un blocco digitale che comprende un processore, un motore GNSS, una memoria flash integrata e un motore di temporizzazione dedicato con uscita di sincronizzazione degli impulsi temporali configurabile. Viene fornito in un contenitore compatto a montaggio superficiale che misura solo 17,0 × 22,0 × 2,4 mm e in genere consuma circa 55 mA a 3,0 V.

Mentre l'analizzatore di spettro integrato nel modulo monitora l'ambiente RF per rilevare eventuali interferenze, lo ZED-X20P protegge anche da numerose minacce dirette. La sua difesa a più livelli include una radice di attendibilità con avvio sicuro e archiviazione sicura, rilevamento di jamming e spoofing e supporto per l'autenticazione dei messaggi di navigazione del servizio aperto (OSNMA) di Galileo (Figura 2). OSNMA di Galileo garantisce una trasmissione end-to-end sicura dai satelliti Galileo, fornendo agli utenti civili l'autenticazione per le loro applicazioni GNSS critiche per la sicurezza.

Figura 2: Il supporto del modulo GNSS ZED-X20P per OSNMA di Galileo garantisce una trasmissione end-to-end sicura dai satelliti Galileo, fornendo agli utenti civili l'autenticazione per le loro applicazioni GNSS critiche per la sicurezza. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Per le applicazioni di posizionamento di precisione, il modulo supporta sia la correzione cinematica in tempo reale (RTK) con rappresentazione dello spazio di osservazione (OSR) che la correzione cinematica in tempo reale per il posizionamento preciso dei punti (PPP-RTK) con rappresentazione dello spazio degli stati (SSR).

Le misure RTK con correzione OSR arrivano come messaggi della Radio Technical Commission for Maritime Services (RTCM) trasmessi dai fornitori di dati di correzione su Internet utilizzando il protocollo di trasporto rete di RTCM via IP (NTRIP). La modalità di funzionamento RTK del modulo fornisce una soluzione semplice per applicazioni a baseline relativamente corta, costruite con RTK di rete (nRTK) o RTK a stazione singola. Con nRTK, il modulo utilizza le correzioni RTCM di un fornitore di servizi per stazione di riferimento virtuale (VRS) che gestisce una rete VRS. In modalità RTK a stazione singola, la stazione di riferimento è locale e trasmette i dati di correzione al ricevitore del rover.

Ad esempio, un tosaerba robotizzato può facilmente utilizzare RTK a stazione singola, in cui un modulo ZED-X20P funge da stazione di riferimento fornendo correzioni a un secondo ZED-X20P che funge da ricevitore del rover (Figura 3).

Figura 3: Utilizzando il supporto nativo di RTK con OSR, è possibile configurare rapidamente due moduli ZED-X20P per supportare applicazioni a baseline corta come i tosaerba robotizzati. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Anche PPT-RTK con SSR utilizza il protocollo NTRIP, ma anziché fornire dati di correzione specifici, questo protocollo trasmette al ricevitore modelli incentrati sui satelliti, tra cui orbite, orologi e polarizzazioni del segnale, utilizzando il formato SPARTN (miglioramento sicuro della posizione per la navigazione in tempo reale). Servendosi dei dati trasmessi in streaming, un ricevitore PPT-RTK con SSR calcola autonomamente le correzioni locali utilizzando i dati contenuti nei messaggi SPARTN trasmessi su Internet mobile o tramite trasmissione satellitare in banda L.

Poiché questo protocollo di correzione combina velocità di trasmissione dati molto basse con correzioni calcolate dal ricevitore, è particolarmente efficace per applicazioni a baseline lunga con larghezza di banda di comunicazione limitata. Grazie alle sue capacità di ricevitore in banda L e al supporto nativo per SPARTN/SSR, il modulo ZED-X20P è adatto per applicazioni come aeromobili a pilotaggio remoto (APR), attrezzature agricole e sistemi logistici/di trasporto, dove le connessioni Internet mobili potrebbero essere a dir poco imprecise. Per l'acquisizione delle informazioni di correzione, è possibile usufruire del servizio di correzione PPP-RTK PointPerfect Flex di u-blox, che offre piani basati sull'utilizzo a costi contenuti che supportano i messaggi in formato SPARTN trasmessi tramite connessioni Internet mobili o connessioni satellitari in banda L.

Con l'accesso a dati di correzione affidabili ricevuti su un'antenna di alta qualità come ANN-MB2-00 di u-blox, il modulo ZED-X20P raggiunge una precisione di posizionamento RTK di 0,6 cm + 1 ppm e una precisione di posizionamento PPP-RTK <6 cm con tempi di convergenza tipici <7 s e <40 s rispettivamente per RTK e PPP-RTK.

Le risorse di sviluppo velocizzano la valutazione e l'integrazione

Mentre le funzionalità del modulo ZED-X20P aiutano a semplificare l'integrazione del sistema, il kit di valutazione EVK-X20P-00 di u-blox (Figura 4) aiuta a velocizzare la valutazione del modulo. Oltre ai cavi e a un'antenna ANN-MB2-00, il kit include una scheda che implementa un ricevitore GNSS completo progettato sulla base del modulo ZED-X20P.

Figura 4: Il kit di valutazione EVK-X20P-00 semplifica la prototipazione e l'integrazione GNSS, fornendo una piattaforma hardware e software facile da usare per uno sviluppo rapido. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Per velocizzare la valutazione delle applicazioni, il pacchetto software di valutazione GNSS u-center 2 di u-blox include strumenti server/caster e client NTRIP che permettono di eseguire una configurazione locale con stazione base e ricevitore rover con OSR tramite RTCM o di collegare il client a PointPerfect Flex per PPP-RTK con SSR.

Conclusione

Molte applicazioni emergenti di robotica, automotive, agricoltura, logistica e temporizzazione hanno bisogno di dati di posizionamento centimetrico che il GNSS di base e la connettività IP irregolare non sono in grado di fornire in modo affidabile. Una combinazione di soluzioni u-blox, tra cui il modulo GNSS ZED-X20P, il kit di valutazione EVK-X20P, il software u-center 2 e il servizio di correzione GNSS PointPerfect Flex, offre un percorso rapido per l'implementazione di applicazioni sensibili alla posizione e al tempo.