實施自動化定點作業:即時動態技術提高定位精度

作者 : Bernd Hantsche,Rutronik嵌入式及無線產品行銷總監

即時動態定位技術(RTK)透過已知參考誤差的時間同步傳輸進行誤差校正。客戶可以根據應用,透過商用RTK/CORS網路供應商取得最近的參考站,以實現靈活定位優勢...

在不久的將來,割草機、掃地機、披薩派送車和垃圾處理設備將不需人工協助也可提供服務。飛行無人機可以承擔危險的工作任務,例如不需要遠端控制便可清洗摩天大樓的窗戶或清潔電塔。這些工作只有借助人工智慧(AI)技術,並配合使用日益成熟的定位感測器技術才能夠實現。儘管GPS、北斗、伽利略或Glonass衛星導航系統都在不斷發展和改進,但傳統的全球衛星導航系統(GNSS)接收器無法做到精確定點作業。

根據當前的衛星群落分佈,即使在其他狀況都良好的情況下,所確定的位置也可能有幾公尺距離的偏差。這對於需要較高精度的應用而言是致命的。例如,在農業領域,如果自動駕駛機器在實際需要施肥的植物旁邊的三公尺處施肥,或者完全剪除樹枝而非只剪幾公分,便會導致極大的農作物損失,從而造成相應的經濟損失。

在用於確定位置的感測器方面,光學和聲學方法通常比不上電磁波。電磁波技術具有眾多的優勢,而且成本對於現在大多數應用都是能夠負擔的。從藍牙5.1標準開始,可以使用新的到達角(AoA)和發射角(AoD)定位功能,加上UWB或Wi-Fi通訊技術,這些被稱為即時定位系統(RTLS)。目前主要缺點是所需硬體設置的成本效益較低。ANT等無線電協定或RFID感應器貼片是具有吸引力的解決方案。

然而,特別是對於戶外應用,業界已經證明衛星定位系統才是最好的選擇。由於位置變化和精準度不足的緣故,大多數替代技術已經不適合廣泛應用或者已不具備很好的經濟效益。隨著智慧農業或機器人等新興市場的應用領域不斷擴大,公分級精確定位的高科技解決方案的價格正在逐漸下降。

RTK的誤差校正實現精準定位

如果沒有導航衛星系統,將無法進行土地勘察。如果將透過測量而精確確定的位置定義為參考站,然後使用GNSS接收器確定位置,則可以根據偏差來精確確定GNSS系統的誤差;透過這個位置分析天空測量資料,則可獲得關於當前衛星群落和對半球折射角的資料。這些確定的資料可視為有效的,在大約50公里半徑範圍內沒有顯著偏差。只有在更遠的距離上,衛星的視角或者大氣層的厚度和折射角才會發生明顯的變化。

如果半徑50公里範圍內的移動物體現在從參考站接收到精確確定的位置誤差,就可以應用已知誤差來校正測量的GNSS位置,這可以實現偏差僅1到2公分的精確定位,而相比之下,偏差通常高達3到5公尺。這推動了業界開拓自動導引車(AGV)在農業和物流產業,或者空中無人機方面的全新應用領域。

透過已知參考誤差的時間同步傳輸進行誤差校正稱為即時動態定位技術(RTK)。根據應用,客戶可以透過商用RTK/CORS網路供應商取得最近的參考站,例如SAPOS、APOS、AGNES或RTK Clue (在以下網址能找到更多例子https://rutronik-tec.com/available-cors-networks-in-europe-to-cooperate-with-unicore-gnss-modules/),這是靈活定位的優勢。或者,客戶可以設置自己的基地站,這適用於長期持續使用的區域,例如在農業方面:大多數農民的田地都在50公里以內,因此為農場配備GNSS接收器並線上傳輸定位誤差是很有用的。在田野間,拖拉機還可以利用GNSS系統確定位置,並運用行動無線電設備在農場確定誤差偏移。

農業通常租賃特殊設備,在這種情況下,這些機器用於國外各處田地,比如昨天在德國,明天則移動到波蘭使用。所以,用戶必須使用外部連續運行參考站(CORS)系統網路運營商的服務。與行動電話服務提供商相似,那些公司已經將基地站設置得足夠靠近,並且提供接取服務來獲利。

SoC或模組?並非所有解決方案都適用

在線路卡產品方面,儒卓力(Rutronik)可提供來自領先供應商和芯星通(Unicore Communications)具有RTK功能的GNSS解決方案。該公司旗下Unicore導航模組、電路板、設備和套件產品組合的基礎是自行生產的半導體晶片,例如UFirebird UC6226是具有極低功耗的標準GNSS SoC。另一方面,RTK解決方案基於Nebulas-II UC4C0,這款SoC具有功能更強大的多核心運算單元並支援伽利略、QZSS、Glonass、北斗和Navstar GPS。基於此類GNSS SoC的設計要求非常高,因此僅推薦經驗豐富的高頻設計公司使用。

在模組或電路板卡中,已經進行了高頻處理、濾波和訊號放大,並盡可能進行遮罩,以防止外部對電路零組件的影響。相應的預認證縮短了開發時間,最大限度地降低了風險並節省了投資成本。因此,它們是大多數已計畫應用專案的較好選擇。UB4B0就是利用Nebulas-II SoC開發的多系統GNSS高精度板卡,它具有432個通道,因而提供了充足的空間來評測接收訊號並使用最好的通道進行位置計算。RTK精準度指定為水平1cm+1ppm和垂直1.5cm+1ppm。除了用於NMEA-0183通訊的序列介面外,還提供乙太網介面、USB (主機和設備)、1PPS訊號輸出,以及可選使用外部時脈訊號的連接。該板卡還具有載波相位的快速極性檢測和多徑干擾檢測功能。UB4B0適合加入陸基增強系統以及整合到CORS網路中。該模組已經應用於許多具有最高技術要求和極高精度要求的測繪設備中。

除了尺寸為100x60x11.4mm的模組之外,和芯星通還提供UB4B0模組,這是尺寸僅為46x71x9mm的更精巧的小型產品,不會影響到功能或性能。46x71mm的UB482適用於狹小的安裝空間,可以採用高達20Hz的頻率同時輸出航向和定位資料。UB482已經用於農業機械和無人機等專業移動設備的應用中。

如果使用模組型款GNSS板卡,特別高頻關鍵電路零組件已經構建並經過預認證。客戶只需添加外圍的周邊裝置。UM220-IV NV模組已通過AEC-Q104和IATF16949認證,它採用了UC6226 SoC,並且由於整合了MEMS和里程表支援功能,還適用於航位推算導航,例如隧道內的系統導航。它還提供一系列低功耗標準GNSS模組,以及適用於所有產品型款的開發套件。它也提供現成的金屬外殼接收器盒,可直接連接到筆記型電腦,不僅可用於快速設置客戶自己的CORS基地台,還可用於現場測試或產品評測。

當關乎cm+/-精度時:結合最先進的無線技術

儒卓力認為即時動態(RTK)技術非常重要,它將有利於例如AGV、無人機、機器人和智慧農業等目標市場的快速發展。業界越來越認為RTK注定要取代普通衛星接收器,因為精度更高的定位結果提供了決定性競爭優勢;儘管價格下降,RTK技術所需要的投資仍然略高一些,但仍然是物有所值。

儒卓力無線技術中心與和芯星通合作,不僅提供最先進的新型解決方案,並對個別的產品和系統提供諮詢,進一步闡明了天線概念、電源和校正數值資料的無線電傳輸資訊。此外,還有來自大約250家電子元件供應商的產品組合,能夠針對每項特定應用,而單一來源組裝完整的GNSS系統,應用範圍涵蓋從Xeon高性能伺服器到具有可選地理圍欄規則和狀態LED的雲端設備管理。

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