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Adapterboard für Real-Time-Kinematik Intelligente Outdoor-Lösungen rascher entwickelt

Von Stephan Menze, Rutronik 5 min Lesedauer

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Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
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congatec GmbH

War Real-Time-Kinematik bislang eine entwicklungsintensive Technologie, derer sich nur wenige Hersteller hochpreisiger Outdoor-Applikationen bedienten, wird RTK jetzt auch für den Massenmarkt wirtschaftlich attraktiv.

Bild 1: Basis des RAB4 ist das GNSS-Modul UM980 von Unicore, ein hochpräzises Multikonstellation/Multifrequenz-RTK-Positionierungsmodul, das auf GNSS SoC NebulasIV basiert.(Bild: Rutronik)
Bild 1: Basis des RAB4 ist das GNSS-Modul UM980 von Unicore, ein hochpräzises Multikonstellation/Multifrequenz-RTK-Positionierungsmodul, das auf GNSS SoC NebulasIV basiert.
(Bild: Rutronik)

Die hochpräzise Positionsbestimmung via RTK liefert in Echtzeit bis auf etwa zwei Zentimeter genaue Ergebnisse und bietet enormes Potenzial bei der Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung u. a. in der Landwirtschaft. Bei der technologischen Umsetzung stoßen Hersteller aufgrund der erheblichen Komplexität und begrenzter Ressourcen jedoch häufig an ihre Grenzen.

Die Wireless-Experten von Rutronik sehen in RTK großes Potenzial, auch für ein breiteres Marktumfeld, weshalb sich Rutronik System Solutions und das Wireless Competence Center des Distributors gemeinsam der Thematik angenommen haben. Damit Kunden, die sich eine RTK-Lösung für ihre Anwendungen vorstellen können, aber ob der Komplexität eines entsprechenden Systems zögern, haben die Experten der beiden Bereiche das RAB4 entwickelt, ein Adapterboard, welches aufgrund der Arduino-Header auch mit den Rutronik Base Boards RDK2, RDK3 für BLE-Anwendungen und RDK4 sowie den bisher erhältlichen Adapterboards kombinierbar ist. Zudem verfügt das Adapterboard über alle relevanten Schnittstellen wie UART und USB-C.

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GPS oder RTK – Wer braucht was?

Welche Technologie für eine mobile Außenanwendung die optimal passende ist, lässt sich zunächst anhand zweier Aspekte einordnen: Beim klassischen GPS wird die Position exakt einmal pro Sekunde gemessen. Real-Time-Kinematik misst hingegen bis zu 200 Positionen in der gleichen Zeit. Daraus resultiert eine extreme Präzision von ein bis zwei Zentimetern. Diese ist mit GPS nicht möglich. Anwendungen, die auf diese Technologie setzen, müssen mit einem Positionierungsspielraum von drei bis fünf Meter kalkulieren.

Zusammen gefasst ist GPS für „Wo ist“-Anwendungen, wie Flottenmanagement, Containertracking oder Navigationssysteme völlig ausreichend. Wenn es um eine spezifischere „Movement Control“ (Bewegungskontrolle) geht, ist RTK jedoch die bessere Wahl. Drohnen, selbstfahrende (landwirtschaftliche) Maschinen oder Roboter, etwa Rasenmähroboter, gewinnen dadurch an Effizienz und Exaktheit in ihren Bewegungen.

So funktioniert Real-Time-Kinematik

Real-Time-Kinematik (RTK) nutzt für die präzise Ortung zwei GNSS-Empfänger: einen als Basis- und einen als Roverempfänger. Der Basisempfänger ist stationär angebracht und empfängt Signale von Satelliten, um genaue Positionsinformationen zu erhalten. Diese Signale beinhalten Korrekturdaten, die Abweichungen von erwarteten Werten aufgrund atmosphärischer Bedingungen oder anderer Faktoren enthalten können. Die Basisstation berechnet ihren eigenen Standort anhand der empfangenen Signale von GNSS-Satelliten und vergleicht ihn mit ihrer bekannten, festen Position. Fehler und Abweichungen werden erkannt und ein Korrektursignal wird in Echtzeit an den Roverempfänger übermittelt.

Der Roverempfänger befindet sich an der Stelle, an der die Position gemessen werden soll, beispielsweise in einem Fahrzeug und hat daher in der Regel keine feste, sondern eine mobile Position. Die drahtlose Kommunikation zwischen Basis- und Roverempfänger ermöglicht es dem Rover, die Korrekturdaten von der Basisstation zu empfangen und dadurch die Genauigkeit seiner Positionsberechnung zu verbessern.

Die Kommunikation zwischen den beiden Empfängern erfolgt über eine Basisstation, die lediglich eine Internetverbindung benötigt. Dabei wird automatisch die Station ausgewählt, deren Signal zum Zeitpunkt der Anfrage am stärksten ist, unabhängig von geografischen Grenzen.

Adapterboard ermöglicht Schritt in den Massenmarkt

Rutroniks Wireless Competence Center bietet mit den Produkten von u. a. Unicore Communication nicht nur die neuesten State-of-the-Art-Lösungen an, sondern auch eine individuelle Produkt- und Systemberatung, die auch Antennenkonzepte, Spannungsversorgungen und die Funkdatenübertragung der Korrekturwerte beinhaltet. Rutronik ist in der Lage ein komplettes GNSS-System aus einer Hand zusammenstellen – angepasst an individuelle Anforderungen des Kunden. Möglich macht das ein äußerst umfangreiches Produktportfolio von etwa 250 Elektroniklieferanten.

Im Zentrum des RAB4 steht zum einen das GNSS-Modul UM980 von Unicore, ein hochpräzises Multikonstellation/Multifrequenz RTK-Positionierungsmodul, das auf dem GNSS-SoC NebulasIV basiert. Es unterstützt alle derzeit verfügbaren Konstellationen und Frequenzen (GPS/BDS/GLONASS/Galileo/QZSS). Mit einer RTK-Datenaktualisierungsrate von 50 Hz unterstützt das Modul PPP einschließlich E6 HAS und BDS B2b. Sofortige RTK-Initialisierungstechnologie, 60 dB Narrowband Störungsunterdrückung und –erkennung und Heading2- sowie die äußerst genaue SA-Einzelstations-Positionierungstechnologie sorgen für eine stabile und schnelle Verbindung. Damit Entwickler das RAB4 sofort in Betrieb nehmen können, liefert Rutronik eine SIM-Karte (mit 100 MB Datenvolumen) für den integrierten NanoSIM Card Connector von JAE kostenfrei mit.

Um die RTK-Technologie vollumfänglich und unabhängig nutzen zu können, ist eine Internet-Verbindung erforderlich, die durch das zweite Kernelement, das Telit-Modul Cinterion LTE C1 ThreadX GNSS mit 2G/3G-Fallback ermöglicht wird. Dieses Modul bietet eine erstklassige 3GPP-rel10-Plattform und ist bereits für MTC-Funktionen gemäß 3GPP Rel.12 konzipiert. Über USB 2.0 HS, UART und benutzerdefinierbare GPIOs erlaubt es eine einfache Integration mit Peripheriegeräten und Aktoren. Die integrierten TCP/IP- und UDP/IP-Stacks sorgen für eine schnelle und unterbrechungsfreie Datenübertragung.

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Je nach Anforderung der geplanten Anwendung müssen die benötigten Antennen eine andere Leistung liefern. Aus diesem Grund verfügt das RAB4 über drei verschiedene Antennen von 2J, sodass bereits in der Vorentwicklungsphase ganz unkompliziert getestet werden kann, welches Modell das Best-Fit darstellt:

  • Cellular 4G LTE/3G/2G MIMO Magnetic Mount Antenna (2J6924MA): Speziell für die drahtlose MIMO-Technologie entwickelt und abgestimmt, ist die Doppelkabelantenne in der Lage, mehr als ein Datensignal gleichzeitig über Mehrwegeausbreitung zu senden und zu empfangen. Mit der IP67/IP69-Schutzart eignet sie sich auch für Anwendungen im robusteren Umfeld, etwa in landwirtschaftlichen Maschinen.
  • GPS/GNSS/SBAS/RTK/L1/L2 Dome-Antenne mit Magnetmontage (2J7C01MC2F): Sie überzeugt durch ihre hohe Präzision und Genauigkeit im Zentimeterbereich aufgrund der Kombination von Precise Point Positioning (PPP) L1 und L2 mit RTK. Gerade im Bereich der Land- und hydrografischen Vermessungsanwendungen ist dieses Bauteil eine optimale Wahl, da es Fehlerkorrekturen in Echtzeit verwendet und gleichzeitig zentimetergenaue Positionsdaten beibehält.
  • GPS/GLONASS/BeiDou/QZSS/Galileo/IRNSS/L1/L5 Dome Antenne (2J7C01MC3F): Sie ist ebenso für hochpräzise und fortschrittliche Signaltechnologien konzipiert und deckt alle wichtigen GNSS-Bänder ab. Dabei überzeugt die Hochleistungsantenne durch ihren geringen Stromverbrauch (48 mW) bei gleichbleibend, hoher Effizienz. Auch hier ermöglicht die IP67/IP69-Schutzart den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen.

Mit Rutronik den Schritt in die erste Reihe

RTK bietet die Möglichkeit, eine präzise absolute Positionierung von Geräten wie Landmaschinen, AGVs (Automated Guided Vehicles) oder Robotern zu gewährleisten. Diese Technologie öffnet die Tür zur Realisierung völlig neuer (teil-)automatisierter Anwendungen. Die Kombination dieser Präzision mit einer positiven Preisentwicklung lässt es sehr wahrscheinlich erscheinen, dass sich RTK in Zukunftsmärkten wie Smart City, Smart Gardening und Smart Agriculture als dominante Technologie etablieren wird. (mk)

* Stephan Menze ist Head of Global Innovation Management bei Rutronik.

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