MOTORE TRIMBLE PROPOINT: POSIZIONAMENTO E ORIENTAMENTO CENTIMETRICO DI NUOVA GENERAZIONE

Motore Trimble ProPoint: posizionamento e orientamento centimetrico di nuova generazione
Il motore GNSS Trimble ProPoint, presente in un segmento di ricevitori GNSS Trimble, fornisce prestazioni superiori in ambienti GNSS difficili. È dotato di una innovativa gestione delle misurazioni che sfrutta gli ultimi sviluppi nel GNSS e nella fusione dei sensori inerziali. Immergiti nel white paper riportato di seguito per saperne di più su questa tecnologia leader del settore.

INTRODUZIONE
Nel 1992, Trimble ha lanciato il primo ricevitore GPS (Global Positioning System) commerciale al mondo in grado di eseguire un posizionamento RTK (Real Time Kinematic) con precisione centimetrica. Sebbene questo sistema di prima generazione richiedesse all'utente di posizionare il rover su una posizione nota per inizializzare il sistema, questo si rivelò rivoluzionario per l’utenza, consentendo il rilievo topografico, il picchettamento nonché rilievi as-built in tempo reale.
Le applicazioni successive, come il controllo delle macchine edili e agricole, hanno prodotto motori di posizionamento che hanno fornito inizializzazioni rapide, elevata velocità di aggiornamento e posizioni a bassa latenza. Questo white paper tecnico fornisce una panoramica del motore GNSS Trimble ProPoint, il motore di posizionamento di precisione RTK/RTX di quinta generazione, progettato per fornire posizioni e orientamento dalla fusione di segnali GNSS, servizi di correzione a livello mondiale e dati di misurazione provenienti da una varietà di sensori.

ARCHITETTURA DI SISTEMA
Supporto per le costellazioni e frequenze più recenti.
Il segmento spaziale del Sistema Globale di Navigazione Satellitare (GNSS) viene costantemente modernizzato con nuove generazioni di satelliti. Questi nuovi segnali, pur migliorando le prestazioni delle apparecchiature usate dall’utenza, rappresentano una sfida per i produttori di ricevitori nel supportare la struttura delle nuove trasmissioni di segnali. I ricevitori Trimble, dotati di tecnologia Trimble Maxwell™ 7 e ProPoint, sono pronti a trarre vantaggio da tutti i segnali GNSS attuali trasmessi su tutte le frequenze. Questi includono:

La tecnologia ProPoint è in grado di utilizzare tutti i segnali trasmessi disponibili, a condizione che un ricevitore base RTK trasmetta correzioni per gli stessi segnali. Ciò ha portato a una soluzione più flessibile e più accurata negli ambienti GNSS difficili. La tecnologia ProPoint consente inoltre una gestione flessibile del segnale, che aiuta a mitigare gli effetti della degradazione del segnale e fornisce un funzionamento indipendente dalla costellazione GNSS. Ad esempio, quando singole frequenze e costellazioni vengono falsate (spoofing) o bloccate (jamming), il ricevitore continua a fornire il posizionamento utilizzando le misurazioni disponibili.

Saldo abbinamento dei dati IMU con RTK e RTX
Il motore ProPoint è stato progettato da zero pensando alla navigazione inerziale e alla fusione dei sensori. Le misurazioni GNSS grezze, insieme ai dati del giroscopio e dell'accelerometro, sono combinati in un'unica soluzione di posizione e orientamento. L'unità di misura inerziale (IMU) nella maggior parte dei prodotti è un progetto interno costruito sullo stesso circuito stampato del ricevitore GNSS. Questa salda integrazione fornisce una solida soluzione che massimizza i vantaggi di GNSS e INS.



Filtro capace e modellazione accurata di tutte le fonti di errore
Grazie ai progressi nello spettro del segnale GNSS e nella tecnologia di mobile computing a basso consumo, ProPoint è stato progettato con un approccio migliorato al filtraggio del segnale dati. Combinando tutte le misurazioni insieme in un unico filtro e stimando simultaneamente le ambiguità dei numeri interi della portante con un insieme esteso di stati del filtro, si ottiene una soluzione ottimale. Sebbene più impegnativo dal punto di vista del computo matematico, questo approccio consente un uso più flessibile di tutti i segnali GNSS disponibili.
Il risultato di questo nuovo approccio al filtraggio dei segnali è quello di consentire l’utilizzo di tutti i segnali disponibili nella soluzione di posizione RTK, dato che una grande varietà di metodi tradizionali, basati sulle combinazioni di segnali, sono diventati ridondanti. Sebbene siano necessari dati a doppia frequenza per tenere conto degli effetti atmosferici sui segnali GNSS nel posizionamento RTK, la migliorata tecnologia di filtraggio fa sì che il processore possa utilizzare uno o tutti i segnali, compresi i segnali individuali in ambienti di tracciamento difficili, generando una soluzione ottimale.

Modelli dinamici ottimizzati per l'applicazione
Il motore ProPoint consente agli utenti di scegliere da un modello dinamico, a seconda di ciò che meglio si adatta alla loro applicazione. Utilizzando i dati raccolti in una larga gamma di applicazioni, sono stati creati modelli che vengono utilizzati come input per il motore.

Tecniche di stima robuste per l'individuazione di valori anomali
Il motore ProPoint identifica all'interno dei dati di input ricevuti qualsiasi misura che non corrisponde a un modello stocastico. Per ogni misurazione che non corrisponde al suo modello stocastico, il motore rifiuterà la misurazione, adeguerà il modello stocastico assegnato alla misurazione o correggerà la misurazione stessa. Il metodo consente generalmente di fornire una stima precisa della posizione anche in presenza di misurazioni contenenti uno o più valori anomali.

Modalità di posizionamento
ProPoint supporta una varietà di modalità di posizionamento solo GNSS e GNSS/INS. Questi includono quanto segue:

A seconda della disponibilità delle correzioni differenziali, il motore eseguirà la transizione graduale delle modalità di posizionamento per fornire un posizionamento ininterrotto.

RTK xFill integrato
Durante i periodi di interruzione del segnale radio, quando il flusso di correzione della stazione base non è disponibile per supportare la rete RTK convenzionale a base singola o con stazione di riferimento virtuale (VRS), il servizio di correzione Trimble xFill® fornisce la tecnologia che consente di continuare il rilievo per brevi periodi con precisione a livello centimetrico. Ciò non solo elimina le interruzioni di rilievo ma consente anche una breve escursione in un'area schermata dal segnale radio di riferimento ma ancora visibile alle costellazioni GNSS. Per ottenere il posizionamento centimetrico con segnali GNSS, Trimble xFill fornisce un flusso di correzione specializzato trasmesso dal satellite in banda L, generato utilizzando la tecnologia Trimble Real-time eXtended (Trimble RTX®).

La tecnologia Trimble xFill è in grado di produrre posizioni RTK con livelli di precisione simili al tradizionale RTK differenziale poichè mitiga la stessa fonte di errori. L'orologio satellitare, l'orbita e le distorsioni di misurazione che vengono annullate tramite la differenza nell'elaborazione RTK standard, vengono modellati e trasmessi come parte del flusso di correzione Trimble RTX.
Questi effetti diventano quindi quantità note e possono essere adeguatamente presi in considerazione durante l'elaborazione delle misurazioni del rover. Gli errori atmosferici vengono gestiti da algoritmi sviluppati appositamente per il sistema Trimble RTX, riducendo eventuali effetti residui a un livello accettabile per applicazioni di posizionamento GNSS ad alta precisione. Di conseguenza, l'elaborazione complessiva dei dati Trimble RTX fornisce una modellazione degli errori residui sulle osservazioni satellitari paragonabili a quelli ottenuti con RTK.

Sfrutta la capacità della CPU nelle moderne piattaforme
Con l’aumento del numero di segnali GNSS, aumenta anche la potenza di calcolo richiesta per elaborare tutte le misurazioni. Per affrontare questa sfida, Trimble ha progettato piattaforme di ricezione con processori aggiornati e l'ultimo ASIC (Circuito Integrato Specifico per l'Applicazione) Trimble Maxwell 7 GNSS. Ciò consente di fornire posizioni ai sistemi di controllo con una latenza minima riducendo al tempo stesso il consumo energetico complessivo.



VANTAGGI DEL MOTORE TRIMBLE PROPOINT
I vantaggi derivanti dall'inclusione del motore di posizionamento ProPoint in varie applicazioni includono fattori chiave di valore quali precisione, disponibilità e integrità.
Molti sistemi di posizionamento possono fornire alcuni di questi attributi, ma il motore ProPoint fornisce il posizionamento e l'orientamento necessari per garantire il vero successo del tuo progetto. Nei test testa a testa con il motore RTK/RTX della generazione precedente in ambienti GNSS impegnativi, come vicino e tra gli alberi e in ambienti edificati, il motore Trimble ProPoint ha ottenuto prestazioni migliori di almeno il 30% rispetto a una serie di fattori, compreso il tempo necessario per raggiungere livelli di precisione centimetrica, accuratezza della posizione e affidabilità della misurazione.

Precisione
Le applicazioni di guida e controllo a cielo aperto beneficiano della precisione centimetrica di RTK da oltre 20 anni. Sfortunatamente, la maggior parte delle applicazioni autonome del mondo reale operano in ambienti difficili in cui la ricezione satellitare può essere compromessa. Alberi, edifici, ponti e altri ostacoli bloccano e riflettono i segnali in arrivo. ProPoint in modalità solo GNSS, con la sua gestione flessibile del segnale e l'approccio ottimale a filtro singolo, fornisce risultati di precisione a livello centimetrico sotto la chioma degli alberi dove in passato si potevano ottenere, nel migliore dei casi, una precisione a livello decimale. Per le applicazioni in cui la maggior parte del cielo è bloccato, l'integrazione delle misurazioni con IMU offre la soluzione migliore. Il motore ProPoint integra strettamente le misurazioni GNSS e IMU disponibili, fornendo precisione e orientamento a livello centimetrico durante questi eventi.



Anche la latenza dei risultati calcolati è un fattore importante nel controllo del veicolo autonomo. Una posizione può essere molto precisa, ma se viene ritardata ha poco valore per le prestazioni e la sicurezza del sistema. Il motore ProPoint produce posizioni e orientamenti con una latenza inferiore a 20 millisecondi con velocità di aggiornamento fino a 100 Hz.

Disponibilità
L'obiettivo di Trimble è da tempo quello di fornire una precisione a livello centimetrico per tutti, ovunque. Consentire ai nostri clienti di operare in ambienti difficili, amplia la varietà di potenziali applicazioni e offre un migliore ritorno sull'investimento tecnologico per l'utente finale.
ProPoint nelle modalità solo GNSS e GNSS/INS, offre una precisione a livello centimetrico in presenza di chiome di alberi più fitte e canyon urbani dove i motori storici avrebbero difficoltà. Sia i veicoli su strada che quelli fuoristrada che operano in prossimità di edifici o sotto i ponti, continuano a raggiungere quasi il 100% sulla disponibilità di posizione e orientamento.
In modalità RTK, gli utenti beneficiano della tecnologia xFill integrata per consentire il funzionamento continuato quando la fonte di correzione viene persa. Ciò aumenta la disponibilità rispetto a ciò che può essere ottenuto dagli utenti RTK che non sfruttano la tecnologia Precise Point Positioning (PPP) per colmare la perdita di correzioni dalla base locale.

Integrità
Fornire stime accurate e precise è fondamentale per il controllo a livello centimetrico delle macchine autonome. Le applicazioni dipendono da questi indicatori orizzontali e verticali per sapere quando fidarsi delle informazioni sulla posizione e sull'orientamento. Una stima errata può causare danni al prodotto finale, alle apparecchiature o, nel peggiore dei casi, al personale.
Test approfonditi di ProPoint in una varietà di ambienti in tutto il mondo, hanno portato a stime che riflettono accuratamente la precisione derivante dai vantaggi di calcolo derivanti da modelli di rumore migliorati e dalla capacità di adattare questi modelli a qualsiasi ambiente.

PRESTAZIONI COMPROVATE
Per valutare le capacità di ProPoint, era essenziale che il Team conducesse test sul campo che si avvicinassero molto ai tipi di sfide incontrate quotidianamente dai clienti sul campo. A tal fine, Trimble ha condotto un'ampia campagna di test, impiegando diversi percorsi di prova in tutto il mondo, ciascuno comprendente ambienti diversi caratterizzati da ostacoli GNSS comuni come alberi e edifici. Di seguito sono riportati esempi di test solo GNSS e GNSS/INS RTK effettuati per confrontare il motore della generazione precedente con il motore ProPoint. Risultati simili si ottengono nelle modalità RTX.

Prestazioni GNSS
Il motore Trimble ProPoint fornisce prestazioni superiori solo GNSS in ambienti ostili. Osservando i dati RTK da una linea di base stazionaria di 19 km con il rover in un ambiente suburbano (5 m di distanza da un edificio a 2 piani con alberi nelle vicinanze) si osserva un miglioramento sia nell'entità degli errori di posizione che nella stima della posizione errori. In ogni serie di grafici l'asse superiore fornisce l'errore di posizione in orizzontale mentre l'asse inferiore fornisce l'errore di posizione verticale.
Le linee blu indicano l'errore di posizione rispetto alle coordinate note per il punto di rilevamento. ProPoint produce una soluzione più accurata e precisa rispetto al motore RTK della generazione precedente.
Le linee rosse e arancioni indicano le stime degli errori 1-sigma, 2-sigma e 3-sigma emesse dal ricevitore in tempo reale. Si può vedere che questi sono migliorati notevolmente con ProPoint, stimando meglio l'errore di posizione effettivo in queste condizioni difficili. Anche le stime degli errori sono meno irregolari. Ciò aiuterà gli utenti a valutare meglio in tempo reale se la soluzione di posizione soddisfa o meno i loro requisiti di precisione.

Posizionamento con motore Trimble ProPoint



Posizionamento con motore RTK di generazione precedente



Prestazioni GNSS/INS
I seguenti risultati provengono dall’analisi di un percorso in ambiente suburbano di 13 km con il sistema in esecuzione in GNSS/INS(RTK), che inizia vicino alla stazione base e si estende fino a circa 9 km di distanza dalla stazione base. Un miglioramento significativo si nota nelle ellissi di errore del 95% del posizionamento orizzontale, mostrate per ProPoint in blu. Questa è la differenza tra le posizioni GNSS/INS in tempo reale e una traiettoria di verità post-elaborata ad alta precisione utilizzando un sistema Applanix POSLV (sistema IMU di fascia alta).



Miglioramenti simili si vedono nelle prestazioni verticali. Osservando la funzione di distribuzione cumulativa, si notano netti miglioramenti nel grafico dell'errore nella componente altezza. Con il motore GNSS/INS della generazione precedente, il 95% delle altezze (il 95 percentile) rientrava entro 78 mm dal valore reale, ora con il motore ProPoint il 95% delle altezze rientrava entro 23 mm dal valore reale.



CONCLUSIONE
Il motore Trimble ProPoint è un investimento per il futuro, pronto a fondere le misurazioni GNSS presenti e future con i dati inerziali e dei sensori per offrire prestazioni eccellenti negli ambienti più difficili.
Se precisione, disponibilità e integrità sono requisiti chiave per la tua applicazione, allora ProPoint è la scelta ideale.