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Kombi-MEMS-Sensoren machen GPS genau genug für den Ackerbau

| Autor / Redakteur: Juha Lahtinen * / Thomas Kuther

High-Tech auf dem Acker: Da die Genauigkeit von GPS zur Orientierung auf großen Feldflächen nicht ausreicht, müssen die Daten weiterer Sensoren in die Positionsberechnung mit einfließen.
High-Tech auf dem Acker: Da die Genauigkeit von GPS zur Orientierung auf großen Feldflächen nicht ausreicht, müssen die Daten weiterer Sensoren in die Positionsberechnung mit einfließen. (Bild: © Vitaly Krivosheev - Fotolia)

GPS ist überfordert, wenn landwirtschaftliche Fahrzeuge autonom über Felder fahren sollen. Die Lösung: Kombisensoren mit MEMS-basierenden Beschleunigungsaufnehmern und Gyroskopen.

Der Umgang mit Satelliten-Navigationssystemen ist zu einem vertrauten Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden. In unseren Autos helfen sie uns ans Ziel zu finden, Staus zu umfahren oder uns in einer fremden Stadt zurechtzufinden. Die GPS-basierte Navigation spart uns somit eine Menge Zeit und Stress. In den meisten Fällen reicht die Genauigkeit der GPS-Navigation für unsere Zwecke aus. Die Zahl der potenziellen Anwendungen dieser Technik wächst jedoch, und parallel dazu nimmt auch die Zahl der Applikationen zu, die den Ortsangaben deutlich mehr Genauigkeit und Reproduzierbarkeit abverlangen. Ein Beispiel für einen solchen Anwendungsfall ist die Landwirtschaft, und zwar der Einsatz beim Säen, Düngen und Ernten.

Präzise Navigation auf dem Feld steigert den Ertrag

Extreme Genauigkeit ist gefordert, wenn Landwirtschaftliche Fahrzeuge halbautomatisch gelenkt große Felder, möglicherweise auf wechselndem Terrain, abfahren und dabei exakt den beim Säen gelegten Furchen folgen sollen. Der Einsatz dieser Technik erfolgt mit der Absicht, die Saatdichte und damit den Ernteertrag zu steigern und in Verbindung mit satellitengestützter Feuchtigkeits- und Ertragsüberwachung dafür zu sorgen, dass die Bewässerung und der Einsatz von Pflanzenschutz- und Düngemitteln möglichst kosteneffizient erfolgen können. Eine derart präzise Steuerung bringt allerdings zwei technische Herausforderungen mit sich.

Erstens muss die Genauigkeit der GPS-Daten so gesteigert werden, dass eine reproduzierbare Genauigkeit von besser als ±15 cm erzielt wird. Zweitens ist es notwendig, Änderungen der Geländeform und die genaue Position des Traktors zu ermitteln.

Systeme auf auf RTK-Basis arbeiten auf 3 cm genau

Die hohe Verortungsgenauigkeit wurde mit der Trägerphasen-GPS-Technik (Carrier-Phase enhancement – CPGPS) erreicht, die auch als Real Time Kinematic (RTK) bezeichnet wird. Bei der Echtzeitkinematik wird anstelle der im Signal enthaltenen Zeitinformation die Phase des GPS-Signalträgers gemessen. In der praktischen Umsetzung der Echtzeitkinematik ergeben sich allerdings verschiedene Schwierigkeiten beim Vergleich der Signalphasen-Differenzen.

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Eine verbreitete Methode zum Erreichen präziserer Phasenmessungen besteht darin, von einer Basisstation aus mithilfe eines kostengünstigen Funkmodems die Timing-Informationen für eine bestimmte Region zu versenden. In Bereichen mit einer hohen Dichte an Agrarbetrieben haben die Anbieter von Leitsystemen für Traktoren ein Netz aus Basisstationen errichtet, damit die Landwirte die präzisen Ortsbestimmungs-Möglichkeiten in vollem Umfang nutzen können. Viele Anbieter geben für ihre Produkte auf RTK-Basis eine reproduzierbare Genauigkeit von kleiner als 3 cm an.

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