Beschreibung des modularen GNSS RTK Low-cost Systems

Das gegenwärtige RTK low-cost GNSS-System an der Beuth Hochschule für Technik Berlin besteht aus einem flexiblen Aufbau. Dabei können die einzelnen Komponenten beliebig angepasst und zusammengesetzt werden. Die GNSS Referenz- und Roverein-heiten können zurzeit mit unterschiedlichen low-cost Boards wie ublox, Sky Traq, No-vaTel, Hemisphere und Superstar betrieben werden. Die Implementierung und Analyse weiterer GNSS-Boards ist anzustreben. In der Vergangenheit wurden sehr gute Ergeb-nisse mit den ublox Empfängern Lea 4T und 6T (L1 GPS-Empfänger) erzielt. Die neue ublox Lea 7 Generation nutzt auch die L1-Frequenz der GLONASS-Satelliten und kann ebenfalls die E1-Frequenz der Galileo-Satelliten verwenden. Regionale Satellitennavi-gationssysteme wie das QZSS- oder Compass werden in diesem Artikel nichtbetrach-tet. Die aufgeführten Empfänger können mit unterschiedlichen low-cost Antennen ggf.

auch mit geodätischen Antennen betrieben werden. Die sehr leichte ublox ANN-MS An-tenne wurde bei den bisherigen Arbeiten wenig betrachtet. Sehr gute Ergebnisse konn-ten u.a. mit der Trimble Bullet III Ankonn-tenne erzielt werden. Durch eine eigene Choke-Ring-Konstruktion konnten Störsignale weitgehend minimiert werden (siehe Bild 1).

Diese Antennenkonstruktion wurde in verschiedenen Studienarbeiten untersucht und auf den Kalibrierungseinrichtungen der Berliner Senatsverwaltung und der TU Dresden kalibriert (STEMPFHUBER &ALBERDING 2012). Die homogenen Antennenmodelle belegen diesen Ansatz.

Ein identisches Empfängersystem kann als lokales Referenzsystem verwendet werden.

Hierbei werden durch kurze Basislinien sehr gute Absolutgenauigkeiten und nahezu 100%ige Ambiguitätenlösungen erreicht. Die Initialisierungszeit (Time to first Fix, TTFF) beträgt bei einem Kaltstart wenige Minuten. Die Rohdaten werden dabei über die fir-meninternen Datenformate (beim ublox Empfänger ein binäres Format mit der Bezeich-nung ubx) in der GNSS-Auswertesoftware verarbeitet. Die Dienste für RTCM-Korrektursignale aus GNSS-Korrekturservicen (in Deutschland zur Trägerphasenlösung mit den Diensten der Vermessungsverwaltung SAPOS, Trimble VRSNow, AXIO-Net ascos und Leica SmartNet, verteilt über das NTRIP-Verfahren) können ebenfalls ver-wendet werden. Die Qualität und Stabilität der auf Mehrfrequenz-Empfängern basierten Netzwerklösungen (RTCM Standard 3.1 im MAC-Verfahren) muss hierbei separat un-tersucht werden. Die Basislinien sollten dabei nur wenige Kilometer betragen.

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Empfängern ergaben, dass sich ab einer Entfernung von etwa 3-5 km die Positions-genauigkeit von 1-3 cm signifikant verschlechtern. Die maximale Mess- und Auswer-tungsfrequenz des Systems beträgt zurzeit mit ublox Lea 6T-Empfängern 10 Hz.

Eine zentrale Komponente bei diesem Ansatz ist die GNSS-Auswertesoftware für RTK GNSS-Anwendungen. Diese basiert auf dem Open-Source-Ansatz RTKLib (www.rtklib.com, (TAKASU 2009)). Diese Entwicklungsplattform beinhaltet u.a. die Sub-systeme

• RTKNavi Real time kinematic GNSS-Berechnung und NMEA-Ausgabe

• RTKPost Post-processing Algorithmus

• RTKPlot Visualisierung

• RTKConv Konvertierung der Messdaten ins Format RINEX (Rohdatenformat) RTKNavi liefert dabei Echtzeitpositionen im Genauigkeitsbereich von wenigen Zentime-tern. Mit RTKPost können die aufgezeichneten Rohdaten im Format der vorher genann-ten Empfänger oder im RINEX-Format nachprozessiert werden. Das Abspielen der Rohdaten mit variablen Konfigurationseinstellungen der Basislinienberechnung und Po-sitionsausgaben an einer seriellen Schnittstelle kann ebenfalls ein sehr hilfreiches Werkzeug sein. Die Lizenzierung der RTKLib-Plattform basiert auf der GNU General Public License Version 3 (GPLv3). Mit der aktuellen RTKLib Version 2.4.2 vom Januar 2013 wurde diese Lizenzierung auf die Form BSD 2-cause geändert. Somit kann der Algorithmus auch bei kommerziellen Produkten eingebunden werden, d.h. die Verwen-dung des C++ Codes in bestehenden Entwicklung ist möglich. Eine weitere Komponen-te sKomponen-tellt die Kommunikation zwischen den Empfängern und der Berechnungssoftware dar. Ein entwickeltes WLAN Modul baut durch ein Ad-hoc-Netzwerk die kabellose Ver-bindung zur Rovereinheit auf. An der Recheneinheit, die in der Vergangenheit meist mit der lokalen Referenzstation direkt mit einem Kabel verbunden war, liegen die Echtzeit-positionen und der Zeitstempel der Messung an. Durch optimierte WLAN-Sendeantennen können Reichweiten von einigen hundert Metern erreicht werden. Eine weitere Kommunikationsmöglichkeit ergibt sich über ein Datenfunkmodem (z.B. Satelli-ne 3ASx). EiSatelli-ne Datenübertragung mit dem mobilen InterSatelli-net (via eiSatelli-nem Android Smart-phone) wird zurzeit entwickelt. Der modulare Aufbau des Gesamtsystems sieht wie folgt aus (Gewicht je nach Konfiguration inkl. Akku etwa 500-800g):

Bild 1: GNSS RTK Low-cost System für UAV-Anwendungen

Vergleichsergebnisse des low-cost Systems mit einem geodätischen System (Kosten-verhältnis low-cost Empfänger zu high-end Empfänger etwa 1 zu 50) zeigen die Leis-tungsfähigkeiten dieses Ansatzes bei einer normaler Satellitenkonstellation von 5-7 Sa-telliten.

Bild 2: Vergleich GNSS RTK Low-cost System mit einem geodätischen System

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3 Ergebnisse

Das im vorhergehenden Absatz beschriebene L1-low-cost RTK System basiert auf ei-ner funktionsfähigen Plattform und kann für verschiedenste Anwendungen problemlos eingesetzt werden. Bisher waren die geodätischen Anwendungen in den nachfolgenden Bereichen:

Geodätisches Monitoring

Die low-cost GNSS Empfänger eignen sich hierbei besonders gut für Aufgaben zum geodätischen Monitoring. Das Überwachungssystem kann die Rohdatenauswertung durch eine Batchdatei automatisiert durchführen oder die Echtzeitdaten direkt in das Auswertesystem einbringen. Der Systemaufbau ist u.a. in (STEMPFHUBER & A^LBERDING 2012) beschrieben. Hierzu werden gegenwärtig in zwei Abschlussarbeiten die einzelnen Empfängerkomponenten und das Gesamtsystem vor allem auf Störeinflüsse, Reakti-onszeit und Langzeitstabilität untersucht.

Navigation und Maschinensteuerung bzw. -führung

Simulationen von verschiedenen Aufgaben zur Baumaschinensteuerung und zur Navi-gation von Precision Farming-Anwendungen wurde bisher vor allem mit Mindstorms NXT-Komponenten simuliert, aufgezeichnet und ausgewertet. Ein kompletter System-aufbau mit absolutem Positionsvergleich zwischen dem RTK low-cost System und einer Referenz aus zielverfolgendem Tachymeter (vgl. Kap. 5) wird zurzeit analysiert. Er ba-siert auf dem Ansatz von Bild 3. Erste Ergebnisse an einem Bewegungssimulator wur-den in (STEMPFHUBER &BUCHHOLZ 2011) publiziert.

Bild 3: Untersuchungen zur Positionsgenauigkeit bei NXT-Modellen

Fixpunkte zur Transformation in ein Bezugssystem

Sollspur

Tachymeter GNSS Referenzstation Aufzeichnung aller

Messdaten

UAV-Anwendungen

Bild 4: Positionsvergleich an einem Quadrocopter

Erste Untersuchungen an einem Quadrocopter der Fa. Microdrones wurden am Flug-platz in Stendal mit der Fa. Geo-Metric durchgeführt. Dabei hatte sich gezeigt, dass der eingesetzte Datenfunk mit dem Ad-hoc WLAN nur bis ca. 150 m reicht. Die Rohdaten-auswertung ergab jedoch eine 100%ige Fixlösung der Trägerphasen. Untersuchungen wurden hier mit den vorher genannten Antennen (ANN von ublox und der Trimble Bullet III) durchgeführt. Ein Positionsplot zeigt die hochgenaue Flugtrajektorie.

Punktaufnahme und -absteckung

Gegenwärtig wird ein System aufgebaut, dass auf den beschriebenen Komponenten ein einfaches Roversystem zur Punktaufnahme und -absteckung ermöglicht. Der Ansatz des Gesamtsystems konnte bereits erste positive Testergebnisse liefern. Dieser Ansatz ist eine kostengünstige und einfache Alternative zur Aufnahme von Passpunkten bei photogrammetrischen Auswertungen oder Referenzdaten mit zentimetergenauen An-forderungen zu einem klassischen RTK GNSS Mehrfrequenzsystem.

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Bild 5: RTK Low-cost Roversystem mit Smartphone Bedienung

Folgende Teilaufgaben müssen für einen UAV-Einsatz des Messsystems noch detail-lierter bearbeitet werden:

- Genaue Spezifikation der Bewegungsabläufe bei UAV-Anwendungen (Form der Bewegung, Geschwindigkeiten, Einflussgrößen, Beschleunigungen, Reichweiten zur Basisstation)

- Einpassung der Hardware in die Flugobjekte (Minimierung des Gewichts, Strom-versorgung, Anbringung der GNSS-Antenne)

- Integration von neuen GNSS-Sensoren mit GLONASS-Signalverarbeitung - Integration der Software inkl. der Kommunikation

- Anpassung der Auswerteparameter und Echtzeitfilter

- Evaluierung von allgemeinen Einflussgrößen und anwendungsspezifischen Ein-flussgrößen

- Analyse der Soll-Ist-Auswertung

- Verwendung der hochgenauen Zeitinformation (PPS-Event zur Synchronisation von Sensordaten) - Optimierungen des Gesamtsystems