Gjør vanlig GPS superpresis
Selvkjørende biler trenger å vite nøyaktig hvor i gata de befinner seg. En ny oppfinnelse kan revolusjonere utviklingen av førerløse kjøretøy. Og gi oss mer nøyaktig GPS på mobiltelefonen og treningsklokka.
Stort sett tar vi det for gitt at den posisjonen GPSen vår viser, er korrekt.
Men er vi i en fremmed by og bruker kart-appen på mobilen for å finne vegen tilbake til hotellet, vil det fort kunne se ut som om vi hopper litt rundt fra det ene punktet til det andre mens vi går. Selv om vi faktisk spaserer helt normalt på det samme fortauet hele tiden.
– Byer er brutale for satellittnavigasjon, sier Ardeshir Mohamadi.
Han er doktorgradsstudent ved NTNU og forsker på hvordan man kan gjøre de rimelige GPS-mottagerne, (som den du har i mobiltelefonen, eller i treningsklokka di) mye mer nøyaktige uten å måtte benytte kostbare ekstra-tjenester.
Å ha nøyaktig GPS-posisjon er ekstra viktig for biler som skal kjøre rundt uten sjåfør. Såkalte autonome eller førerløse kjøretøy.
FAKTA: GPS – eller egentlig GNSS
GNSS er en fellesbetegnelse for satellittbaserte systemer for navigasjon og posisjonering med global dekning.
Det finnes fire utbygde systemer: det amerikanske GPS, det russiske GLONASS, det kinesiske BeiDou og det europeiske Galileo.
Urban canyons
Nå har Mohamadi og kollegaene på NTNU utviklet et nytt system som skal hjelpe førerløse biler å navigere trygt inne i byen.
Ardeshir Mohamadi forsker på hvordan man kan gjøre de rimelige GPS-mottagerne, (som vi har i mobiltelefonen eller i treningsklokka) mye mer nøyaktige uten å måtte benytte kostbare ekstra-tjenester. Foto: Omar Alexander Lein
– I byer vil glass og betong gjøre at signalene fra satellittene spretter frem og tilbake. Høye bygninger blokkerer sikten, og det som fungerer perfekt ute på en åpen motorveg bryter sammen når man kommer inn i sentrum, sier Mohamadi.
Problemet er at signalet reflekteres mellom bygninger. Da bruker det lengre tid på å rekke fram til mottakeren. Dermed blir ikke beregningen av avstanden til satellittene riktig, og posisjonen blir unøyaktig.
Slike vanskelige bymiljøer kalles gjerne «urban canyons». Det er som om man befinner seg nede i en dyp kløft. De GPS-signalene som når ned til deg, eller til den førerløse bilen, kan ha blitt reflektert mange ganger på veg ned i kløften.
– For førerløse biler utgjør dette forskjellen mellom selvsikker, trygg atferd og nølende, upålitelig kjøring. Derfor har vi utviklet SmartNav, en posisjoneringsmaskin designet for «urban canyons», forteller Mohamadi.
Forskere ved NTNU har utviklet SmartNav, en posisjoneringsteknologi som gir svært presis GPS i byområder der vanlige systemer ofte svikter. Med avanserte algoritmer kan SmartNav utvikle rimelige mottakere nesten like nøyaktige som kostbare instrumenter.
Nesten på centimeteren
Ikke nok med at satellittsignalene blir forstyrret der nede mellom høyhusene. De signalene som er korrekte, har likevel ikke god nok presisjon.
For å løse dette problemet har forskerne kombinert flere ulike teknologier for å korrigere signalet. Slik har de laget et dataprogram som kan legges inn i navigasjonssystemet til f.eks. førerløse biler.
Til dette fikk de blant annet hjelp av en ny Google-tjeneste. Men før vi går videre kan det være greit å vite hvordan en GPS virker:
GPS er et system av mange små satellitter som går i bane rundt jorden. Satellittene sender ut signaler ved hjelp av radiobølger, som fanges opp av GPS-mottageren. Når mottageren får slike signaler fra minst fire satellitter, kan den regne ut posisjonen sin.
Signalet består av en melding med en kode som forteller om satellittens posisjon og dessuten nøyaktig klokkeslett for når signalet blir sendt ut. Som en slags tekstmelding fra satellitten.
- Les også: Ikke gjør deg avhengig av Google Maps
Kaster koden – bruker bølgen
Det er denne koden som ofte blir feil når signalet reflekteres mellom bygninger inne i byen. Den første løsningen NTNU-forskerne studerte var derfor å se bort fra hele koden. I stedet kan man bruke informasjon om selve radiobølgen.
Er bølgen på veg opp eller ned når den treffer mottageren? Dette kalles bølgens bærefase.
– Å bruke kun bærefasen kan gi veldig høy nøyaktighet, men det krever tid. Det er ikke særlig praktisk når mottageren skal bevege seg, sier Mohamadi.
Problemet er at man må holde seg i ro inntil beregningen blir god nok. Ikke bare i et mikrosekund, men i flere minutter.
FAKTA: Phase-only positioning (bærefase-posisjonering)
Satellitter sender ut signaler som består av både en kode og en bærebølge (carrier wave).
Kodesignalet brukes normalt for å beregne avstanden til satellitten. I byer blir koden ofte forstyrret av refleksjoner fra bygninger (multipath), og dette gir store feil.
Bærebølgen er en mye mer stabil og presis del av signalet. Den svinger i et jevnt mønster (0–360°).
Phase-Only Positioning går ut på å se bort fra koden og bruke bare bærebølgen til å beregne posisjon.
Når mottakeren vet hvilken fase av bølgen den mottar, kan den bestemme avstanden til satellitten svært nøyaktig.
Men: Man må finne ut hvor mange hele bølgelengder som har passert. Det kan løses ved hjelp av avansert signalbehandling og bruk av statistiske metoder.
Men det finnes andre måter å forbedre GPS-signalet. Brukeren kan benytte en tjeneste som korrigerer signalet ved hjelp av basestasjoner, kalt RTKRTK står for Real Time Kinetics, en metode for satellittnavigasjon som gir centimeternøyaktig posisjon i sanntid ved å korrigere GNSS-signaler med data fra en nærliggende basestasjon
RTK fungerer fint så lenge brukeren befinner seg i nærheten av slike stasjoner. Men det er en kostbar løsning, ment for profesjonelle brukere.
En alternativ tilnærming er PPP-RTKPPP-RTK står for Precise Point Positioning – Real-Time Kinematic, en metode som kombinerer globale satellittkorreksjoner med regionale sanntidsdata, slik at man får centimeternøyaktig posisjon raskt og uten behov for tett nettverk av lokale basestasjoner, som kombinerer presise korreksjoner med satellitt-signaler. Det europeiske Galileo-systemet støtter nå dette ved å kringkaste sine korreksjoner gratis.
Men det er enda mer hjelp å få.
Google og feil-side-av-gata-problemet
Samtidig som forskerne i Trondheim jobbet med å finne bedre løsninger, lanserte Google en ny tjeneste for sine Android-kunder.
Google bruker nå sine verdensomspennende 3D-kartdata til å korrigere GPS-signalene i byene. Den gule linjen viser hvor brukeren faktisk går, mens den røde linjen er det vanlig, ukorrigert GPS-en viser. Den blå linjen viser ruten der posisjonen korrigeres med hjelp av 3D-kartene. Kilde: Android Developers blog
Tenk deg at du planlegger en ferietur til f.eks. London. På nettbrettet ditt åpner du Google Maps. Du taster inn adressen til hotellet, og straks kan du zoome inn på gatemiljøet, studere fasaden på hotellet og høyden på bygningene rundt.
Google har nå slike 3D-modeller av bygninger i nær 4000 byer verden rundt. Nå bruker selskapet disse modellene til å forutse hvordan satellittsignalene vil bli reflektert mellom byggene. Slik vil de løse problemet med at det ser ut som om du går på feil side av gata når du bruker kart-appen, f.eks. for å finne vegen tilbake til hotellet.
– De kombinerer data fra sensorer, Wi-Fi, mobilnett og 3D-bygningsmodeller for å produsere jevne posisjonsestimater, som tåler feil på grunn av refleksjoner, sier Mohamadi.
- Les også: Når huset ditt sladrer på deg
Presisjon man kan stole på
Nå kunne forskerne kombinere alle disse ulike korreksjonssystemene med egenutviklede algoritmer. Da de testet det i Trondheims gater, oppnådde de nøyaktighet bedre enn ti centimeter, 90 prosent av tiden.
Resultat av testtur med førerløs bil i Trondheim der NTNU-forskerne har brukt sin PPP-RTK-støttede løsning. De grønne punktene viser posisjonsmålinger med nøyaktighet bedre enn ti centimeter. Illustrasjon: Ardeshir Mohamadi.
Dette gir presisjon man kan stole på i byer, mener forskerne.
Bruk av PPP-RTK vil dessuten gjøre teknologien tilgjengelig for folk flest, siden det er en rimelig tjeneste.
– PPP-RTK reduserer behovet for tette nettverk av lokale basestasjoner og dyre abonnementer, og muliggjør billig, stor-skala utrulling på massemarkeds-mottakere, sier Mohamadi.
FAKTA: Hvordan korrigeres GPS-signaler?
Det er ikke bare refleksjoner mellom bygninger som kan gi feil i GPS-posisjoner. Feil i signalet kan oppstå både hos satellittene, i atmosfæren på veg ned, og hos mottageren. Det er flere måter å rette slike feil.
RTK (Real Time Kinetic)
RTK-posisjonering er en metode som bruker GPS eller andre satellittbaserte navigasjonssystemer til å bestemme presise posisjoner i sanntid.
RTK-posisjonering er en svært nøyaktig posisjoneringsmetode som brukes i et bredt spekter av anvendelser, inkludert oppmåling, bygg- og anleggsarbeid, landbruk og arealforvaltning.
RTK krever to enheter: en basestasjon og en mobil enhet. Basestasjonen står på et fast sted og samler inn satellittdata. Den sender deretter disse dataene til den mobile enheten. Denne bruker, sammen med sin GPS-mottaker, disse dataene til å finne sin nøyaktige posisjon i sanntid.
PPP (Precise point positioning)
En metode som gjør det mulig for én enkelt mottaker å oppnå svært høy nøyaktighet – ned til desimeter- eller centimeternivå.
I motsetning til RTK trenger ikke PPP en nærliggende basestasjon. PPP bruker globale korreksjonsdata for satellittene. Disse dataene beregnes fra et nettverk av globale referansestasjoner. Med disse korreksjonene kan mottakeren regne seg fram til en svært nøyaktig posisjon – uavhengig av hvor i verden den er. Men PPP krever ofte lang oppstartstid (konvergens) – opptil 20–30 minutter før centimeternøyaktighet oppnås.
PPP-RTK
Kombinerer PPPs globale dekning med RTKs raske konvergens og høye nøyaktighet.
PPP-RTK bruker både globale korreksjoner (PPP) og regionale sanntidsdata fra referansestasjoner.
KILDE:
Ardeshir Mohamadi, Hossein Nahavandchi, Amir Khodabandeh: Phase-Only positioning in urban environments: assessing its potential for mass-market GNSS receivers Journal of Spatial Science, Publisert 25. juli 2025https://doi.org/10.1080/14498596.2025.2536567
Kommer snart: FLP-Aided GNSS RTK Positioning: A Means of Supporting Smartphone High-Precision Positioning in Dynamic Urban Environments Journal of the Institute of Navigation
