Verbesserte Gps-positionsschätzung Mit Ip

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Verbesserte GPS-Positionssch¨ atzung mit IP-transportierten Korrekturdaten fu ¨ r autonome Systeme im Outdoor-Bereich Johannes Pellenz, Sabine Bauer, Tobias Hebel, Sebastian Spiekermann, Gerd Tillmann und Dietrich Paulus Universit¨ at Koblenz-Landau, Universit¨ atsstr. 1, 56070 Koblenz [email protected] Zusammenfassung. F¨ ur autonome Systeme im Outdoor-Bereich k¨ onnen zur groben Selbstlokalisation GPS-Positionsdaten genutzt werden. Leider sind diese Positionsdaten bedingt durch verschiedene Fehlerquellen recht ungenau. Eine M¨ oglichkeit zur Verbesserung der Genauigkeit bieten Korrekturdaten, die von einer festen Referenzstation berechnet und ausgesendet werden. F¨ ur den Empfang der Referenzdaten ist jedoch normalerweise ein eigener Empf¨ anger erforderlich, der auf dem autonomen, mobilen System mitgef¨ uhrt werden muss. Diese Arbeit untersucht als alternativen Transportweg f¨ ur Korrekturdaten das (W)LAN und stellt die Verbesserung der Positionssch¨ atzung nach Anwendung der Korrekturdaten dar. 1 GPS GPS (Global Positioning System) ist ein satellitengest¨ utztes Navigationssystem. Mit Hilfe dieses Systems ist es m¨oglich eine dreidimensionale Positionsbestimmung zu bekommen, d. h. den L¨angen- und Breitengrad und die H¨ohe des Ortes, an dem sich die GPS-Antenne befindet. Dazu muss der GPS-Empf¨anger die Signale von mindestens vier Satelliten auswerten und dabei eine Laufzeitmessung der Signale von jedem einzelnen Satelliten zum Empf¨anger durchf¨ uhren. Die Ungenauigkeiten in der Positionsbestimmung sind auf Ereignisse zur¨ uckzuf¨ uhren, die die Laufzeit der Signale beeinflussen, wie z. B. atmosph¨arische St¨orungen [Bauer2003]. Weitere Ursachen f¨ ur Ungenauigkeiten sind ung¨ unstige Satellitenkonstellationen sowie Ungenauigkeiten der Satellitenuhren. Im Durchschnitt kann man bei einer solchen Positionsbestimmung ohne Einbezug von Korrekturdaten nur eine Genauigkeit von 10 bis 15 Metern erreichen. Die vom GPS-Empf¨anger berechnete Position kann mittels NMEA-Protokoll u ¨ ber eine serielle Verbindung an einen PC u ¨ bertragen werden, der zur Steuerung des Roboters verwendet wird. In Abbildung 1 ist unser mobiles System “Robbie 5” zu sehen, auf dem der GPS-Empf¨ anger installiert ist. Abb. 1. Unser mobiles System “Robbie 5” mit GPS-Empf¨ anger 2 Differential GPS Die verschiedenen St¨ orungen resultieren in einer falschen Absch¨atzung des Abstands des Empf¨ angers zu einem Satelliten; diese gesch¨atzten Abst¨ande werden Pseudostrecken genannt. DGPS (Differential GPS) ist eine Erg¨anzung zum GPS System, bei dem mit Hilfe von Korrekturdaten eine pr¨azisere Ermittlung der Position des GPS-Empf¨angers erm¨oglicht wird, indem Korrekturdaten f¨ ur die Pseudostrecken zu jedem Satelliten ber¨ ucksichtigt werden. Dazu positioniert man einen GPS-Empf¨ anger an einem Ort, dessen Position zuvor exakt vermessen wurde. Aus der Differenz der bekannten und der momentan durch das GPS ermittelten Entfernungen lassen sich dann die Pseudostreckenkorrekturen berechnen. Ein solches System nennt man Referenzstation. Da sich die Fehlerquellen bei benachbarten Empf¨ angern zum gleichen Zeitpunkt in etwa gleich auswirken, kann die Referenzstation die Pseudostreckenkorrekturen einem nahe gelegenen GPS-Empf¨ anger u ¨ bermitteln und diesem somit eine bessere Positionsbestimmung erm¨ oglichen. In der Echtzeit¨ ubertragung solcher Korrekturdaten hat sich das RTCM-SC 104 Format durchgesetzt [RTCM1998]. Dieses Format wird in erster Linie u ¨ ber Funk ausgestrahlt, z. B. u ¨ ber einen Mittelwellensender. Auf der Nutzerseite muss ein passender Empf¨anger zur Verf¨ ugung stehen, der die Signale auff¨ angt und an das GPS-Ger¨at weiterleitet. Dieses kann dann die Korrekturwerte bei der Positionsbestimmung ber¨ ucksichtigen. 3 NTRIP ¨ Neben der Ubertragung u ¨ber Radiowellen kann auch das Internet dazu verwendet werden, Pseudostreckenkorrekturen zu u ¨ bertragen. NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) ist eine im September 2004 vorgestellte Technik, um Satellitennavigationsdaten u ¨ ber ein TCP/IP-basiertes Netzwerk zu u oglicht Systemen auch ohne eigenen Radioempf¨anger ¨ bertragen. NTRIP erm¨ RTCM Korrekturdaten zu nutzen [Lenz2004]. Es basiert auf dem HTTP 1.1 ¨ Standard, so dass als Ubertragungswege zu einem mobilen System neben GSModer UMTS-Netzen auch WLAN (Wireless LAN) genutzt werden kann. WLAN ist f¨ ur mobile Systeme besonders interessant, da oft eine WLAN-Verbindung bereits vorhanden ist und Korrekturdaten daher ohne zus¨atzlichen Hardwareaufwand und Stromverbraucher verwendet werden k¨onnen. 4 Versuchsaufbau 111 000 000 111 000 111 000 111 000 000 111 111 000 111 000 111 000 111 000 111 000 111 111 000 000 111 000 111 000 111 000 000 111 111 000 111 000 111 000 111 000 111 000 111 Mobiles System Korrekturdaten−Empfänger Referenzstation MW−Antenne GPS−Antenne GPS− Empfänger RTCM Korrekturdaten (RS 232) RTCM Korrekturdaten (TCP/IP) RTCM Korrekturdaten (RS 232) NMEA Positionsdaten (RS 232) Client (Laptop) WLAN Beacon Receiver Referenz− station 1 RTCM Korrekturdaten (RS 232) Server NTRIP Korrektur− daten (TCP/IP) Internet Referenz− station 2 Abb. 2. Versuchsaufbau Ziel der Arbeit ist es zu untersuchen, welche Auswirkung die Einspeisung von Korrekturdaten auf die Positionsbestimmung hat und wie sich der alterna¨ tive Ubertragungsweg u ¨ ber TCP/IP auf die Genauigkeit der Positionssch¨atzung auswirkt. Dazu wurden vier verschiedene GPS Empf¨anger mit unterschiedlichen Korrektursignalen u ¨ber unterschiedliche Wege versorgt. Als Empf¨anger wurden verwendet: – Trimble 4000 DS, ein professioneller GPS-Empf¨anger mit externer Antenne. Dieses Ger¨ at wird u. a. f¨ ur die Vermessung eingesetzt. – Garmin eTrex, ein sehr verbreitetes Consumer GPS Handger¨at, das u ¨ ber eine RS 232 Schnittstelle mit einem Rechner verbunden werden kann. – Garmin GPS 12, ebenfalls ein Consumer GPS Handger¨at ¨alterer Bauart, das mit einer RS 232 Schnittstelle ausgestattet ist. – u-blox RCB-LJ Receiver Board, ein professionelles GPS Receiver Board, das als Platine geliefert wird und in eigene Systeme integriert werden kann. Folgende Quellen f¨ ur Korrekturdaten wurden verwendet: – Referenzstation der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) in Koblenz. Die Referenzstation ist nur ca. 2 km vom GPS-Empf¨anger entfernt. Die Signale werden mit einem Differential Beacon Receiver MBX-3 der Firma csi empfangen. – NTRIP Datenstrom des Broadcasters www.euref-ip.net aus Frankfurt (Kennung FFMJ2). Die Referenzstation ist ca. 84 km vom GPS-Empf¨anger entfernt. Die Korrekturdaten werden u ¨ ber das Internet empfangen. Sowohl die NTRIP-Daten als auch die Daten der WSV werden zun¨achst von einem Server empfangen und dort an einem Port u ¨ ber die Software dgpsipd [Rupprecht2004] dem Client zur Verf¨ ugung gestellt. Durch diesen Aufbau ist f¨ ur den Client nicht sichtbar, von wo die Korrekturdaten tats¨achlich stammen. Das Auslesen des GPS und das Weiterleiten der Korrekturdaten u ¨ bernimmt das Programm gpsd (GPS service daemon) [Raymond2005]. Zu Vergleichszwecken wurden alternativ die Korrekturdaten vom Beacon Receiver auch direkt u ¨ ber eine RS 232 Verbindung an den jeweiligen GPS-Empf¨anger u ¨ bertragen. Der Gesamtaufbau ist in Abbildung 2 wiedergegeben. 5 Ergebnisse Die GPS-Ger¨ ate wurden f¨ ur die Versuche an einem festen Standort aufgebaut und u ¨ ber ein serielles Kabel an einen PC angeschlossen. Die Positionen, die das GPS-Ger¨ at berechnete, wurde anschließend u ¨ ber mehrere Stunden protokolliert. Als Protokoll f¨ ur die Kommunikation vom GPS zum Client wurde NMEA verwendet; die Positionsangaben darin sind in Grad und Minuten (mit Nachkommastellen) kodiert. Zur einfacheren Bewertung der Ergebnisse wurden die Gradangaben in Gauß-Kr¨ uger-Koordinaten umgerechnet, die die Positionen in Form eines Rechts- und eines Hochwerts in Metern angeben. Die Beurteilung der Abweichung vom Mittelwert wird dadurch erleichtert. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 4 wiedergegeben. Trimble 4000 DS (ohne DGPS) σRechtswert 1,1193 σHochwert 1,7204 Anz. Messungen 62867 RTCM RTCM u ¨ ber IP NTRIP 0,7631 0,6804 0,7949 1,2748 1,1361 1,1489 56708 54596 50333 Tabelle 1. Trimble 4000 DS: Standardabweichungen der Messungen vom Mittelwert (in Metern) Garmin eTrex (ohne DGPS) σRechtswert 2,5502 σHochwert 2,9501 Anz. Messungen 16842 RTCM RTCM u ¨ ber IP NTRIP 4,3400 4,8082 2,3542 5,1217 4,7685 5,1078 10624 4099 6030 Tabelle 2. Garmin eTrex: Standardabweichungen der Messungen vom Mittelwert (in Metern) Garmin GPS 12 (ohne DGPS) RTCM RTCM u ¨ ber IP NTRIP σRechtswert 3,0202 – 2,9210 – σHochwert 4,4464 – 4,9631 – Anz. Messungen 16635 – 5378 – Tabelle 3. Garmin GPS 12: Standardabweichungen der Messungen vom Mittelwert (in Metern) u-blox RCB-LJ (ohne DGPS) σRechtswert 2,0941 σHochwert 2,5074 Anz. Messungen 31645 RTCM RTCM u ¨ ber IP NTRIP 1,6848 1,8741 2,0442 2,7444 3,1590 2,7955 26602 48610 23174 Tabelle 4. u-blox RCB-LJ: Standardabweichungen der Messungen vom Mittelwert (in Metern) 5.1 Unterschiede zwischen den GPS-Ger¨ aten Die Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen GPS-Empf¨anger sehr unterschiedlich auf die Einspeisung von Korrekturdaten reagieren. W¨ahrend das Trimble die Genauigkeit der Positionsmessung deutlich verbessern kann (die Standardabweichung sinkt auf bis zu unter 70 cm), beeinflussen die Korrekturdaten beim Garmin GPS 12 die Positionsmessungen kaum. Beim Garmin eTrex wurde die Positionssch¨ atzung sogar unstabiler; die Standardabweichung stieg auf fast das Doppelte an. Grund daf¨ ur k¨onnte sein, dass bei ausgeschaltetem DGPS interne Filter die Daten stark gl¨ atten, und damit die Positionssch¨atzung stabiler erscheinen lassen. ¨ Unterschiede durch die Art der Ubertragung 5.2 ¨ Die Art der Ubertragung der Korrekturdaten – ob u ¨ ber eine direkte RS 232Verbindung oder u ber ein IP-Netzerk – hat keine signifikante Auswirkung auf ¨ die Genauigkeit der Positionssch¨atzung. Dieses Ergebnis wurde erwartet, da die Korrekturdaten bei ausgeschalteter SA (Selective Availability; k¨ unstliche Verschlechterung der Daten; seit 1. Mai 2000 normalerweise deaktiviert) mehrere Minuten g¨ ultig sind, und eine Verz¨ogerung durch den Transport dadurch nicht ins Gewicht f¨ allt. 5.3 Unterschiede durch verschiedene Referenzquellen Die Genauigkeit des Trimble-Empf¨angers l¨asst sich sowohl durch die Einspeisung der Korrekturdaten von der nahe gelegenen Referenzstation in Koblenz, also auch von der weiter weg liegenden Referenzstation in Frankfurt (¨ uber NTRIP) deutlich verbessern. Dies u ¨ berrascht, da die atmosph¨arischen St¨orungen lokal unterschiedlich sein k¨ onnen und durch Daten von einer n¨aher gelegenen Referenzstation besser kompensiert werden sollten. gpstest20050608_trimble_plain_GPS.gk gpstest20050614_trimble_rtcmko_direct_DGPS.gk 581732 581732 ’tmp.gk’ using 2:3 ’tmp.gk’ using 2:3 581730 GK Hochwert (-5000000) GK Hochwert (-5000000) 581730 581728 581726 581724 581722 581720 397552 581728 581726 581724 581722 397553 397554 397555 397556 397557 397558 397559 397560 581720 397552 397553 GK Rechtswert (-3000000) Tue Sep 13 21:29:17 2005 397554 397555 397556 397557 397558 397559 397560 GK Rechtswert (-3000000) Tue Sep 13 21:29:29 2005 Abb. 3. Plot zweier Messung mit dem Trimple 4000 DS: Ohne (links) und mit (rechts) Korrekturdaten 6 Ausblick Die vorliegende Arbeit zeigt, wie ein Diffential GPS zur Groblokalisation auf einem mobilen System eingesetzt werden kann, ohne dass zus¨atzliche Hardware auf dem Roboter mitgef¨ uhrt werden muss. Folgende Aspekte werden in der weiteren Arbeit betrachtet: Verhalten von Consumer GPS-Empf¨ angern erkl¨ aren. Wir werden weitere Experimente mit Low-cost-GPS-Empf¨angern durchf¨ uhren um festzustellen, ob die Anwendung von Differenzdaten bei solchen Ger¨aten u ¨ berhaupt gerechtfertigt ist. Eigene Referenzstation. Wir planen den Aufbau einer eigenen Referenzstation, um damit auch sehr lokale St¨orungen kompensieren zu k¨onnen und Differenzdaten auch in Gebieten zur Verf¨ ugung zu haben, in denen keine Referenzstation in der N¨ahe ist. 7 Danksagung Wir danken Herrn Michael Hoppe und Herrn Mario Walterfang von der Wasserund Schifffahrtsverwaltung (WSV) des Bundes in Koblenz f¨ ur die freundliche Leihgabe von Hardware und die fundierte fachliche Unterst¨ utzung. Dank geht auch an das Projektteam von Robbie 5: Richard Arndt, Peter Decker, Christian Delis, Andreas Kl¨ ober, Alexander Kubias, Ken McManus, Felix Nagel, Sarah Steinmetz und Thorsten Tillack. Literaturverzeichnis [Bauer2003] Bauer, M.: Vermessung und Ortung mit Satelliten. Wichmann Verlag, 2003. [Lenz2004] Lenz, E.: Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (NTRIP): Application and Benefit in Modern Surveying Systems. FIG Working Week, 2004. [Raymond2005] Raymond, E: gpsd a GPS service daemon. http://gpsd.berlios.de/index.html. [RTCM1998] Radio Technical Commission For Maritime Services: RTCM recommended standards for differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) service, Version 2.2. Alexandria, Virginia, 1998. [Rupprecht2004] Rupprecht, W.: DGPS corrections over the Internet. FIG Working Week, 2004. http://www.wsrcc.com/wolfgang/gps/dgps-ip.html.