Smart Logistics Mit Real Time Kinematic wird Logistik smarter

Unter dem Überbegriff der Smart Logistics entstehen momentan innovative Ansätze, die unter anderem auf fahrerlose Logistikkonzepte setzen. Erste Testläufe mit Drohnen sind bereits vielversprechend durchgeführt worden. Durch technische Weiterentwicklungen sind diese nun in der Lage, auch schwerere Pakete zu transportieren. Damit Logistiker aber mit einer Drohnenflotte künftig eine verlässliche Zustelloption bieten können, ist es nun noch wichtig, an ihrer Präzision zu arbeiten.

Eine präzise Positionsbestimmung von Drohnen für die Paketzulieferung ist das A und O, um diesem Zustellkonzept zum Durchbruch verhelfen zu können. Diese Präzision ist derzeit nur mithilfe von künstlicher Intelligenz in Verbindung mit immer besserer positions­bestimmender Sensorik möglich. Übliche GNSS-Empfänger könnten dies trotz der stetigen Weiterentwicklung und Verbesserung der Systeme von GPS, Beidou, Galileo oder Glonass nicht leisten.

Denn je nach aktueller Satellitenkonstellation kann die ermittelte Position auch bei sonst guten Bedingungen durchaus um einige Meter danebenliegen. Das ist fatal für Situationen, in denen eine höhere Präzision benötigt wird. Bei der Sensorik zur Positionsbestimmung haben optische und akustische Verfahren meist das Nachsehen gegenüber elektromagnetischen Wellen. Die Technik hat unzählige Vorteile und ist inzwischen für die meisten Anwendungen auch durchweg bezahlbar geworden. Ab Bluetooth 5.1 stehen mit Angle of Arrival (AoA) und Angle of Departure (AoD) neue Ortungsfunktionen zur Verfügung. Bei UWB oder Wi-Fi kennt man dies als Real Time Location System (RTLS) bereits länger. Der Nachteil liegt bislang vor allem in der Wirtschaftlichkeit des dafür benötig­ten Hardwaresetups. Auch Funk­protokolle wie ANT oder das Anbringen von RFID-Transpondern können eine interessante Lösung darstellen.

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Speziell bei Outdoor-Einsätzen haben sich jedoch satellitengestützte Systeme am besten bewährt, da die meisten alternativen Technologien für viele Anwendungen aufgrund des wechselnden Einsatzortes und der unzureichenden Präzision nicht geeignet sind.

Zentimetergenaue Lieferung durch RTK-Fehlerkorrektur

Landvermessungen wären ohne Navigationssatellitensysteme nicht mehr denkbar. Wird ein durch Vermessungen exakt bestimmter Ort als Referenzstation definiert und die Posi­tion dann noch mit einem GNSS-Empfänger bestimmt, ist es möglich, den GNSS-​Fehler präzise aus der Abweichung zu ermitteln. Analysiert man von dem Ort aus den Himmel, so ergeben sich viele Daten zur aktuellen Satellitenkonstellation und zum Brechungswinkel zur Hemisphäre. Diese ermittelten Daten können ohne nennenswerte Abstri­che in einem Radius von etwa 50 Kilo­metern als gültig betrachtet werden. Erst bei grösseren Entfernungen würden sich die Sichtwinkel zu den Satelliten oder die Dicken und somit Brechungswinkel der Atmosphärenschichten merklich ändern. Erhält nun ein sich innerhalb des 50-Kilometer-Radius aufhaltendes, mobiles Objekt diesen exakt ermittelten Positionsfehler der Referenzstation, kann es den bekannten Fehler zur Korrektur der gemessenen GNSS-Position anwenden.

Das Ergebnis wäre eine Positionsbestimmung, die nur ein bis zwei Zentimeter Unschärfe hätte, anstatt der sonst üblichen drei bis fünf Meter. Daraus ergeben sich zum Beispiel für AGVs (Automated Guided Vehicles) in der Logistik oder Flugdrohnen ganz neue Aufgabenfelder. Die Fehlerkorrektur durch zeitlich synchrone Übertragung eines bekannten Referenzfehlers nennt man Real Time Kinematic (RTK). Je nach Anwendungsfall können Kunden bei kommerziellen RTK/CORS-Netzwerkanbietern, wie SAPOS, APOS, AGNES oder RTK Clue, Zugriff auf die nächstgelegene Referenzstation bekommen – vorteilhaft bei flexiblen Einsatzorten.

SoC oder Modul – das ist hier die Frage

Mit Unicore Communications verfügt Rutronik über einen führenden Anbieter solcher RTK-fähigen GNSS-Lösungen. Grundlage des Portfolios aus Navigationsmodulen, -boards, -geräten und -kits bilden die von Unicore selbst entwickelten Halbleiterchips: Das UFire­bird UC6226 ist zum Beispiel ein Standard-GNSS System-on-Chip (SoC) mit besonders niedriger Leistungsaufnahme. RTK-Lösungen basieren dagegen auf dem Nebulas-II UC4C0, einem SoC mit leistungs­stärkerer Multi-Core-Recheneinheit und Unterstützung von Galileo, QZSS, Glonass, Beidou und GPS. Ein Design auf Basis eines solchen GNSS-SoC ist sehr anspruchsvoll, da unter anderem hochfrequente 1,5-GHz-Signale aus einem Rauschen detektiert und gefiltert werden müssen. Da selbst kleinste Designänderungen zwischen Sieg und Niederlage entscheiden, wird ein Design mit einem IC nur erfahrenen Hochfrequenzdesignhäusern empfohlen, weshalb Unicore fast allen Kunden zu den ausgereiften und perfekt abgestimmten Modulen rät. Bei einem Modul oder Board sind Hochfrequenzaufbereitung, Filterung und Signalverstärkung bereits umgesetzt und gegen äussere Beeinflussung der umliegenden Schaltungsteile möglichst gut abgeschirmt. Entsprechende Vorzertifizierungen verkürzen die Entwicklungszeit, minimieren das Risiko und sparen Investitionskosten. Entsprechend sind sie für die meisten geplanten Applikationen die bessere Option. Das UB4B0 ist ein solches Multi-​System GNSS High-Precision Board auf Basis des Nebulas-II SoCs. 432 Kanäle bieten genügend Platz, um empfangene Signale zu bewerten und die besten zur Positionsberechnung heranzuziehen. Die RTK-Genauigkeit wird horizontal mit 1 cm + 1 ppm und vertikal mit 1,5 cm + 1 ppm angegeben. Neben der seriellen Schnittstelle zur NMEA-​0183-Kommunikation stehen zudem eine Ethernetschnittstelle, USB (Host & Device), ein 1PPS-Signalausgang und ein Anschluss zur optionalen Verwendung eines externen Clock-Signals zur Verfügung. Das Board überzeugt zudem durch die schnelle Polaritäts­erkennung der Trägerphase sowie die Multipath Interference Detection. Das UB4B0 eignet sich sowohl zur Teilnahme im Ground-​Based Augmentation System als auch zur Integration in CORS-Netzwerken. Das Modul kommt bereits in vielen Vermessungs- und Kartierungsgeräten mit höchsten technischen Ansprüchen zum Einsatz, die eine besonders hohe Präzision erfordern.

Zusätzlich zum 100 × 60 × 11,4 mm grossen Modul bietet Unicore Communications mit dem UB4B0M eine aufwändigere Miniaturversion mit Abmessungen von gerade einmal 46 × 71 × 9 mm – ohne dabei Abstriche hinsichtlich Funktionsumfang oder Leistung zu machen. Auch das UB482 eignet sich mit 46 × 71 mm für den Einsatz in kleinen Bauräumen. Sowohl Heading- als auch Positioning-Daten können simultan mit bis zu 20 Hz ausgegeben werden. Das UB482 arbeitet bereits in professionellen beweglichen Anwendungen wie landwirtschaftlichen Maschinen und Flugdrohnen (UAV).

Bei den Modulvarianten der GNSS-Boards sind die besonders hochfrequenzkritischen Schaltungsteile bereits aufgebaut und vorzertifiziert. Lediglich die umgebende Peripherie muss kundenseitig ergänzt werden. Das AEC-Q104- und IATF16949-zertifizierte Modul UM220-IV NV basiert auf dem SoC UC6226 und bietet sich dank integriertem MEMS sowie Odometerunterstützung auch zum Dead-Reckoning-Navigationsbetrieb, beispielsweise bei der Navigation durch Tunnelsysteme, an. Ebenso steht eine Auswahl an stromsparenden Standard-GNSS-Modulen zur Verfügung sowie zu allen Varianten entsprechende Entwicklungskits. Auch fertig aufgebaute Empfängerboxen im Metallgehäuse sind verfügbar und können direkt mit einem Laptop verbunden werden und dienen nicht nur zum schnellen Aufbau einer eigenen CORS-Basisstation, sondern können auch für Feldtests oder Produktevaluierungszwecke verwendet werden.

Mit Wireless Competence zu Smart Logistics

Rutronik ist von der Bedeutung der RTK-Technologie und dem positiven Einfluss auf die sich stark entwickelnden Zielmärkte wie AGVs, Drohnen, Roboter und Smart Farming überzeugt. RTK prädestiniert sich zunehmend zur Ablösung von Standardsatellitenempfängern, da Ergebnisse mit höherer Präzision einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil bieten – auch wenn die Technologie trotz sinkender Preise eine geringfügig höhere Investition erfordert. Gemeinsam mit Unicore bietet das Rutronik Wireless Compe­tence Center nicht nur die neuesten State-of-the-Art-Lösungen an, sondern auch eine individuelle Produkt- und Systemberatung, die zusätzlich Antennenkonzepte, Spannungsversorgungen und die Funkdatenübertragung der Korrekturwerte beleuchtet. Rutronik kann auf das Portfolio von etwa 250 weiteren Elektroniklieferanten zurückgreifen und so für jeden spezifischen Einsatzzweck individuell ein komplettes GNSS-System aus einer Hand zusammenstellen – vom Xeon-​Hochleistungsserver über cloudbasiertes Device Management mit optionalen Geofencing-Regeln bis hin zur Status-LED.

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