GNSS, RTK, LTE en LoRa in één positioneringsplatform

De Quectel QLM290P (03) integreert hoge-precisie quad-band GNSS, RTK-positionering en wereldwijde LTE- en LoRa-connectiviteit in één antenneplatform. Het platform ondersteunt L1-, L2-, L5- en E6-GNSS-signalen en kan realtime positionering op centimeterniveau bieden.

Positiebepaling via GNSS (Global Navigation Satellite System) is relatief eenvoudig. Maar het handhaven van zeer nauwkeurige positionering in een praktische toepassing is aanzienlijk veeleisender. Hiervoor moet een systeem voor precisiepositionering signalen van verschillende satellietconstellaties en frequentiebanden ontvangen, RTK-correcties verwerken, een betrouwbare dataverbinding in stand houden en omgaan met interferentie, obstructies en veranderende bedrijfsomgevingen. Ook het verbindingstraject van de correctiedata (vanaf de bron (referentiestation of server) via het netwerk tot de GNSS-ontvanger) is van belang. In de ene toepassing is een LTE-netwerk wellicht continu beschikbaar. In een andere kan de apparatuur op een afgelegen locatie werken waar geen betrouwbare mobiele dekking is.

Quad-band, multi-constellatie GNSS

Quectel speelt in op deze vereisten met de QLM290P (03), die de GNSS-ontvanger, RTK-functionaliteit, antenne en twee verschillende communicatietechnologieën samenbrengt in één slim antenneapparaat. Volgens leverancier TOP-electronics is het juist die integratie die dit product interessant maakt. In plaats van hoge-precisie GNSS, overdracht van correctiedata, mobiele communicatie en de antenne als vier afzonderlijke ontwerptaken te beschouwen, kunnen ingenieurs aan de slag met een meer geïntegreerd positioneringsplatform.

Het hart van de QLM290P wordt gevormd door Quectels LG290P (03) GNSS-technologie. De slimme antenne ondersteunt gelijktijdige ontvangst van L1-, L2-, L5- en E6-signalen en meerdere wereldwijde en regionale satellietconstellaties, waaronder GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS en NavIC. Het platform ondersteunt ook SBAS-diensten, waaronder WAAS, EGNOS, BDSBAS, MSAS, GAGAN en SDCM.

Door de ontvangst van verschillende frequenties en constellaties beschikt de positioneringsengine over meer satelliet- en signaalinformatie om mee te werken, wat met name van belang is wanneer apparatuur wordt gebruikt in omgevingen waar het zicht op satellieten niet optimaal is. Quectel richt de onderliggende quad-band RTK-architectuur specifiek in voor uitdagende omstandigheden, zoals straten met hoogbouw en omgevingen met veel obstakels.

Positionering op centimeterniveau

Standaard standalone GNSS biedt doorgaans onvoldoende nauwkeurigheid voor toepassingen zoals landmeting, machinebesturing of precisielandbouw. De QLM290P integreert daarom RTK (Real-Time Kinematic) positionering.

RTK maakt gebruik van correctie-informatie van een bekende referentiebron om fouten in de door de rover ontvangen satellietmetingen te corrigeren. Quectel stelt dat de QLM290P, wanneer deze als roverstation functioneert en correctie-informatie ontvangt via de ingebouwde LTE-verbinding, realtime, continue positionering op centimeterniveau kan bieden. Belangrijk in deze context is dat de GNSS-ontvanger de positie bepaalt, maar dat het communicatiepad dat de correctiegegevens transporteert deel uitmaakt van de volledige positioneringsarchitectuur. 

Correctiepad over grote afstand

De QLM290P bevat naast de GNSS-functionaliteit een LTE-module met wereldwijde dekking. Hierdoor kan het apparaat via het mobiele netwerk verbinding maken met RTK-correctiediensten, waardoor de rover toegang krijgt tot correctiegegevens zonder dat er een lokale fysieke verbinding met een basisstation nodig is.

Voor toepassingen die over uitgestrekte gebieden worden uitgerold, kan dit de positioneringsarchitectuur aanzienlijk vereenvoudigen. Apparatuur zoals landbouwmachines, landmeetsystemen of mobiele industriële activa kan zowel GNSS-informatie als de benodigde correctiegegevens op afstand verkrijgen via hetzelfde geïntegreerde platform.

LoRa als er geen mobiele dekking is

LTE is prima bij een goede netwerkdekking. Er zijn echter ook toepassingen voor precisiepositionering op plekken waar het dichtstbijzijnde mobiele basisstation niet toereikend presteert. De geïntegreerde LoRa-communicatie van de QLM290P biedt hier uitkomst. Quectel specificeert werking binnen de LoRa-band van 863 tot 928 MHz en ondersteunt de inzet van basis- en roverstations met een kort bereik via punt-tot-punt-communicatie. Dit biedt een alternatief kanaal voor het verzenden van correctie-informatie op locaties waar geen mobiele dekking beschikbaar is.

Dat biedt systeemontwerpers twee fundamenteel verschillende communicatieopties binnen hetzelfde positioneringsplatform: LTE voor toegang tot correcties via een mobiel netwerk met groot bereik, en LoRa voor lokale communicatie tussen basis- en roverstations. Voor een veldsysteem dat in verschillende omgevingen kan worden ingezet, kan die flexibiliteit belangrijker zijn dan nog een extra decimaal in een geïsoleerde GNSS-specificatie.

Geïntegreerde antenne en RF-filtering

Quectel integreert een hoogwaardige full-frequency GNSS-antenne in het apparaat en voegt een diplexer en SAW-filtering toe om de immuniteit tegen interferentie te verbeteren. Dit is belangrijk omdat de prestaties op het gebied van uiterst nauwkeurige positionering sterk afhankelijk zijn van de RF-omgeving.

De ontvanger kan weliswaar vier GNSS-banden verwerken, maar de prestaties van de antenne, de plaatsing ervan en interferentie van omringende elektronica hebben nog steeds een directe invloed op de kwaliteit van de signalen die de ontvanger bereiken.

Door de antenne en het GNSS-platform te combineren, kan een groter deel van deze RF-keten worden geoptimaliseerd als onderdeel van het complete product, in plaats van elk element over te laten aan de systeemontwerper.

Interfaces voor industriële integratie

Het positioneringsresultaat moet nog steeds de rest van de machine of het besturingssysteem bereiken. Quectel ondersteunt daarom verschillende bekabelde interface-opties: RS-422, RS-485, RS-232 en UART TTL. Deze interfaces maken de QLM290P geschikt voor integratie in industriële apparatuur en machines waar seriële interfaces nog steeds gangbaar zijn. RS-422 en RS-485 zijn met name relevant wanneer de antenne of positioneringseenheid niet direct naast de hoofdcontroller kan worden geplaatst en de communicatie door een elektrisch veeleisendere omgeving moet verlopen.

Ontworpen voor veldtoepassingen

De QLM290P heeft een diameter van 120 mm, een gewicht van ongeveer 220 g en een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot +85 °C. Toepassingsgebieden zijn onder andere precisielandbouw, mijnbouw, landmeting en rijhulpsystemen.

Deze toepassingen hebben met elkaar gemeen dat de positioneringsnauwkeurigheid niet los kan worden gezien van de connectiviteit en de gebruiksomstandigheden. Een landmeetontvanger kan bijvoorbeeld continue correcties nodig hebben op een bouwterrein. Landbouwmachines kunnen ver van de normale infrastructuur opereren. Een mijnbouwtoepassing kan te maken krijgen met beperkt zicht op de hemel en een elektrisch veeleisende omgeving.

Positionering en connectiviteit combineren

Volgens TOP-electronics is het belangrijkste voordeel van de QLM290P de manier waarop de geïntegreerde technologieën samenwerken rond de daadwerkelijke toepassing. Een uiterst nauwkeurig GNSS-ontwerp vereist meer dan alleen satellietontvangst. De ontwerper moet ook rekening houden met andere eigenschappen. Waar komen de RTK-correcties vandaan? Hoe worden ze naar de rover verzonden? Wat gebeurt er als de LTE-dekking wegvalt? Via welke interface wordt het positioneringssysteem aangesloten op de hostcontroller? Hoe zal de antenne presteren in de uiteindelijke installatie?

De QLM290P biedt binnen één platform een antwoord op verschillende van deze vragen. Dat kan het aantal afzonderlijke hardwareonderdelen dat moet worden geselecteerd en geïntegreerd verminderen. Zorgvuldige systeemengineering wordt hiermee niet overbodig, maar het vermindert wel het aantal afzonderlijke onderdelen dat op elkaar moeten worden afgestemd om samen te werken.

Passende architectuur

Bij het kiezen van een precisie-GNSS-oplossing moet je uitgaan van de daadwerkelijke positioneringseisen. Breng parameters in kaart zoals de vereiste nauwkeurigheid, de bedrijfsomgeving, de zichtbaarheid van satellieten, de beschikbaarheid van LTE-dekking, de correctiedienst, de afstand tussen basisstation en rover, de vereiste hostinterface en de mechanische integratie.

Voor sommige systemen blijft een architectuur met een afzonderlijke GNSS-module, modem en antenne zinvol. Voor andere systemen kan een geïntegreerd platform zoals de Quectel QLM290P de systeemarchitectuur aanzienlijk vereenvoudigen.