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GPS/GNSS con precisione al centimetro - Spiegazione del sistema RTK
RTK in 5 minuti
Per ottenere una precisione al centimetro con il GPS, è necessario disporre di un ricevitore GPS dotato della funzionalità “RTK”: il telefono cellulare o il localizzatore GPS per animali domestici non sono adatti a questo scopo.
Una volta in possesso di un ricevitore GPS RTK, esistono 3 modi per utilizzarlo per misurare punti con precisione al centimetro:
La maggior parte dei paesi dispone di reti RTK per i topografi, talvolta gratuite. Alcuni utenti condividono inoltre online le proprie stazioni base gratuitamente. In alternativa, è possibile abbonarsi a un servizio NTRIP a pagamento. Se nella propria zona è disponibile una rete RTK, questa è solitamente l’opzione più semplice.
Se desideri essere completamente indipendente dai servizi, puoi decidere di installare una tua stazione base. Ciò ti consentirà di spostarti con il rover entro un raggio di 35 km dalla stazione stessa.
Puoi lasciare il tuo dispositivo fermo per 1 ora? In tal caso non hai bisogno dei dati di correzione. Registra i tuoi dati GPS sul campo e migliorane la precisione in un secondo momento. La precisione al centimetro viene calcolata in seguito, una volta tornato in ufficio ed elaborati i dati con un servizio PPK.
RTK in dettaglio: alla scoperta del GPS con precisione centimetrica
Pensate al ricevitore GPS del vostro cellulare o della vostra auto: si tratta di quelli che vengono definiti ricevitori GPS standard (noti anche come GNSS*). I ricevitori GNSS standard disponibili oggi sul mercato presentano un margine di errore compreso tra 1 e 10 metri e funzionano solo all’aperto. Questo margine di errore dipende dalla qualità del produttore del ricevitore GPS e da quanto la vista del cielo sia ostruita da oggetti o edifici. In condizioni ideali, la precisione assoluta massima che si può ottenere è di circa 1 metro.
*GNSS è l'acronimo di Global Navigation Satellite Systems (Sistemi globali di navigazione satellitare) ed è un termine che comprende non solo il GPS, ma anche altri sistemi di posizionamento satellitare come GLONASS, BeiDou, Galileo, QZSS…
È interessante notare che, se posizioniamo due ricevitori GNSS uno accanto all’altro in un campo aperto, entrambi presenteranno lo stesso errore di 1 metro, e nella stessa direzione! Questo errore è noto come errore standard del GNSS.
Immaginiamo ora di conoscere con una precisione al centimetro la posizione di uno dei ricevitori GNSS. A quel punto possiamo calcolare la posizione della seconda unità, con un margine di errore di appena 1 centimetro!
Ma questa tecnica non è nuova. Si tratta di una tecnologia molto antica denominata GNSS differenziale o GNSS RTK (Real-Time Kinematic). Da oltre 20 anni consente alle applicazioni civili di raggiungere una precisione di 1 centimetro (posizione RTK). Nella terminologia RTK, l’unità fissa è denominata “stazione base” e quella mobile “rover”.
Allora, quali sono le novità? Ho anche sentito dire che si tratta di una tecnologia molto costosa e che bisogna seguire un corso di formazione per usarla correttamente, vero?”
«Non più :)»
Noi di ArduSimple cerchiamo di rendere la tecnologia GNSS RTK semplice, conveniente e accessibile a tutti. Grazie a una serie di kit di avvio, tutorial e prodotti OEM, consentiamo ai nostri clienti di:
- Hanno testato la tecnologia e ritengono che sia possibile raggiungere una precisione dell'ordine dei centimetri a un costo accessibile.
- Accelerate lo sviluppo dei vostri progetti e prodotti grazie alle nostre schede di sviluppo "plug and play" e ai nostri kit di avvio.
- Create prodotti e soluzioni grazie al nostro supporto, ai nostri servizi chiavi in mano e ai nostri prodotti OEM preconfigurati.
«Allora, da dove posso cominciare?»
Il ricevitore RTK (detto anche rover)
simpleRTK2B – Basic Starter Kit
Il sistema RTK multibanda più diffuso sul mercato dal 2018. Ideale per il tuo primo progetto GPS, con un’affidabile precisione centimetrica. Dotato di u-blox ZED-F9P e antenna ANN-MB.
La stazione base RTK
Le correzioni RTK sono le informazioni inviate dalla “stazione base” al “rover”, in modo che quest’ultimo possa calcolare la propria posizione con una precisione dell’ordine dei centimetri. Il linguaggio/protocollo utilizzato per inviare queste informazioni si chiama RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services). A volte si sente parlare di correzioni RTK e correzioni RTCM: si tratta sostanzialmente della stessa cosa. Per calcolare questa posizione RTK, entrambi i ricevitori devono poter vedere più o meno gli stessi satelliti. Per questo motivo le correzioni RTCM sono valide solo fino a una distanza di 35 km dalla stazione base (alcuni dicono 25 km, altri 50 km; la distanza esatta dipenderà dalla qualità dell’antenna e del ricevitore). È inoltre utile sapere che le correzioni provenienti da una stazione base possono essere utilizzate da un numero illimitato di rover, purché si trovino entro questo raggio di 35 km dalla stazione base. Si tratterebbe in questo caso di una configurazione multirover.
Cosa succede quando ci si allontana di oltre 35 km dalla stazione base? Non è più possibile ottenere una precisione di 1 centimetro e la precisione si riduce molto rapidamente fino a raggiungere i 2 metri standard.
Invio delle correzioni RTK
Le correzioni RTCM/RTK vengono inviate solitamente una volta al secondo e possono essere trasmesse tramite una comunicazione seriale cablata, un collegamento wireless o una rete IP. Vediamo le differenze più nel dettaglio.
Wired
Per le unità che si trovano molto vicine tra loro, è possibile collegarle tramite cavi. È sufficiente una porta seriale (TTL, RS232).
Wireless
- Per una distanza massima di 10 metri tra la base e il rover, sono sufficienti 2kit di avvio Basic. Le antenne GNSS incluse nel kit sono dotate di cavi da 5 metri. Inoltre, è possibile estendere questa distanza fino a un massimo di 20 metri (10 metri per lato) aggiungendoi nostricavi RF a bassa perdita.
- Fino a poche centinaia di metri, 1kit a medio raggio (MR). Questo kit consente di collegare un solo rover per ogni stazione base.
- Fino a pochi chilometri, 1kit Long Range (LR)con funzionalità multirover.
- Fino a 50 chilometri, 1 kiteXtra Long Range (XLR)con funzionalità multirover.
Medium Range Radio – RTK Starter Kit
Kit RTK Base e RTK Rover preconfigurato e pronto all’uso, comprensivo di collegamento radio con portata fino a 1 chilometro.
Long Range Radio – RTK Starter Kit
Kit RTK Base e RTK Rover preconfigurato e pronto all’uso, comprensivo di collegamento radio con portata fino a 10 chilometri.
Extra Long Range Radio – RTK Starter Kit
Kit RTK Base e RTK Rover preconfigurato e pronto all’uso, comprensivo di collegamento radio fino a 50 chilometri.
Tramite una rete IP
In molti casi è disponibile una rete IP (Wi-Fi, Ethernet, 4G). Per questi casi è stato sviluppato un protocollo per la distribuzione delle correzioni RTK, denominato NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol). Ne parleremo più nel dettaglio nella sezione successiva.
Che cos’è NTRIP?
- Caster NTRIP. Si tratta di un server che raccoglie le correzioni RTK da una o più stazioni base e le distribuisce ai rover.
- Server NTRIP. Si tratta di una singola stazione base RTK fisica. Il suo ruolo è quello di inviare le correzioni RTK a un NTRIP Caster, in modo che quest’ultimo possa distribuirle ad altri client. Nelle reti con una sola stazione base, è piuttosto comune che il server NTRIP e il Caster siano integrati in un unico dispositivo. In questo caso viene configurata solo la funzione di Caster.
- Client NTRIP. Un ricevitore RTK che desidera ricevere correzioni RTK. I rover RTK sono client NTRIP.
Le nostre schede simpleRTK2B non dispongono di interfacce IP (Ethernet, Wi-Fi, ecc.) e non supportano il protocollo NTRIP. Richiedono quindi un dispositivo esterno che converta il protocollo NTRIP in RTCM e viceversa. Per questo motivo abbiamo sviluppato una serie di accessori per abilitare il protocollo NTRIP sulle nostre schede:
- Bluetooth: collega la scheda simpleRTK2B al tuo cellulare tramite Bluetooth. Il tuo cellulare può ora fungere da client NTRIP (ma anche da server o da caster).
Bluetooth module
Aggiungi il Bluetooth alla tua scheda. Compatibile con tutte le schede ArduSimple dotate di zoccolo XBee integrato.
BT+BLE Bridge
Aggiungi il Bluetooth alla tua scheda. Compatibile con tutte le schede ArduSimple dotate di zoccolo XBee integrato.
- Wi-Fi: se nella tua zona è disponibile una rete Wi-Fi, collega l'accessorio NTRIP Master Wi-Fi e utilizza la tua scheda come client NTRIP (ma anche come server o persino come server+caster).
WiFi NTRIP Master
Aggiungi la funzionalità Wi-Fi senza bisogno di programmazione, con pochi clic per la configurazione. Compatibile con tutte le schede ArduSimple dotate di zoccolo XBee integrato.
- Client NTRIP 4G: trasforma la tua scheda simpleRTK2B in un client NTRIP ovunque sia presente copertura cellulare.
4G NTRIP Master
Aggiungi funzionalità 4G/3G/2G senza programmazione, con pochi clic di configurazione. Compatibile con tutte le schede ArduSimple dotate di zoccolo XBee integrato.
Servizi di correzione RTK
Post-elaborazione (PPK)
È possibile lasciare il dispositivo fermo per 1 ora? In tal caso, sul campo non sono necessari dati di correzione, stazione base né connessione a Internet. Il ricevitore registra i dati di posizionamento grezzi mentre si lavora, ma la posizione finale ad alta precisione viene calcolata in un secondo momento. Una volta tornati in ufficio, i dati GPS registrati vengono elaborati insieme ai dati di correzione provenienti da un servizio PPK (come Postprocessing Master), garantendo una precisione a livello centimetrico. A differenza dell’RTK, il PPK non fornisce una precisione a livello centimetrico in tempo reale.
simpleRTK 4 Optimum – Basic Starter Kit
Scopri la tecnologia GPS/GNSS a banda larga di u-blox con questo kit, che include l'ultimo chip u-blox ZED-X20P e l'antenna ANN-MB2 ad alte prestazioni.
simpleRTK3B – Basic Starter Kit
Scopri la precisione millimetrica del GPS con il modulo RTK ad alta precisione Mosaic-X5 di Septentrio. Ottieni una risoluzione di posizione di 6 millimetri sul tuo PC, telefono o sulla tua piattaforma di sviluppo preferita.
Altre tecnologie di localizzazione
Ora che sapete come RTK e PPK possano garantire una precisione dell'ordine dei centimetri, potreste imbattervi anche in altre tecnologie di posizionamento GNSS. Queste possono offrire una precisione inferiore, ma sono spesso più semplici.
Prima di esaminarli, è utile comprendere il significato del termine CEP (Circular Error Probable). Il CEP è un parametro statistico che descrive la precisione di posizionamento. Ad esempio, un CEP di 1 cm significa che almeno il 50% delle posizioni calcolate dovrebbe trovarsi entro 1 centimetro dalla posizione reale. Ciò non significa che ogni misurazione avrà una precisione esatta di 1 centimetro.
La tabella che segue mette a confronto le tecnologie RTK e PPK con altre tecnologie di posizionamento comunemente utilizzate, con precisione che va dal livello centimetrico a quello metrico.
| Livello di precisione | Tecnologie e spiegazioni per principianti | Kit consigliati |
|---|---|---|
| 1 centimetro | RTK (Real-Time Kinematic): garantisce una precisione dell'ordine dei centimetri in tempo reale utilizzando una stazione base locale o correzioni via Internet (NTRIP). La stazione base e il rover devono trovarsi a una distanza massima di 35 km l'uno dall'altro. | Tutti i kit di sviluppo ArduSimple RTK A partire da 211€ |
| PPK (Post-Processing): precisione simile a quella del RTK, ma la posizione esatta viene calcolata al computer dopo il rilevamento. Sul campo non è necessaria alcuna connessione a Internet né in tempo reale. Il rover può trovarsi a una distanza maggiore dalla base (fino a 100 km), ma la precisione generalmente diminuisce all’aumentare della distanza. | Tutti i kit di sviluppo ArduSimple RTK (utilizzando la registrazione dei dati grezzi) A partire da 211€ | |
| <30 centimeters | Galileo HAS: servizio gratuito che fornisce i dati di correzione dai satelliti Galileo al ricevitore tramite Internet o segnale satellitare. Potrebbe essere necessario attivare una banda specifica sul ricevitore. | Non tutti i ricevitori GNSS supportano la modalità HAS di Galileo. Si consiglia di simpleRTK 4 Optimum – Kit base per principianti A partire da 299€ |
| <90 centimeters | SBAS: servizio gratuito che fornisce dati di correzione tramite il sistema GNSS standard, immediatamente utilizzabile senza bisogno di abbonamenti né di connessione a Internet. | Non tutti i ricevitori supportano lo SBAS. Si consiglia di simpleRTK2B – Kit base per principianti A partire da 211€ |
| <1.5 meters | GNSS standard multibanda avanzato: ottenuto tramite tecnologia multibanda senza alcuna stazione di base né servizio di correzione via Internet. | simpleGNSS – Kit base per principianti , oltre a tutti i kit di sviluppo ArduSimple RTK A partire da Il prezzo originale era: 99 €.90€Il prezzo attuale è: 90 €. |
| da 1 a 10 metri | GPS/GNSS standard: quello che si usa comunemente sul cellulare o in auto. |