GNSS RTK, czyli nawigacja o dokładności centymetrowej
Współczesna nawigacja to nie tylko GPS, ale cała rodzina systemów GNSS. Jeszcze niedawno centymetrowa dokładność wiązała się z ogromnymi kosztami i dostępna była tylko dla profesjonalistów. Dziś, dzięki modułowi RTK dla Raspberry Pi, niemal każdy może sam spróbować osiągnąć tę niesamowitą precyzję lokalizacji.
Kilka słów o nawigacji satelitarnej
Nawigacja satelitarna stała się dziś na tyle powszechna, że niemal każdy z nas ma codziennie do czynienia z urządzeniami umożliwiającymi określanie położenia na podstawie precyzyjnych sygnałów wysyłanych przez satelity. Rzadko jednak zastanawiamy się nad zasadami ich działania.
Choć celem niniejszego tekstu nie jest szczegółowe omawianie tego systemu, warto w kilku słowach zwrócić uwagę na kwestię jego dokładności. Pierwszym systemem nawigacji satelitarnej był amerykański NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging – Global Positioning System), który powstawał jako projekt militarny i początkowo był dostępny wyłącznie dla wojska. Dopiero w latach 80. ubiegłego wieku prezydent Stanów Zjednoczonych zezwolił na jego cywilne wykorzystanie. Przez wiele kolejnych lat w systemie tym stosowano jednak tzw. selektywną dostępność (Selective Availability), która ograniczała dokładność pozycjonowania dla użytkowników cywilnych do około 100 metrów.
Na początku 2000 roku wyłączono celowe zakłócanie sygnału, dzięki czemu każdy odbiornik GPS mógł określać swoją pozycję z dokładnością do kilku metrów –
był to prawdziwy przełom. To właśnie, w połączeniu ze znacznym spadkiem cen urządzeń, przyczyniło się do masowego upowszechnienia nawigacji satelitarnej.
Choć GPS jest powszechnie wykorzystywany cywilnie, pozostaje wciąż systemem wojskowym. Departament Obrony USA w każdej chwili może wyłączyć jego działanie lub ponownie włączyć celowe zakłócanie sygnału w wybranych rejonach świata. Dlatego inne państwa postanowiły stworzyć własne systemy nawigacji satelitarnej. Obecnie na orbicie Ziemi krążą satelity przesyłające sygnały dla rosyjskiego GLONASS, europejskiego Galileo, chińskiego BeiDou oraz japońskiego QZSS. Wszystkie te systemy razem tworzą Globalny System Nawigacji Satelitarnej, znany pod angielskim skrótem GNSS (Global Navigation Satellite System).
W poszukiwaniu dokładności
Nowsze odbiorniki mogą jednocześnie korzystać ze wszystkich systemów, co pozwala zwiększyć dokładność pomiarów. Jednakże prawa fizyki, ograniczenia sprzętowe oraz wszechobecne zakłócenia sprawiają, że typowe urządzenie nie jest w stanie osiągnąć precyzji lepszej niż 1 metr.
Od wielu lat znane jest jednak rozwiązanie pozwalające na wielokrotne zwiększenie dokładności pomiarów: RTK (Real Time Kinematic). W dużym skrócie polega ono na użyciu dwóch odbiorników: jeden znajduje się w dokładnie znanej pozycji i przesyła dane korekcyjne do drugiego, którego lokalizację chcemy określić. Mogłoby się wydawać, że skoro znamy pozycję pierwszego odbiornika, możemy w każdej chwili określić błąd systemu i po prostu odjąć go od wskazań drugiego odbiornika, aby uzyskać właściwą lokalizację. W praktyce jednak takie rozwiązanie jest skuteczne głównie w przypadku usuwania wspomnianych wcześniej celowych zakłóceń; dla niezakłóconych sygnałów poprawa dokładności nie byłaby znacząca.
W systemie RTK, jak podaje Wikipedia, stosuje się metody polegające na „szybkim rozwiązaniu problemu nieoznaczoności pomiarów fazowych przez odbiornik ruchomy na podstawie przesłanych ze stacji referencyjnej poprawek do pseudoodległości oraz surowych danych pomiarów fazy sygnałów”. Choć zagadnienie jest skomplikowane, najważniejszą praktyczną informacją jest to, że pomiary RTK wymagają użycia nie jakichkolwiek dwóch odbiorników, lecz dwóch specjalnych urządzeń, które dodatkowo muszą się ze sobą komunikować.
RTK w życiu codziennym
RTK jest obecnie najnowocześniejszą technologią umożliwiającą najdokładniejsze pomiary. Niewątpliwie jej wadą jest wysoki poziom skomplikowania oraz koszt niezbędnych urządzeń – z tego powodu początkowo używana była jedynie w geodezji. Jednak zalety tej metody sprawiły, że z czasem zyskiwała na popularności, co przełożyło się również na stopniowy spadek cen odbiorników.
Dodatkowo okazało się, że choć najkorzystniejsze jest, aby stacja referencyjna znajdowała się jak najbliżej miejsca pomiarów, to akceptowalne wyniki można uzyskać także przy odległościach sięgających wielu kilometrów. Wraz z powstaniem zestandaryzowanych formatów wymiany danych korekcyjnych utworzono całe sieci stacji referencyjnych prowadzących ciągłe obserwacje, a rozwój Internetu sprawił, że dostęp do nich stał się możliwy praktycznie w każdym miejscu.
Dziś odbiorniki GNSS RTK wykorzystywane są już nie tylko w geodezji. Znajdziemy je np. w nowoczesnych ciągnikach rolniczych, które są w stanie precyzyjnie realizować takie prace polowe jak siew czy oprysk, albo też w robotach koszących przydomowe trawniki.
Czy można samemu zrealizować nawigację RTK?
Ceny odbiorników GNSS RTK wykorzystywanych w geodezji to poziom przynajmniej kilku lub kilkunastu tysięcy złotych. Jednak ostatnio na rynku pojawiają się też tańsze konstrukcje, stosowane choćby w autonomicznych kosiarkach. Z kolei w kierunku amatorów chcących spróbować swoich sił pomocną dłoń wyciągają Chińczycy, którzy udostępniają kompletne płytki z już wlutowanymi podzespołami. Eliminuje to konieczność samodzielnego montażu, co w przypadku wielu nowoczesnych układów scalonych jest, bez doświadczenia i bez specjalistycznego wyposażenia, niemalże niemożliwe.
Przykładem takiego produktu jest oferowany przez firmę Waveshare moduł „LC29H(XX) GPS/RTK HAT”. Ten odbiornik GPS/RTK bazuje na układzie Quectel LC29H, a widoczne w nazwie litery HAT (Hardware Attached on Top) informują, że jest to przeznaczona dla Raspberry Pi płytka, którą montuje się bezpośrednio na złączu rozszerzeń tego urządzenia.
Moduł dostępny jest w trzech odmianach. Najtańsza z nich, oznaczona literami AA, to jedynie odbiornik GNSS, który nie ma możliwości pracy w trybie RTK. W trybie RTK pracują moduły oznaczone literami DA i BS, przy czym pierwszy z nich umożliwia lokalizację urządzenia, drugi natomiast pozwala stworzyć własną stację referencyjną.
Ja zdecydowałem się na moduł DA, widoczny na fotografii tytułowej. Zakupiłem go w polskim sklepie, razem z anteną GPS i wysyłką kosztował mnie niecałe 320 zł.
(…)
——– ciach! ——–
To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w marcowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 3/2026). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 3/2026 znajduje się tutaj.
Marian Gabrowski
marian kropka gabrowski @ gmail kropka com
Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.
