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Grazer Linuxtage 2016

Präzise GNSS-Positionierungmit dem Raspberry Pi und RTKLIB

Dr. Franz FaschingApril 2016

Dr. Franz Fasching Präzise GNSS-Positionierung mit Raspberry Pi und RTKLIB 2

Überblick

■ Wie funktioniert Satellitennavigation?

■ Hardwarevoraussetzungen

■ Raspberry Pi

■ GNSS-Empfänger

■ Antenne

■ Softwarevoraussetzungen

■ Raspbian

■ RTKLIB

■ Precise Point Positioning vs. Real-Time Kinematics

■ Anwendungsfälle

■ Fazit


GNSS-Satellitennavigation

■ GNSS (Global Navigation Satellite System) subsummiert GPS (Global Positioning System; NAVSTAR), GLONASS, GALILEO, BEIDOU, QZSS, IRNSS, ...

■ Orbit 25.000 km, 6 km/s, 227 Satelliten

■ GNSS-Satelliten besitzen 3-4 äußerstpräzise Atomuhren (Cs, Rb)

■ Senden ihre aktuelle Position und genaueGPS-Zeit auf definierter Frequenz

■ Empfänger misst Signallaufzeiten (C/A-Code),bestimmt daraus Distanzen der Satelliten

■ 3D-Positionsbestimmung durchBestimmung des Schnittpunktes von4 Kugeloberflächen

Trex2001 - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0Trex2001 - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0


GNSS-Frequenzen

400 nm 450 nm 550 nm500 nm 600 nm 650 nm 700 nm

Das für den Menschen sichtbare Spektrum (Licht)

1 km 1 Mm1 m1 cm1 mm1 nm 1 µm1 pm1 fm 1 Å

InfrarotUltraviolett

1012

1 Terahertz10

1110

1310

1410

15

1 Petahertz10

1610

1710

18

1 Exahertz10

1910

2010

21

1 Zettahertz10

2210

2310

1010

9

1 Gigahertz10

810

710

6

1 Megahertz10

510

410

3

1 Kilohertz10

2

Wechselströme

hoch- mittel- nieder- frequente

105

104

106

107

103

102

101

100

10−1

10−2

10−3

10−4

10−5

10−6

10−7

10−8

10−9

10−10

10−11

10−12

10−13

10−14

10−15

LangwelleMittelwelleUV-

C/B/A harte- mittlere- weiche-

RundfunkMikrowellen

Terahertz- strahlung

Röntgenstrahlung

UKWVHF

UHFInfrarot- strahlung

Radar MW-Herd

Ultraviolett- strahlung

Gamma- strahlung

Höhen- strahlung

Wellenlänge in m

Frequenz in Hz (Hertz)

Quelle/ Anwendung/ Vorkommen Kurzwelle

Horst Frank / Phrood / Anony - Horst Frank, Jailbird and Phrood, CC BY-SA 3.0

Wellenlänge λ=cf

GPS-Frequenz 1575,42 MHz → Wellenlänge 0,19 m


GNSS-FrequenzbänderGPS

16

02

,00

0

FDMA

12

46

,00

0

L2PTL5R

FDMA

11

76

,45

0

L1PTL3PT

12

01

,50

0

FDMA

http://www.thsoa.org/pdf/fugrognsshydrosociety2007.pdf

15

75

,42

0

L1CR

CDMA CDMA

http://www.ima.umn.edu/talks/workshops/8-16-18.2000/van-dierendonck/GPSSIGSTRUCTURE.PDF

http://www.unoosa.org/pdf/icg/2007/icg2/presentations/05.pdf

http://comp.uark.edu/~mattioli/geol_4733/GPS_signals.ppt

http://www.itu.int/jive/servlet/JiveServlet/download/455-1231-287267-713/GLONASS.pdf

http://www.glonass.it/admin/config/download.aspx?filename=01_63_Glonass_%20status_06.pdf

L2L5 L1

12

27

,60

0

E2, L1, E1

GLONASS

Galileo

Compass

12

78

,75

0

E6

12

78

,75

0

E5a, E5b

http://www.reject.org/tsd/liz/gbppr/mil/gps/p1.pdf

L6

15

44

,50

0

http://www.nrw.qld.gov.au/gnss/events/pdf/galileo_alexsteciw.pdf

E3E4

12

15

,00

0

12

56

,00

0

frequency [MHz]

15

42

,50

0

Omnistar WAAS/EGNOS

E2(B1)

15

61

,09

8

E6(B3)

12

68

,52

0

http://en.wikipedia.org/wiki/Compass_navigation_system

E5B(B2)

12

68

,52

0

SBAS

multiplexing:

band occupied

band reserved/planned

GPS

16

02

,00

0

FDMA

12

46

,00

0

L2PTL5R

FDMA

11

76

,45

0L1PTL3PT

12

01

,50

0FDMA

15

75

,42

0

L1CR

CDMA CDMA

L2L5 L1

12

27

,60

0E2, L1, E1

GLONASS

Galileo

Compass1

27

8,7

50

E6

12

78

,75

0

E5a, E5b L6

15

44

,50

0

E3E41

21

5,0

00

12

56

,00

0frequency [MHz]

15

42

,50

0

Omnistar WAAS/EGNOS

E2(B1)

15

61

,09

8

E6(B3)1

26

8,5

20

E5B(B2)

12

68

,52

0

SBAS

multiplexing:

band occupied

band reserved/planned

This is SOURCE for image in paper border (with measure in px and guides)


Fehlerquellen

■ Numerisch: Verringerung der Positionsgenauigkeitdurch schleifende Schnitte (Dilution of Precision,DOP) der Kugeloberflächen

■ Satellit:

■ Präzision der Atomuhren (Relativitätstheorie!)

■ Präzision der Umlaufbahnen (Ephemeriden)

■ Atmosphäre:

■ Ionosphäre verändert Signallaufzeit frequenz-abhängig (schwankende Anzahl freier Elektronen)durch Refraktion und Eintrittswinkel

■ Troposphäre: frequenzunabhängiger Einfluss

■ Dopplereffekt: Bewegung des Satelliten auf denBeobachter zu oder vom Beobachter weg

■ Multipath-Effekte: urban canyons, tree canopy

■ Empfänger: Präzision der Zeitmessung (TCXO)Trex2001 - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0


User Range Errors (URE)

■ Summe aller Zeit- und Ortsfehler bei unkorrigierten Meßwerten

■ Satellitenbedingt: SIS-URE (Signal-in-Space User Range Errors)

■ Signalausbreitung: UERE (User Equipment Range Errors)

■ → Ionosphäre hat größten Einfluss

■ Genauigkeitsverbesserung: überbestimmte Ortung, Referenz-messungen (DGNSS), Phasenauswertung und Korrekturdaten

Quelle Zeitfehler Ortsfehler

Satellitenposition 6-60 ns 1-10 m

Zeitdrift 0-9 ns 0-1,5 m

Ionosphäre 0-180 ns 0-30 m

Troposphäre 0-60 ns 0-10 m

Mehrwegeffekte 0-6 ns 0-1 mQuelle: Wikipedia - GlobalesNavigationssatellitensystem


Genauigkeitsverbesserung

■ Überbestimmte Ortung: Wird von praktisch allen Empfängern verwendet. Bei „Überangebot“ an sichtbaren Satelliten, Verwendung der „besseren“, Ausscheiden der „schlechteren“ (Elevation, SNR)

■ Differential-GNSS: Verwendung einer Referenzmessung (base station), Eliminierung gleicher Fehler → RTK (real-time kinematics)

■ Phasenauswertung: Zusätzlich zur Standardlösung (Code-Solution) wirddie Phasenlage des Satellitenträgersignals (GPS: 1575,42 MHz) ausgewertet. Voraussetzung: Empfänger liefert Rohdaten des Satellitensignals

■ Korrekturdaten zu Satelliten-Clocks, -Ephemeriden, Ionosphäre, Troposphäre aus eigenen Referenzstationen

■ NASA-CDDIS (Crustal Dynamics Data Information System)

■ IGS (International GNSS Service)

■ Diverse kommerzielle Anbieter

http://cddis.nasa.gov/index.html

http://www.igs.org/


Real-Time Kinematics

■ Referenzstation (base station)und Empfänger (rover) mitFunkverbindung (schmalbandig)

■ Fehler heben sich beikleinem Abstand (bis zu10km) auf

■ Messung der Phase desTrägersignals, deshalbRohdatenausgabe desGNSS-Empfängers erforderlich

■ Problem: carrier phase ambiguity da nicht bekannt ist, wieviele Perioden lang das Signal nun ist → Fehler ein Vielfaches der Wellenlänge (19cm)

■ Integer ambiguity resolution durch statistische Methoden und Vergleich mit der Codelösung

NVS BINR Protocol Specification V1.3, Raw Data


RTKLIB

■ FOSS-Software zur präzisen Berechnung von GNSS-Positionen

■ Autor Tomoji Takasu (Tokyo University of Marine Science and Technology)

■ Homepage www.rtklib.com

■ Code gehostet auf GitHub: github.com/tomojitakasu/RTKLIB

■ Lizenz: BSD 2-clause (opensource.org/licenses/BSD-2-Clause)

■ Besteht aus einer Library, einem Windows-GUI (läuft unter WINE) und Commandline-Tools (ANSI C)

■ Benötigt einen Empfänger, der Rohphasendaten liefern kann

■ Professionelle Hersteller: NovAtel, Hemisphere, JAVAD, Furuno

■ Low-Cost: u-blox, SkyTraq, NVS

■ Beherrscht alle zuvor genannten Genauigkeitsverbesserungen

http://www.rtklib.com/

https://github.com/tomojitakasu/RTKLIB

http://opensource.org/licenses/BSD-2-Clause


RTKLIB Windows-GUI


RTKLIB Commandline Tools

■ Real-Time:

■ STR2STR – Stream-to-Stream Converter

■ Konvertiert GNSS-Rohdatenstreams „on-the-fly“

■ RTKRCV – Real-Time Positionsberechnung

■ Bis zu 3 Input-Streams (Base, Rover, Korrekturdaten)

■ Postprocessing:

■ CONVBIN – Convert binary

■ Konvertiert binäre Rohdaten ins RINEX Format

■ RNX2RTKP – RINEX to RTK Position solution

■ Berechnet eine präzise PPP oder RTK-Lösung

■ POS2KML – Konvertiert POS-Dateien ins KML-Format


Betriebsmodi und damit erzielbare Genauigkeiten

■ Single

■ „Normale“ GPS Codelösung

■ Genauigkeit etwa 2,5m 1-σ 2D

■ PPP (Precise Point Positioning) mit Korrekturdaten, Postprocessing

■ Phasenlösung mit CDDIS/IGS Korrekturdaten

■ Genauigkeit bis zu 20cm 1-σ 2D

■ RTK short baseline oder RTK long baseline mit Korrekturdaten

■ Konfiguration Rover mit Base Station

■ Genauigkeit etwa 3cm 1-σ 3D

■ Long-term static RTK short baseline, Postprocessing

■ Genauigkeit bis zu 4mm 1-σ 3D (!)


Hardware

■ Raspberry Pi (beliebiges Modell)

■ Rohdatenfähiger GNSS-Empfänger:

■ Modul für den RPi Expansion Port: RaspiGNSS„Aldebaran“ drfasching.com/products/gnss/raspignss

■ USB-Anbindung: optimalsystem.de, onetalent-gnss.com

■ GNSS-Antenne guter Qualität (z.B. Tallysman TW-2410 für Base Station, TW-4421 für Rover) drfasching.com/products/gnss/antennas

■ Achtung: Antenne muss zum Empfänger passen (LNA-Versorgung, Frequenzen L1/L2, GPS/GLONASS, etc.)

■ Achtung: Gute Sichtbedingungen („sky view“) Voraussetzung, großer Sichtwinkel, keine Abschattungen, keine Reflexionen

https://drfasching.com/products/gnss/raspignss.html

https://www.optimalsystem.de/os.aspx?x=411

http://www.onetalent-gnss.com/ideas/usb-hw-receivers

https://drfasching.com/products/gnss/antennas.html


Hardware Beispiele

RasPiGNSS „Aldebaran“ auf Raspberry Pi A+NVS NV08C-CSM GPS/GLONASS receiver

Tallysman TW-2410 GPS+GLONASS

OptimalSystem NV08C-RTK-DSPPUSB, Bluetooth

Manufactured in Austria by


Software

■ Raspbian „Jessie“ Lite (die Debian-Variante am Raspberry Pi)

■ RasPiGNSS-Tools (rpgtools, drfasching.com/downloads)

■ RTKLIB CUI Tools, kompiliert für Raspberry Pi (rtklib, drfasching.com/downloads)

■ Optional: Auswertesoftware, welche die gespeicherten Tracks aufbereiten und anzeigen kann, z.B. QGIS

■ Vorbereitung Raspbian:

■ Freimachen von /dev/ttyAMA0:console=serial0,115200 aus /boot/cmdline.txt entfernen

■ Takt der seriellen Schnittstelle erhöhen:init_uart_clock=6000000 in /boot/config.txt einfügen,sonst können keine 230400 Baud erreicht werden

https://drfasching.com/downloads.html



Konfiguration

■ Base Station (str2str)

■ str2str -in serial://ttyAMA0:230400:8:o:1:off -out tcpsvr://:1234

■ Rover (rtkrcv): Konfiguration der rtkrcv.conf

■ inpstr1-type =serialinpstr1-path =ttyAMA0:230400:8:o:1:offinpstr1-format =nvs

■ inpstr2-type =tcpcliinpstr2-path =basestation:1234inpstr2-format =nvs

■ outstr1-type =tcpsvroutstr1-path =:2947outstr1-format =nmea

■ pos1-posmode =kinematic

■ pos2-armode =fix-and-hold


Ergebnis

■ Monitoring mit status 2 in rtkrcv nach etwa 2 Minuten Laufzeit:

…

solution status : fix

# of input data rover : obs(680),nav(6),gnav(5),ion(2),sbs(137),pos(0),dgps(0),err(0)

# of input data base : obs(711),nav(0),gnav(0),ion(2),sbs(142),pos(0),dgps(0),err(0)

…

pos xyz float std (m) rover : 0.032,0.015,0.040

pos xyz fixed std (m) rover : 0.031,0.014,0.038

baseline length float (m) : 9.606

baseline length fixed (m) : 9.616

■ → Positionsgenauigkeit etwa 3 cm bei einer Baselinelänge von 10m


Anwendungsbeispiele

■ Langzeit-RTK im Bergbau (Australien)

■ Vorspannungsmessung im Straßenbau

■ Messung horizontaler und vertikaler Verschiebungen an Tagbau- und Tiefbauminen

■ Messung der Oberflächeneffekte von Tiefbauminen

■ Langzeitaufzeichnung und periodische Übermittlung von Rohdaten, RTK-Postprocessing mit Korrekturdaten samt statistischer Auswertung um präzise minimalste Bewegungen zu registrieren.

■ „We find the 24 hour averaged continuous static data to be easily and consistently sub 10mm....if not better. The low power draw is ideal for very long occupation. We are absolutely ecstatic with the technology.“ GNSS Monitoring


Anwendungsbeispiele (2)

■ Realtime-RTK - „Precision Farming“Autonomes Fahren im Agrarbereich zur präzisen Feldbearbeitung bzw. Dünger-/Pestizidausbringung.Ein Raspberry Pi / RasPiGNSS als fixe Base Station in der Umgebung, ein zweiter am Traktor/Arbeitsgerät verbunden mit einer Autopilot-Software. Funkstrecke zur Korrekturdatenüberittlung über ISM-Band (2.4 GHz)-Module (z.B. XBee Pro).

■ PPP PostprocessingVerifikation von Mautstrecken für GPS-basierte Mautsysteme. Aufzeichnung Rohdaten mit Raspberry Pi / RasPiGNSS und PPP-Postprocessing mit CDDIS-Korrekturdaten. Nach der Messfahrt Hochladen der Rohdaten auf Server, der ständig CDDIS-Korrekturdaten sammelt, die Rohdaten im Batchbetrieb auswertet (rnx2rtkp) und das Ergebnis zum Download ablegt.


Fazit

■ Ein Raspberry Pi kann mit einem Low-Cost L1 GNSS-Empfänger in Kombination mit RTKLIB unter bestimmten Voraussetzungen zur präzisen GNSS-Positionsbestimmung genutzt werden

■ Zeitdauer für einen Fix relativ lang, da im Gegensatz zu professionellem L1+L2-Equipment nur die L1-Frequenz benutzt wird → untauglich für On-the-Spot-Messungen im Vermessungswesen

■ Preis für einen Rover aber sehr gering im Gegensatz zu professionellem Equipment

■ Einsatz daher bevorzugt in Bereichen, wo viele Rover über lange Zeit verwendet werden sollen:

■ Langzeit-Monitoring in Geodäsie, Tagbau, Hochbau

■ Agrarbereich, autonomes Fahren in definierten Gebieten

■ Fahrzeugflotte zur Verifikation von Mautstrecken


Quellenverzeichnis

■ Wikipedia GPS: de.wikipedia.org/wiki/GPS

■ Wikipedia GNSS: de.wikipedia.org/wiki/Globales_Navigationssatellitensystem

■ Wikipedia GPS Signals:en.wikipedia.org/wiki/GPS_signals

■ Wikipedia Real Time Kinematic: en.wikipedia.org/wiki/Real_Time_Kinematic

■ Navipedia RTK: www.navipedia.net/index.php/RTK_Fundamentals

■ RTKLIB Homepage: www.rtklib.com

■ Code auf GitHub: github.com/tomojitakasu/RTKLIB

■ RasPiGNSS: drfasching.com/products/gnss/raspignss

■ RasPiGNSS Software: drfasching.com/downloads

https://de.wikipedia.org/wiki/GPS

https://de.wikipedia.org/wiki/Globales_Navigationssatellitensystem

https://en.wikipedia.org/wiki/GPS_signals#Legacy_GPS_signals

https://en.wikipedia.org/wiki/Real_Time_Kinematic

http://www.navipedia.net/index.php/RTK_Fundamentals

http://ww.rtkib.com/

https://github.com/tomojitakasu/RTKLIB

https://drfasching.com/products/gnss/raspignss.html



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Sie können den Vortrag unterhttp://glt16-programm.linuxtage.at/

bewerten.

http://glt16-programm.linuxtage.at/

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