Auteur: Jasper Schuur
Regelmatig krijgen we de vraag waar het prijsverschil in GNSS-ontvangers vandaan komt en of er een verschil is qua prestaties. Om hier een zinnig antwoord op te kunnen geven, is het van belang om dieper in de techniek van een moderne GNSS-ontvanger te duiken. Daarom vertellen we in dit artikel graag wat er onder de motorkap van deze ontvangers gebeurt.
GNSS staat voor Global Navigation Satellite System en is zeer effectief voor veel toepassingen. Het lijkt een ontzagwekkende taak: Het positioneren van een GNSS-ontvanger, die signalen ontvangt van satellieten, die op een hoogte van 20 duizend kilometer boven de aarde cirkelen. Toch is het in theorie gemakkelijk.
Als we weten waar de satellieten zijn en we kunnen meten hoe ver de ontvanger van elke satelliet verwijderd is, dan kunnen we de locatie berekenen met een driehoeksmeting. Elke GNSS-satelliet zendt zijn locatie uit naar een ontvanger in de vorm van zijn karakteristieke gegevens (efemeriden), die de baan en klokverschuivingen voor de satelliet beschrijven. De afstand van de ontvanger tot verschillende satellieten kan worden gemeten met behulp van decodesignalen (Pseudorandom Noise) die elke satelliet uitzendt. Vanwege de atmosferische effecten op signaalverspreiding en de lage nauwkeurigheid van de efemeriden, kan de positie van een autonome ontvanger (bijvoorbeeld in een mobiele telefoon) slechts worden geschat op 1 tot 5 meter. Om deze problemen te omzeilen en 2 centimeter nauwkeurige positionering te bereiken, zou een autonome GNSS-ontvanger verbinding moeten maken met een extra bron om zeer nauwkeurige satellietposities en klokverschuivingen te ontvangen, evenals nauwkeurige modellen voor atmosferische effecten. Deze Real Time Kinematic (RTK) correcties kunnen komen van een lokaal (zelf opgezet) referentie GNSS-basisstation of een VRS (Virtual Reference Station), gebaseerd op een netwerk van basisstations. Wanneer gebruik wordt gemaakt van een VRS-oplossing komt de benodigde correctiedata via een dataverbinding binnen. Deze wordt in de GNSS-engine van de ontvanger toegepast en verwerkt tot een nauwkeurige plaatsbepaling.
Nauwkeurige meting
Een belangrijke ontwikkeling van de afgelopen jaren is de toename van meerdere satellietsystemen. Het Europese Galileo en Chinese BeiDou zorgen voor extra beschikbare satellieten. Dit zorgt (indien de ontvanger in staat is de signalen van deze satellieten te ontvangen) voor meer bron informatie en dus een snellere plaatsbepaling. Belangrijke kanttekening hierbij is wel dat het correctiesignaal dat gebruikt wordt ook deze satellieten moet ondersteunen, anders wordt de input niet meegenomen in de nauwkeurige plaatsbepaling en is er dus geen winst te behalen.
Minstens net zo belangrijk zijn de ontwikkelingen die we zien in de GNSS-engines van de ontvangers. De algoritmes in deze engines worden steeds uitgebreider en complexer en zijn de voornaamste reden voor het verschil in prijs en prestaties van de verschillende ontvangers. In het open veld vertaalt zich dat in een verschil in de convergentietijd tussen de ontvangers, waarbij de convergentietijd de tijd is die nodig is om tot een RTK-fix positie te komen.
Stedelijk gebied en vegetatie
De echte verschillen tussen GNSS-ontvangers worden gemaakt in uitdagende omstandigheden. Iedereen die regelmatig met een GNSS-ontvanger werkt, weet dat het nauwkeurig meten in (dicht)
stedelijk gebied en onder vegetatie lastig en regelmatig zelfs onmogelijk is. Bebouwing en vegetatie zorgen voor (te) weinig satellieten voor een RTK-fix oplossing of veroorzaken multipath. In dit laatste geval is het signaal door weerkaatsing langer onderweg voor het bij de ontvanger aankomt of komt meerdere keren aan, wat het beschikbare GNSS-signaal onbruikbaar maakt.
Dit zijn de omstandigheden waar de GNSS-engine het verschil maakt en verantwoordelijk is voor het wel of niet bereiken van een RTK-fix locatie en de snelheid waarmee dit gebeurt. Voor vegetatie moet hierbij gedacht worden aan het interpreteren en bruikbaar maken van de verzwakte en uitgewaaierde signalen. In multipath-situaties zorgt het voor het filteren van het gereflecteerde signaal en het behouden van de directe signalen. Alle grote producenten van GNSS-ontvangers besteden miljoenen aan de ontwikkeling en verbetering van deze algoritmen, waarbij ze uiteraard worden geholpen door de almaar toenemende rekenkracht van de GNSS-chips in de ontvangers.
Een goed voorbeeld van een GNSS-ontvanger die met de hiervoor genoemde problemen overweg kan, is de onlangs door Trimble geïntroduceerde R12. Deze ontvanger heeft een uitmuntende ontvangst in uitdagende GNSS-omgevingen, dankzij het real-time ProPoint GNSS-systeem. Bomen en bebouwing vormen hierdoor geen problemen voor deze nieuwe ontvanger.
Naast de hierboven genoemde ontvangstproblemen in stedelijk gebied en onder vegetatie zien we dat de nieuwste GNSS-engines ook het hoofd bieden aan een wereldwijd groeiend probleem, genaamd ‘jamming’. Hierbij wordt het L1-signaal van de satellieten verstoord (gejammed), waardoor deze niet bruikbaar zijn. Zonder specialistische GNSS-engine is een RTK-fix in deze situaties niet mogelijk, met alle mogelijke gevolgen van dien. In Nederland zien we dit gelukkig tot op heden nog niet (bewust) gebeuren, maar is dit voor de toekomst ook niet uit te sluiten.
Goedkoop vs duurder
We kunnen concluderen dat het verschil tussen de verschillende ontvangers tweeledig is: Er zijn hardware matige verschillen, zoals het aantal kanalen dat de ontvanger beschikbaar heeft (hoeveel signalen de ontvanger tegelijk kan verwerken). Daarnaast is er samenhang met de satellietsystemen die ondersteund worden, maar vooral met de GNSS-engine die de ontvanger aan boord heeft. Een GNSS-engine klinkt niet heel ‘sexy’ en is vaak lastig of niet te begrijpen als u geen expert bent of voor één van de leveranciers werkt, maar deze heeft een cruciale invloed op de bruikbaarheid en kwaliteit van de ontvanger.
Maakt dit dan ook dat een goedkopere GNSS-ontvanger minder goed is dan de duurdere? Nee, zeker niet. Dit hangt namelijk sterk af van de toepassing en de gewenste nauwkeurigheid voor de gebruiker. Meet u veel in het open veld en is snelheid van het verkrijgen van een locatie niet cruciaal? Dan is er al een Trimble GNSS-ontvanger voor 350 euro, die prima presteert en indien gewenst met RTK-fixed nauwkeurigheid kan meten. Naarmate de omstandigheden lastiger worden neemt het aantal geschikte ontvangers echter af. Aangezien dit aan de buitenkant en ook aan de specificaties (die altijd worden vastgesteld in voor de ontvanger ideale omstandigheden) niet te zien is kunnen we maar een ding adviseren: test het zelf voordat u een GNSS-ontvanger aanschaft! En dan niet één type ontvanger, maar meerdere specificaties en bij voorkeur ook merken. Pas dan ervaart u wat een GNSS-engine doet en welke ontvanger voor uw situatie toepassing de beste oplossing is!
Welke GNSS-ontvanger past bij u?
Wilt u advies over welke GNSS-ontvanger het meest geschikt is voor uw werkzaamheden? Klik dan op de onderstaande button voor meer informatie en/of een vrijblijvende demonstratie.
