GPS (globálny polohový systém)

Globálny polohový systém (GPS) je satelitný rádionavigačný systém vo vlastníctve vlády Spojených štátov, ktorý prevádzkujú Vesmírne sily USA. Je to globálny navigačný satelitný systém (GNSS), ktorý poskytuje prijímaču GPS údaje o polohe a čase kdekoľvek na Zemi alebo v jej blízkosti, ak je odtiaľ priamy výhľad na štyri alebo viac satelitov GPS. Pôvodne vznikol pre armádu, no dnes je základnou službou pre svetový obchod, kritickú infraštruktúru aj priemyselné prevádzky.

Vo výrobe, logistike a riadení dodávateľského reťazca je GPS hlavným nástrojom na zisťovanie polohy a sledovanie polohy vozidiel, kontajnerov a zariadení. Keď podniky osadia GPS prijímače do prepravných kontajnerov, vozidiel a drahého vybavenia, získajú údaje o polohe v reálnom čase. Tieto údaje putujú priamo do platforiem na plánovanie podnikových zdrojov (ERP), do systémov riadenia skladu (WMS) a do softvéru na prehľad o dodávateľskom reťazci (SCV). Preprava sa tak mení na procesy, ktoré sú dobre vidieť a riadia sa dátami.

Pre aplikácie digitálneho dvojčaťa je GPS dôležitým prepojením fyzického a virtuálneho sveta. Digitálne dvojča globálneho dodávateľského reťazca alebo rozsiahleho priemyselného areálu potrebuje na vernú kópiu skutočnosti nepretržitý tok telemetrických údajov. GPS dodáva presné zemepisné súradnice a časové značky, ktorými sa tieto virtuálne modely napĺňajú. Organizácie tak môžu v reálnom čase simulovať, optimalizovať trasy, predpovedať príchody a spätne analyzovať úzke miesta s vysokou priestorovou presnosťou.

Hlavné súčasti

Vesmírny segment: tvorí ho súhrn najmenej 24 funkčných satelitov, ktoré obiehajú Zem vo výške približne 20 200 kilometrov. Nepretržite vysielajú rádiové signály s presnou polohou na obežnej dráhe a presným časom z palubných atómových hodín.

Riadiaci segment: je to celosvetová sieť pozemných monitorovacích staníc, špeciálnych antén a hlavnej riadiacej stanice. Satelity sledujú, analyzujú ich signály, aktualizujú údaje o ich dráhe (efemeridy) a synchronizujú ich atómové hodiny, aby sa udržala presnosť celého systému.

Používateľský segment: patrí sem rôznorodý hardvér s prijímačmi GPS v priemyselných telematických jednotkách, lokalizátoroch, mobilných zariadeniach a autonómnych vozidlách. Zachytáva a spracúva satelitné signály, z ktorých vypočíta presnú polohu, rýchlosť a čas používateľa.

Trilateračný algoritmus: je to matematický postup, ktorým prijímač GPS zisťuje svoju polohu na Zemi. Meria oneskorenie rádiových signálov z najmenej štyroch rôznych satelitov, z neho vypočíta vzdialenosť ku každému satelitu a polohu nájde v priesečníku takto získaných gúľ.

Využitie vo výrobe a logistike

V logistike a riadení dodávateľského reťazca sa GPS používa hlavne na telematiku vozového parku a sledovanie nákladu od začiatku do konca. Keď logistickí poskytovatelia vybavia nákladné autá, železničné vozne a nákladné lode senzormi IoT s GPS, môžu v reálnom čase sledovať, kde sa tovar na svetových obchodných trasách práve nachádza. Podľa týchto údajov sa dá nastaviť dynamický geofencing, teda virtuálne hranice okolo prístavov, distribučných centier alebo výrobných závodov. Keď sledovaný objekt s GPS prekročí virtuálnu hranicu geofencingu, systém automaticky spustí udalosti, napríklad aktualizuje odhadovaný čas príchodu (ETA), vyšle pracovníkov príjmu alebo spustí automatizované colné konanie. Skracuje sa tak čas zotrvania a ubúda ručnej administratívy.

Vo veľkých výrobných závodoch, najmä s rozsiahlymi vonkajšími plochami, ako sú letecké, automobilové alebo lodiarske podniky, sa GPS používa na riadenie areálu a sledovanie ťažkých strojov. Suroviny, polotovary a špeciálne náradie bývajú uložené na veľkých vonkajších plochách, kde sú tradičné systémy lokalizácie vo vnútorných priestoroch nepraktické. Lokalizátory s GPS umožňujú správcom areálu nájsť konkrétny diel okamžite, čím sa skracuje hľadanie a zrýchľuje manipulácia s materiálom. Ak sa tieto údaje z GPS prepoja s digitálnym dvojčaťom závodu, vznikne aktuálny pohľad zhora na rozmiestnenie zásob a dá sa automaticky prideľovať miesta aj plánovať prediktívnu údržbu vozidiel v areáli.

Prínosy a úskalia

Hlavným prínosom GPS v priemyselných prevádzkach je nebývalý prehľad a predvídateľnosť dodávateľského reťazca. Priebežné údaje o polohe v reálnom čase zmenšujú „čiernu skrinku“ prepravy, takže výrobcovia môžu optimalizovať zásoby, zavádzať stratégie výroby just-in-time (JIT) a včas reagovať na výpadky, napríklad na dopravné zdržania alebo preplnenosť prístavov. Presné časové značky zo satelitov GPS navyše slúžia ako spoločné hodiny. Synchronizujú senzory priemyselného internetu vecí (IIoT) a zaručujú, že údaje zozbierané v globálnych sieťach sú v simuláciách digitálneho dvojčaťa zoradené v správnom časovom slede.

Napriek týmto výhodám má GPS v priemyselnom prostredí viacero obmedzení. Najväčším je útlm signálu. Signály GPS sú pomerne slabé a pevnými stavbami spoľahlivo neprechádzajú, takže sa sledovanie stráca v skladoch, továrňach aj medzi vysokými budovami v mestách. Preto treba použiť hybridné systémy, ktoré pri strate satelitného signálu prejdú na technológie sledovania vo vnútorných priestoroch. Prospekty aj mobilné aplikácie navyše často uvádzajú presnosť tri až päť metrov (10 až 16 ft). Pri pohybujúcich sa objektoch v areáli závodu s bežnými lokalizačnými modulmi a štandardnými anténami pri nasadeniach twinzo bežne vidíme skoky polohy približne 20 až 50 metrov (65 až 165 ft). Poloha stojaceho objektu sa môže ustáliť bližšie k prospektovým hodnotám. Vyššia presnosť vonku pri pohybe objektov si vyžaduje ďalšie antény, špeciálny hardvér GNSS a často aj drahé korekcie, ako je RTK.

Súvisiace pojmy

Pochopenie GPS úzko súvisí s ďalšími pojmami z oblasti priestorovej lokalizácie a digitálneho dvojčaťa. Patrí sem globálny navigačný satelitný systém (GNSS), širší pojem pre všetky globálne satelitné konštelácie vrátane GPS, GLONASS, Galileo a BeiDou. Vo vnútorných priestoroch, kde GPS nefunguje, podniky nasadzujú systémy lokalizácie v reálnom čase (RTLS) s technológiami, ako sú ultraširokopásmová technológia (UWB) alebo Bluetooth Low Energy (BLE), aby mali prehľad o polohe objektov. K tomu patrí aj geofencing, softvérový postup, ktorým sa vytvárajú virtuálne zemepisné hranice podľa súradníc GPS. Keď fyzický objekt vstúpi do vymedzenej zóny alebo z nej vyjde, spustí sa automatický digitálny proces.

Časté otázky

Aký je rozdiel medzi GPS a GNSS? GPS (globálny polohový systém) je konkrétny satelitný navigačný systém, ktorý vlastnia a prevádzkujú Spojené štáty. Globálny navigačný satelitný systém (GNSS) je všeobecný medzinárodný pojem pre všetky satelitné navigačné systémy na svete, teda aj americký GPS, európsky Galileo, ruský GLONASS a čínsky BeiDou. Moderné priemyselné lokalizačné zariadenia často používajú prijímače multi-GNSS, ktoré pracujú s viacerými konšteláciami naraz, čím sa zlepšuje presnosť a spoľahlivosť určenia polohy.

Dá sa GPS použiť na sledovanie zásob v sklade? Štandardné GPS je vo vnútri skladov spravidla nepoužiteľné, pretože satelitné rádiové signály blokujú alebo výrazne zhoršujú betónové steny, kovové strechy a regály. Na sledovanie polohy vo vnútorných priestoroch podniky zvyčajne nasadzujú systémy lokalizácie v reálnom čase (RTLS) s inými technológiami, ako sú Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE), ultraširokopásmová technológia (UWB) alebo rádiofrekvenčná identifikácia (RFID). RFID vo vnútorných priestoroch znamená tri rôzne riešenia od rôznych dodávateľov a v rôznych cenových hladinách: bránu, blízkostné čítanie a stropné antény, ktoré v reálnom čase sledujú polohu v osiach X, Y a Z. Podrobnejšie o vonkajších plochách závodu sa dočítate v článku GPS v RTLS: vonkajšie plochy a odovzdanie polohy v areáli.

Ako sa údaje z GPS zapájajú do digitálneho dvojčaťa? Údaje z GPS zbierajú koncové zariadenia na fyzických objektoch a posielajú ich cez mobilné, satelitné alebo LPWAN siete do IoT gateway. Platforma digitálneho dvojčaťa ich potom spracuje a zemepisné súradnice premietne do virtuálneho 3D modelu dodávateľského reťazca alebo závodu. Digitálne dvojča tak odráža skutočný pohyb, rýchlosť a stav objektov v reálnom čase, čo umožňuje presné simulácie a prevádzkový dohľad.

Čo je RTK GPS a prečo sa používa v priemysle? Real-Time Kinematic (RTK) GPS je pokročilá technika satelitnej navigácie, ktorá využíva meranie fázy nosnej vlny signálu GPS spolu s korekčnými údajmi z nehybnej pozemnej referenčnej stanice, aby zvýšila presnosť určenia polohy. Prospekty GPS často uvádzajú presnosť pár metrov, no pohybujúce sa objekty v areáli závodu s bežnými modulmi skáču typicky o 20 až 50 metrov (65 až 165 ft). RTK GPS dosiahne centimetrovú presnosť, ak sa s anténami a korekčným hardvérom počíta už pri návrhu. Táto vysoká presnosť je rozhodujúca pri automatizovaných priemyselných aplikáciách, ako sú presné poľnohospodárstvo, autonómne banské vozidlá, automatizované prístavné žeriavy a geodézia.