Master Projektarbeit FS 2011

Analyse hochfrequenter GNSS-RTK Messungen

Ladina Steiner

Betreuung:

Simon Häberling Prof. Dr. Markus Rothacher

Zusammenfassung Im Rahmen der vorliegenden Projektarbeit werden die RTK Möglichkeiten der JAVAD GNSS Empfänger bei hochfrequenten Messungen untersucht. Dazu werden in einem ersten Schritt statische Messungen zur Analyse des Signalverhaltens durchgeführt. Diese dienen der Detektion allfälliger Trends in den Messungen. Diese Trends können aufgrund des Einflusses der Ionosphäre, Troposphäre oder durch Multipatheffekte entstehen. Bei bekanntem Signalverhalten ist es in einem weiteren Schritt möglich, Bewegungen anhand real-time kinematischer Messungen besser interpretieren zu können. Bei den Untersuchungen ergaben sich aber bereits Probleme bei statischen RTK Messungen ab 10 Hertz. Bei diesen Messungen konnten die Ambiguities grösstenteils nicht fixiert werden. Die Ursache liegt in der Übertragungsfrequenz des Funkes bei der Übermittlung der Korrekturdaten von der Referenzstation zum Rover. Die Bandbreite der Korrekturnachrichten sowie das dazu verwendete Transferformat hat dabei keinen signifikanten Einfluss auf das Fixieren der Ambiguities oder das Messergebnis. In der vorliegenden Arbeit ist es nicht gelungen die Ambiguities bei RTK Messungen und der Übertragung der Korrekturdaten via Funk bis 100 Hertz zu fixieren. Es konnte aber gezeigt werden, dass die JAVAD GNSS Empfänger auch bei 100 Hertz RTK Messungen die erwarteten Genauigkeiten von 1 bis 2 cm erreichen können. Dazu müssen die Referenzstation und der Rover via LAN verbunden werden. Durch das Finden einer geeigneten, wenig ausgelasteten Frequenz für die Funkübertragung der Korrekturnachrichten könnte dieses System in Zukunft auch bei 100 Hertz RTK Messungen anhand der Korrekturdatenübertragung via Funk funktionieren. Statische Messungen über eine Basislinie von ca. 400 m zeigen, dass Korrelationen in den Messungen vorhanden sind. Dies entspricht den Erwartungen, insbesondere aufgrund von Multipatheffekten. Die Verwendung von GPS und GLONASS kombiniert ergab, im Rahmen dieser Arbeit, entgegen den Erwartungen keine signifikanten Genauigkeitssteigerungen. Dies hat aber wahrscheinlich den Grund, dass die Satellitenkonstellation zum Zeitpunkt der Testmessung nicht optimal war. Daher müsste dieser Aspekt in Zukunft nochmals genauer untersucht werden.

Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis

vi

Tabellenverzeichnis

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1. Einleitung 1.1. RTK Messprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. JAVAD GNSS Empfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 1 2

2. Datenformate und Korrekturdatenübertragung 2.1. Datenschnittstelle NMEA . . . . . . . . . . . . 2.2. Übertragungsformate der GNSS-Korrekturdaten 2.2.1. RTCM 2.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. RTCM 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. CMR+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Vergleich der Übertragungsformate . . . 2.3. Übertragung der GNSS-Korrekturdaten . . . . 2.3.1. Funkübertragung UHF . . . . . . . . . . 2.3.2. Übertragung per LAN . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

3 3 4 5 6 6 7 7 8 8

3. Statische RTK Messungen 3.1. Messkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Lösungsansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 9 10 10

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 4.1. Vergleich der Übertragungsformate CMR+ und RTCM 3 bei unterschiedlichen Messfrequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Vergleich der Messungen bei 1 Hertz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Vergleich der Messungen bei 10 Hertz . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3. Einflüsse der Parameter „Handshakemessage“, Baudrate, Frequenz der Funkübertragung auf das Fixieren von Messungen bei 10 Hertz . . . 4.1.4. Vergleich der Messungen bei 100 Hertz . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Wahl des geeigneten Übertragungsformates . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5. Analyse der Verhaltenseigenschaft der JAVAD Empfänger bei längerer Basislinie 5.1. Änderung des Elevationswinkels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Vergleich reiner GPS- und kombinierter GPS/GLONASS-Messung . . . . .

11 11 14 20 22 26

27 28 30

Inhaltsverzeichnis

v

6. Schlussfolgerungen und Ausblick 6.1. Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1. Applikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33 33 33 34

7. Schlusswort

35

Literaturverzeichnis

36

A. Anhang 1: Struktur des NMEA-Datensatzes GGA

A-1

B. Anhang 2: Struktur des Trimble Transferformats CMR

B-1

C. Anhang 3: Vergleich der Transferformate RTCM und CMR

C-1

D. Anhang 4: Berechung der Baudraten der Transferformate

D-1

Abbildungsverzeichnis 2.1. Aufbau des NMEA-Formates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.1. Aufbau der Testmessungen mit Basisstation und Rover und einer Basislänge von ca. 30 m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

4.1. 4.2. 4.3. 4.4.

Systematik der fixierten Lösungen bei 1 Hertz Messungen . . . . . . . . . . Statistik der 1 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll via Funk . . Statistik der 1 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll via Funk . Autokorrelation der 1 Hertz Messungen mit Übertragung der CMR+ Korrekturdaten via Funk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Statistik der 1 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll via LAN . . 4.6. Autokorrelation der 1 Hertz Messungen mit Übertragung der CMR+ Korrekturdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7. Systematik der fixierten Lösungen bei 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8. Systematik der fixierten Lösungen bei 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9. Histogramm der Abstände der Float Lösungen bei 10 Hertz, CMR+ . . . . 4.10. Histogramm der Abstände der Float Lösungen bei 10 Hertz, RTCM 3 . . . 4.11. Statistik der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, Funk . . . 4.12. Statistik der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll, Funk . . . 4.13. Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll . . . 4.14. Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll . . 4.15. Systematik der fixierten Lösungen bei 10 Hertz Messungen und der Übertragung der Korrekturdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16. Statistik der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, LAN . . . . 4.17. Statistik der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll . . . . . . 4.18. Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll . . . 4.19. Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll . . 4.20. Änderung beim Fixieren der Ambiguities beim Deaktivieren der Handshakemessage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.21. Systematik beim Fixieren der Lösungen bei 10 Hz Messungen und einer Funkübertragung über 430 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.22. Systematik beim Fixieren der Lösungen bei 10 Hz Messungen und einer Funkübertragung über 431 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.23. Systematik der fixierten Lösungen bei 100 Hertz Messungen . . . . . . . . . 4.24. Histogramm der Abstände der standalone Lösungen bei 100 Hertz Messungen

11 11 12 12 13 14 14 15 15 15 16 16 17 17 17 18 18 19 19 20 21 21 22 22

Abbildungsverzeichnis

vii

4.25. Messsession bei 100 Hertz Messungen und der Übertragung der Korrekturdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.26. Statistik der 100 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, LAN . . . 4.27. Statistik der 100 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll, LAN . . 4.28. Autokorrelation der 100 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll . . 4.29. Autokorrelation der 100 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll .

24 24 25 25 25

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8.

. . . . . . . .

28 28 29 30 30 31 31 32

B.1. Aufbau eines CMR-Transferformats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B-1

Messession über eine Basislinie von ca. 400 m . . . . . . . . . . . . . . . Statistik der Messession über eine Basislinie von ca. 400 m . . . . . . . . Autokorrelation der Messession über eine Basislinie von ca. 400 m . . . . Histogramm der Messungen bei unterschiedlichen Elevation . . . . . . . QQ-Plot der Messungen bei unterschiedlichen Elevation . . . . . . . . . Messession der kombinierten GPS und GLONASS Messungen bei 10 Hz Statistik der kombinierten GPS und GLONASS Messungen bei 10 Hz . . Autokorrelation der kombinierten GPS und GLONASS Messung . . . .

. . . . . . . .

Tabellenverzeichnis 1.1. Spezifikationen der JAVAD GNSS Empfänger . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

3 5 6

Mögliche Datensätze des NMEA-Protokolls . . . . . . . . . . . . . Beschreibung eines NMEA-Datensatzes . . . . . . . . . . . . . . . . Gliederung des RTCM 3 Transferformats . . . . . . . . . . . . . . . Vergleich der unterschiedlichen Versionen der Transferformate CMR CM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . und RT. . . . .

4.1. Genauigkeitswerte der Messungen bei 1 Hz mit dem Transferprotokoll CMR+ und RTCM 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Genauigkeitswerte der Messungen bei 1 Hz mit der Übertragung von CMR+ Korrekturdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Genauigkeitswerte der Messungen bei 10 Hz mit dem Transferprotokoll CMR+ und RTCM 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Genauigkeitswerte der Messungen bei 10 Hz mit der Übertragung von CMR+ und RTCM 3 Korrekturdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Systematik der Abstände der standalone Lösungen bei 100 Hertz Messungen 4.6. Standardabweichungen der Messungen bei 100 Hz mit der Übertragung von CMR+ und RTCM 3 Korrekturdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7. Standardabweichungen der Messungen bei 1, 10 und 100 Hz mit der Übertragung von CMR+ und RTCM 3 Korrekturdaten via Funk . . . . . . . . . . . 5.1. Absoluter Versatz zwischen der bekannten und der anhand der Messung bestimmten Koordinate des Pfeilers 1012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Genauigkeitswerte der Messungen bei Änderung des Elevationswinkels . . . 5.3. Vergleich der reinen GPS-Messung und der kombinierten Messung von GPS und GLONASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.1. Beschreibung eines GGA-Datensatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

12 13 16 19 23 23 26

29 29 30 A-1

1. Einleitung Im Rahmen einer Master Projektarbeit an der ETH Zürich soll das selbständige Erarbeiten eines Projektes erfolgen und dabei das theoretisch erworbene Wissen angewendet werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit hochfrequenten RTK GNSS Messungen. Von hochfrequenten Messungen wird gesprochen, wenn ab 1 Hertz (bei JAVAD Empfängern bis 100 Hertz) gemessen wird. Dabei werden statische sowie kinematische Messungen mit den JAVAD GNSS Empfängern in real-time durchgeführt. Die RTK Möglichkeiten der vorhandenen JAVAD GNSS Empfänger wurden bisher nicht vollständig getestet und sollen deshalb im Rahmen dieser Master Projektarbeit analysiert werden. Dabei liegt der Schwerpunkt vor allem in der Analyse der Möglichkeiten von hochfrequenten RTK Messungen bis 100 Hertz. Zusätzlich sollen verschiedene Parametereinstellungen getestet werden, wie beispielsweise die Einflüsse der gewählten Elevation, kombinierter GLONASS- und GPS-Messungen und der Troposphäre- oder Ionosphäremodelle. Nachdem das System funktioniert und statische Messungen über kurze und längere Basislinien sowie verschiedene Parameter getestet wurden, sollen RTK Messungen mit dem Rütteltisch erfolgen. Hochfrequente kinematische Messungen werden bereits im Rahmen der Doktorarbeit „HighRate GNSS for Seismology“ an der ETH Zürich von Simon Häberling, zur Detektion von Erdbebenschwingungen untersucht. Die Auswertung dieser Messungen erfolgt bisher aber im Post-Processing. Dabei werden vorgegebene Bewegungen mittels eines Rütteltisches simuliert und dabei anhand von Messungen mit den JAVAD GNSS Empfängern detektiert. RTK bietet den Vorteil, dass keine aufwändige Post-Processing Auswertungen notwendig sind. Weitere Anwendungen könnten auch bei der Navigation von sich schnell bewegenden Objekten (z.B. Flugzeuge, Baumaschinensteuerung) oder beispielsweise der Echtzeit-Bestimmung der Geschwindigkeiten bei Skiabfahrten liegen.

1.1. RTK Messprinzip Real-time-kinematische Messungen setzen einerseits den kontinuierlichen Empfang von mindestens vier Satelliten und andererseits den Empfang von Korrekturdaten voraus. Dabei werden die Ambiguities in Echtzeit gelöst und die Positionsbestimmung erfolgt mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich direkt im Feld. Dazu werden Korrekturdaten von einer Referenzstation via Funk oder GSM an einen Rover gesendet. Die Reichweite des real-time GNSS wird durch die Reichweite des Datenfunks und die angestrebte Genauigkeit, welche von der Länge der Basislinie abhängt, begrenzt [6]. Wenn die Ambiguities in Echtzeit gelöst werden, spricht man von fixierten Messungen. Ist dies nicht der Fall, gibt der Rover eine „standalone“-Lösung aus und verwendet dabei nur die Code-Lösung. Dies bedeutet, dass der Rover keine Korrekturdaten empfangen oder Diese nicht verarbeiten kann. Wenn der Rover die Phase ungefähr, jedoch nicht ganzzahlig bestimmen kann, wird von einer „float“-Lösung gesprochen.

1. Einleitung

2

1.2. JAVAD GNSS Empfänger Für diese Arbeit stehen zwei GNSS Empfänger vom Typ SigmaS TRE-G3TAJ der Firma JAVAD zur Verfügung. Diese Empfänger können Daten in einer Messrate bis 100 Hertz in RTK loggen und unterstützen die GNSS-Systeme GPS, GLONASS, GALILEO und SBAS. Die Messungen werden dabei als ASCII Output anhand des weltweit anerkannten NMEAStandards gespeichert. Diese Empfänger verfügen unter anderem über die in der Tabelle 1.1 aufgeführten Eigenschaften: Eigenschaften

SigmaS G3TAJ

RTK Genauigkeit (Horizontal)

1 cm + 1 ppm * Basislänge [km]

RTK Genauigkeit (Vertikal)

1.5 cm + 1.5 ppm * Basislänge [km]

Messraten

Bis 100 Hertz

Funk Modem (intern)

360 - 470 MHz, Datenfluss bis 38.4 kbps

Real-time Datenausgabe

RTCM 2.3, RTCM 3, CMR, CMR+

Datentyp

Code und Phase von GPS L1/L2/L5, GALILEO E1/E5A, GLONASS L1/L2 Tabelle 1.1.: Spezifikationen der JAVAD GNSS Empfänger [1]

2. Datenformate und Korrekturdatenübertragung 2.1. Datenschnittstelle NMEA Die empfangenen GNSS-Daten müssen in einem speziellen Datenformat ausgegeben werden. Dieses Datenformat gewährleistet, dass die Daten bei der Übertragung auf einen Computer, von Diesem interpretiert und verarbeitet werden können. Für den problemlosen Datenaustausch kann einerseits ein vom Hersteller definiertes (proprietäres) Format eingesetzt werden oder es wird andererseits eine Datenschnittstelle benötigt. Dazu wurde das Format NMEA von der „National-Marine-Electronics-Association“ normiert. Bei diesem Datenformat stehen mehrere vordefinierte Datensätze (vgl. Tabelle 2.1) zur Übermittlung unterschiedlicher GNSS-Empfängerinformationen zur Verfügung: Datensatz

Beschreibung

GGA

GPS fix Data: Dieser Datensatz beinhaltet Informationen bezüglich der Zeit, der geografischen Länge, Breite und Höhe, der Qualität des Systems und der Anzahl zur Positionsbestimmung verwendeter Satelliten

GLL

Geografic Position - Latitude/Longitude

GSA

GNSS DOP and Active Satellites: Dieser Datensatz beinhaltet Informationen bezüglich des Messmodus (2D oder 3D), der Anzahl der zur Positionsbestimmung verwendeter Satelliten und der Genauigkeit der Messungen (DOP: Dilution of Precision)

GSV

GNSS Satellites in View (Azimut, Elevation, SNR)

RMC

Recommended Minimum Specific GNSS Data

VTG

Course over Ground and Ground Speed

ZDA

Time and Date

LLQ

Leica Local Position and Quality Tabelle 2.1.: Mögliche Datensätze des NMEA-Protokolls [9]

2. Datenformate und Korrekturdatenübertragung

4

Je nachdem welche Informationen benötigt werden, können andere Datensätze für die Datenausgabe gewählt werden. Im vorliegenden Fall werden folgende Informationen benötigt: • Datum • Zeit • Position (geografische Länge und Breite, Höhe) • Qualität des Systems (kein GPS, GPS, DGPS, RTK) • Genauigkeit der Messungen • Anzahl der zur Positionsbestimmung verwendeten Satelliten • Messmodus (2D oder 3D) Diese gewünschten Informationen sind in den Datensätzen GGA, GSA und LLQ enthalten und werden dementsprechend in der vorliegenden Arbeit in einem NMEA-Protokoll ausgelesen. Dieses Protokoll besteht aus 8-Bit-ASCII-Zeichen und wird mit 11 9200 Baud über eine serielle Schnittstelle, Funkantenne oder einem USB-Anschluss übertragen. Der Aufbau des NMEA-Formats beginnt mit einem Start-Bit (logische Null), gefolgt von acht Datenbits und einem Stopp-Bit (logische Eins). Es wird kein Paritätsbit verwendet [9].

Abbildung 2.1.: Aufbau des NMEA-Formates [9] Jeder GNSS-Datensatz besitzt die gleiche Struktur und hat eine maximale Anzahl von 79 Zeichen zur Verfügung. Dabei werden das Anfangs- ($) und die Endzeichen (hCRihLF i) nicht gezählt. Aufbau und Beispiel eines NMEA-Datensatzes (Beschreibungen siehe Tabelle 2.2, Seite 5 und Tabelle A.1, Anhang A): $GPGGA,Inf_1,Inf_2,Inf_3,Inf_4,Inf_5,Inf_6,Inf_n * CS hCRi hLF i $GPGGA,113005.0,4724.440,N,00830.598,E,4,09,0.93,544.617,M,47.185,M,0.0,00*70

2.2. Übertragungsformate der GNSS-Korrekturdaten Bei Messungen im RTK-Modus werden die Korrekturdaten der Basisstation an den Rover gesendet. Um den Datenaustausch gewährleisten zu können, werden diese Korrekturdaten über ein Standardformat übertragen. Dabei bestehen zwischen diesen Formaten Unterschiede in der benötigten Bandbreite der Informationen und deren Verständlichkeit über den genauen Inhalt der zu übertragenden Daten. Im Folgenden wird auf die Formate RTCM 2.3, RTCM 3 und CMR+ näher eingegangen.

2. Datenformate und Korrekturdatenübertragung

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Feld

Beschreibung

$

Beginn des Datensatzes

GP

Informationen stammen von einem GPS-Empfänger

GGA

Kennzeichnung des Datensatzes (z.B. GGA)

Inf_1 bis Inf_n

Informationen mit der Nummer 1...n (z.B. Koordinate eines Punktes)

,

Komma als Begrenzungszeichen für die verschiedenen Informationen

*

Asterisk als Begrenzungszeichen für die Checksumme

CS

Checksumme zur Kontrolle des gesamten Datensatzes



Ende des Datensatzes: Wagen-Rücklauf („carriage return“, ) und neue Linie („line feed“, ) Tabelle 2.2.: Beschreibung eines NMEA-Datensatzes [9]

2.2.1. RTCM 2.3 Die Radio Technical Commision for Maritime Services (RTCM) entwickelte im Jahre 2001 das RTCM 2.3 Transferformat. Dieses zählt heutzutage in der Industrie zu den welweit anerkannten Transferformaten. Die Version 2.3 folgte auf die älteren Versionen 2.0 bis 2.2. Dabei ist jede Version eine Weiterentwicklung der früheren Versionen und beinhaltet zusätzliche Informationen. Die Version 2.3 ist speziell auf RTK-Korrekturdaten für sich bewegende GNSS-Empfänger ausgerichtet und enthält zusätzlich zur vorhergehenden Version Informationen zur Referenzantenne. Bei allen Versionen sind 63 Nachrichtentypen verfügbar, welche jeweils in Wörter von 30 Bits eingeteilt werden. Eine RTCM 2.3 Nachricht beginnt dabei mit einem Nachrichtenkopf, welcher Informationen zur Referenzstation und zum nachfolgenden Nachrichtentyp beinhaltet. Anschliessend folgen die spezifischen Dateninhalte für die jeweiligen Nachrichtentypen [9]. In der vorliegenden Arbeit werden bei der Verwendung des RTCM 2.3 Formats die Nachrichtentypen 18, 19, 23 und 24 ausgelesen. Damit werden die unkorrigierten Phasen- und Pseudoranges der RTK Messung, der Antennentyp und der Antennenreferenzpunkt übermittelt. • 18: Unkorrigierte RTK Phasenmessung • 19: Unkorrigierte RTK Pseudoranges • 23: Definition des Antennentyps • 24: Antennenreferenzpunkt (ARP) der Referenzstation Dabei sind die Nachrichtentypen 23 und 24 ausführlichere Versionen der Nachrichtentypen 3 und 22. Der Vorteil von RTCM 2.3 liegt in der Übersicht über die zu übermittelnden Informationen. Im Gegensatz dazu sind die Bandbreiten dieser Informationen sehr hoch.

2. Datenformate und Korrekturdatenübertragung

6

2.2.2. RTCM 3 Der RTCM 3 Standard ist die neuste Entwicklung der „Radio Technical Commission of Maritime Service“. Diese Version ist komplett überarbeitet und unterscheidet sich von den Vorhergehenden hauptsächlich durch die reduzierte Bandbreite. Diese Reduktion wird dadurch erreicht, dass die Daten in einem Datenbankformat vorliegen und die Nachrichten in drei Nachrichtengruppen gegliedert werden (vgl. Tabelle 2.3). Nachrichtengruppe Beobachtungen

Sub-Gruppenname

Nachrichtentyp [min, max]

GPS L1/L2

1003, 1004

Stationskoordinaten

–

1005, 1006

Beschreibung der Antenne

–

1007, 1008

Tabelle 2.3.: Gliederung des RTCM 3 Transferformats [4] In einer RTCM 3 Nachricht muss mindestens ein Nachrichtentyp jeder Gruppe enthalten sein. Dabei gibt es jeweils einen kürzeren und einen längeren Nachrichtentyp pro Gruppe, wobei der ausführlichere Typ die Funktion des Betriebs steigert. Diese Varianten werden dann empfohlen, wenn einerseits weitere Informationen verfügbar sind und andererseits die Bandbreite des zu übermittelnden Signals nicht begrenzt ist.

2.2.3. CMR+ Das „Compact Measurement Record“ (CMR) Format gehört neben den RTCM-Formaten ebenfalls zu den weltweit verbreiteten Standardformaten. Die Transferformate CMR, CMR+ und CMRx wurden von der Firma Trimble entwickelt und eignen sich ebenfalls für RTKAnwendungen. Dabei sind CMR+ und CMRx jeweils Weiterentwicklungen der Erstversion CMR. Die neueren Versionen unterstützen neben GPS auch GLONASS (CMR+) und GALILEO (CMRx) und reduzieren die benötigte Bandbreite. Die Struktur einer CMR-Nachricht ist ähnlich zu einer RTCM 3-Nachricht in drei Typen eingeteilt: • Beobachtungen (Typ 0): L1 und L2 Phasen- und Pseudodistanzmessungen für jeden getrackten Satelliten • Koordinaten der Referenzstation (Typ 1): Kartesische Koordinaten des Antennenphasenzentrums und Antennenoffsets, WGS84 • Beschreibung der Referenzstation (Typ 2): ASCII-Nachricht, welche den Stationsnamen und die Beschreibung der Referenzstation beinhaltet Dabei wird jede Gruppe von einem 6 Byte grossen Packetrahmen umrahmt und in eine Header- und Datensektion eingeteilt (vgl. Abbildung B.1, Anhang B). Bei der Verwendung von neun Satelliten liegt die Bandbreite der CMR-Nachricht bei 253 Bytes (Tabelle 2.4).

2. Datenformate und Korrekturdatenübertragung

7

Aufgrund der Reduktion der benötigten Bandbreite und der zusätzlichen Unterstützung von GLONASS beim Format CMR+ gegenüber dem Format CMR, wird in dieser Arbeit das Format CMR+ für Testmessungen verwendet. Das Format CMRx wird von der vorhandenen JAVAD-Software nicht unterstützt und kann daher nicht verwendet werden. Neben den drei erwähnten Formaten gibt es weitere Übertragungsformate. Dazu gehören beispielsweise die älteren Versionen von RTCM (Version 2.0, 2.1, 2.2) sowie das JAVAD eigene Format JPS und andere Formate wie RINEX oder das Leica Format LPS.

2.2.4. Vergleich der Übertragungsformate Eigenschaften

CMR

Hersteller

CMR+

CMRx

RTCM 2.3

Trimble

RTCM 3

RTCM

GNSS Systeme

GPS

GPS GLONASS

GPS GLONASS GALILEO

GPS GLONASS

GPS GLONASS

Bandbreite [bytes]

253

127

nicht bekannt

385

148

Tabelle 2.4.: Vergleich der unterschiedlichen Versionen der Transferformate CMR und RTCM Die älteren Versionen von RTCM verfügen im Vergleich zu dem CMRx Transferformat nicht über die Möglichkeit das Satellitensystem GALILEO zu unterstützen (vgl. Tabelle 2.4). Die Formate RTCM 2.3, RTCM 3 und CMR+ unterstützen alle jeweils GLONASS. Um einen späteren Vergleich zwischen den Systemen GPS und GLONASS zu ermöglichen, muss desshalb eines dieser drei Formate verwendet werden. Ein wesentlicher Vorteil der beiden Formate CMR+ und RTCM 3 liegt in der Reduktion der benötigten Bandbreite, welche etwa halb so gross ist wie bei RTCM 2.3. Dadurch wird die Effizienz der Datenübertragung gesteigert. Bei dem Transferformat RTCM 2.3 und RTCM 3 können einige Parameter des Nachrichteninhaltes selbst gewählt werden. Dies ermöglicht eine weitere Reduktion der Bandbreite bei der Übermittlung minimaler Inhalte in der Korrekturnachricht. Aufgrund der zuvor genannten Eigenschaften werden die Transferformate RTCM 3 und CMR+ in der vorliegenden Arbeit genauer untersucht.

2.3. Übertragung der GNSS-Korrekturdaten Für die Übermittlung der Korrekturdaten muss eine Übertragungsmethode gewählt werden. Aufgrund der voraussichtlichen Anwendungen von hochfrequenten RTK GNSS Systemen im Feld, lautet die Vorgabe dieser Arbeit, eine Übertragung mittels Funk zu verwenden. Für Testzwecke kann die Übertragung auch per LAN erfolgen. Zusätzlich gibt es alternative Übertragungsmethoden wie GSM/GPRS, Bluetooth, WLAN, Highspeed USB oder über eine serielle Schnittstelle, auf welche aber in diesem Bericht nicht weiter eingegangen wird.

2. Datenformate und Korrekturdatenübertragung

8

2.3.1. Funkübertragung UHF Die JAVAD Sensoren verfügen über eine interne Sende- und Empfangseinheit, welche Funksignale in dem Frequenzbereich von 360 bis 470 MHz übermitteln kann. Dabei sind Übertragungsraten bis 38.4 kbps möglich (Tabelle 1.1). Diese Übertragungsrate wird aber bei einer Übertragung mit RTCM 2.3 bei 100 Hz bereits überschritten. Das heisst, der Inhalt und damit die Grösse der Übertragungsnachricht spielt dabei eine wesentliche Rolle. Der Vorteil der Funkübertragung liegt in der Verfügbarkeit dieser Methode. Es braucht lediglich zwei Antennen und ist weniger abhängig von anderen Diensten wie dem Empfang von WLAN oder GSM und ist daher gut für den Feldeinsatz geeignet. Die Reichweite des Funksignals hängt dabei von der verwendeten Antenne und deren Standort ab, kann sich aber über mehrere Kilometer erstrecken. Durch die hohe Reichweite und die damit verbundene Flexibilität ist die Übertragung per Funk sehr gut für Feldeinsätze geeignet. Jedoch gibt es Nachteile in der Auslastung der Frequenzbereiche für die Funkübertragung. Diejenigen Frequenzbereiche, welche für die Öffentlichkeit zugänglich sind, sind meist bereits durch andere Anwendungen ausgelastet. Daher kann das Funksignal durch Störsignale beeinträchtigt werden, was zu Qualitäts- oder Informationsverlusten führen kann. Es muss also eine schwach ausgelastete Frequenz ausgewählt werden, welche noch möglichst freie Kapazitäten hat und damit eine vollständige Datenübertragung bei hoher Übertragungsfrequenz ermöglicht.

2.3.2. Übertragung per LAN Alternativ zu einer Funkübertragung besteht die Möglichkeit, die beiden Empfänger direkt via LAN miteinander zu verbinden und eine Ethernetverbindung herzustellen. Dies hat den Vorteil, dass das Nachrichtensignal weniger von Störsignalen beeinflussbar ist und somit zuverlässig empfangen werden kann. Deshalb können anhand dieser Methode Einflüsse bei Problemen der Korrekturdatenübertragung eruiert werden. Dazu gehören beispielsweise Probleme, bei welchen der Rover seine Lösung bei der Übertragung per Funk nicht fixieren kann. Durch die Übertragung via LAN kann das Problem eingegrenzt werden. Wenn die Lösungen bei der Übertragung via LAN, im Gegensatz zum Funk, fixiert werden können, weist dies darauf hin, dass der Empfänger die Korrekturdaten verarbeiten kann. Dies deutet dann auf Probleme bei der Funkübertragung hin.

3. Statische RTK Messungen 3.1. Messkonzept Im Rahmen dieser Arbeit finden einige Testmessungen statt. Daher ist eine gezielte Planung der Messungen notwendig, um die Genauigkeit und die Aussagekraft der Testmessungen zu erhöhen. Dazu muss einerseits die Satellitenkonstellation berücksichtigt werden. Die selbe Konstellation zeigt sich jeden Tag um 4 Minuten früher. Daher müssen vergleichbare Messungen, welche an kurz aufeinander folgenden Tagen stattfinden in etwa um die gleiche Tageszeit erfolgen. Andererseits muss eine geeignete Basislinie festgelegt werden. Diese wird für Testmessungen sehr kurz gewählt. Dies hat den Grund, dass einige Parameter und Programmeinstellungen bei der Basisstation sowie beim Rover mehrmals geändert werden müssen, bis das System zuverlässig läuft. Bei sehr kurzem Abstand (ca. 5 m) zwischen den beiden Empfängern können Funkinterferenzen auftreten, welche das Messergebnis verfälschen können. Desshalb wird die Basislinie der Testmessungen ca. 20 bis 30 m gewählt (Abbildung 3.1). Um bessere Aussagen über das Verhalten des Signals machen zu können, wird eine Messung bei längerer Basislinie (ca. 400 m) durchgeführt. Jedoch ist auch diese Basislänge für GNSS-Messungen sehr kurz.

Abbildung 3.1.: Aufbau der Testmessungen mit Basisstation (Pfeiler links im Bild) und Rover (Stativ rechts im Bild) und einer Basislänge von ca. 30 m Weiter muss die Messdauer geplant werden. Um gewisse Verhaltensmuster analysieren zu können, werden die Sessionen für Testmessungen auf rund 15 min gesetzt. Zudem erfolgen die Messungen kurz aufeinanderfolgend, damit gleiche Bedingungen vorherrschen und desshalb ein späterer Vergleich möglich wird. Dabei sollen äussere Störeinflüsse, welche beispielsweise

3. Statische RTK Messungen

10

von der Troposphäre, Ionosphäre oder der Satellitenkonstellation hervorgerufen werden, detektiert werden können. Dazu wären aber längere Messsession von beispielsweise 24 Stunden aussagekräftiger. Dies wird jedoch aufgrund des für diese Arbeit verfügbaren Zeitrahmen nicht ausgeführt. Zusätzlich müssen einige Parametereinstellungen gewählt werden, wie beispielsweise die Auswahl eines geeigneten Übertragungsformats für die Korrekturdaten, der für dieses Projekt geeignete NMEA-Output und die Satellitensysteme, welche getrackt werden sollen. Dabei wird RTCM 3 als Standard-Übertragungsformat für die Korrekturdaten gewählt, sowie die Datensätze GGA, GSA und LLQ als NMEA-Output und GPS als getracktes System benutzt. Zudem werden bei allen Messungen nur Satelliten zur Positionsbestimmung berücksichtigt, welche eine Elevation über 10◦ besitzen.

3.2. Probleme Bei den Testmessungen ergaben sich mehrere Probleme, welche sich vor allem auf das Fixieren der Ambiguities beziehen. Dabei konnten Messungen bei einer Messfrequenz von einem Hertz problemlos fixiert werden. Bei 10 Hertz und 100 Hertz konnten die Ambiguities selten fixiert werden, d.h. es waren grösstenteils nur standalone Lösungen verfügbar. Diese erfüllen die Genauigkeitsanforderungen von ca. 1 bis 2 cm nicht, sondern ergeben erwartungsgemäss Genauigkeiten im Meterbereich. Da die JAVAD Empfänger aber, gemäss Hersteller, für RTK Messungen bis 100 Hertz funktionsfähig sein sollten, muss eine Lösung dieses Problems gefunden werden.

3.3. Lösungsansätze Es sind zwei mögliche Ursachen des Problems beim Fixieren der Ambiguities denkbar. Dies kann entweder an der Funkübertragung liegen oder aufgrund von internen Verarbeitungsproblemen der JAVAD GNSS Empfänger entstehen. Probleme bei der Verarbeitung der empfangenen Korrektursignale im Empfänger können eingegrenzt werden, indem die beiden Empfänger (Basistation und Rover) direkt via LAN miteinander verbunden werden. Falls dies einen positiven Einfluss auf das Fixieren der Ambiguities hat, kann davon ausgegangen werden, dass das Problem bei der Übertragung mittels Funk liegen muss anstelle beim Empfänger selbst. Das Problem könnte auch aufgrund der Grösse des Nachrichtensignals (Bandbreite) entstehen. Dabei gibt es mehrere Einflüsse, wie beispielsweise die Wahl des Transferformats der Korrekturdatenübermittlung oder verschiedene Parametereinstellungen (Anzahl der getrackten Satelliten, Handshakemessage). Andererseits könnte auch die Frequenz der Funkübertragung einen Einfluss auf das Fixieren der Messungen haben. Dies aufgrund der Tatsache, dass bei mehrfach öffentlich ausgelasteten Frequenzbereichen mehrere Störsignale das zu übertragende Nachrichtensignal beeinflussen können. Diese Lösungsansätze werden im Rahmen dieser Arbeit schrittweise anhand von Testmessungen überprüft. Die daraus hervorgegangenen Resultate sind im Kapitel 4 beschrieben.

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 4.1. Vergleich der Übertragungsformate CMR+ und RTCM 3 bei unterschiedlichen Messfrequenzen 4.1.1. Vergleich der Messungen bei 1 Hertz Übertragung der Korrekturdaten via Funk

Abbildung 4.1.: Systematik der fixierten Lösungen bei 1 Hertz Messungen, Funk In der Abbildung 4.1 bedeutet eine „1“, dass die Lösung fixiert werden konnte und eine „4“, dass die Lösung nicht fixiert wurde (Ausreisser). Dabei ist ersichtlich, dass die RTK-Messung bei 1 Hertz problemlos funktionieren. Die Messungen können unabhängig vom benutzten Übertragungsformat immer fixiert werden.

(a) Histogramm

(b) QQ-Plot

Abbildung 4.2.: Statistik der 1 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll via Funk Die Messungen bei der Übertragung mit CMR+ sind nahezu normalverteilt (Abbildung 4.2) und varieren um zwei bis vier Zentimeter über einen Messzeitraum von 20 Minuten. Die Stan-

12

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

(a) Histogramm

(b) QQ-Plot

Abbildung 4.3.: Statistik der 1 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll via Funk Genauigkeiten [cm] bei CMR+

Genauigkeiten [cm] bei RTCM 3

Komponente

1σ

Range

1σ

Range

Nord

0.8

4.1

0.4

5.6

Ost

0.5

2.3

1.1

2.2

Höhe

0.9

4.4

1.4

6.3

Tabelle 4.1.: Genauigkeitswerte der Messungen bei 1 Hz mit den Transferprotokollen CMR+ und RTCM 3, Funk dardabweichung bei 1 Sigma liegt bei 0.5 cm und 0.8 cm in Ost- und Nord-Richtung und beträgt 0.9 cm in der Höhenkomponente (Tabelle 4.1). Die Messungen bei der Übertragung mit RTCM 3 sind ebenfalls nahezu normalverteilt, varieren aber stärker (zwei bis sechs Zentimeter). Die Standardabweichungen sind höher als bei der Messung mit CMR-Korrekturdatenübertragung. Die Werte liegen bei 0.4 cm und 1.1 cm für die Ost- und Nordkomponente und die Standardabweichung in der Höhe liegt bei 1.4 cm bei einer Messperiode von ca. 26 Minuten.

Abbildung 4.4.: Autokorrelation der 1 Hertz Messungen mit Übertragung der CMR+ Korrekturdaten via Funk

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

13

Bei der Autokorrelation werden alle Messungen auf ihre Korrelation mit sich selbst überprüft. Die Messungen, bei welchen mit Funkübertragung gemessen wurde, scheinen stark korreliert zu sein. Das heisst, zwischen den einzelnen Messungen der Zeitreihe besteht eine Beziehung, welche einen systematischen Anteil hat. Gemäss Abbildung 4.4 liegt eine Schwingung des Signals über ca. 300 Messungen, also etwa 5min vor. Übertragung der Korrekturdaten via LAN

(a) Histogramm

(b) QQ-Plot

Abbildung 4.5.: Statistik der 1 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll via LAN

Genauigkeiten [cm] bei CMR+ Komponente

1σ

Range

Nord

0.7

2.9

Ost

0.2

0.9

Höhe

0.7

3.0

Tabelle 4.2.: Genauigkeitswerte der Messungen bei 1 Hz mit der Übertragung von CMR+ Korrekturdaten via LAN Aus der Abbildung 4.5 ist ersichtlich, dass die Messungen bei CMR eine doppelte Normalverteilung bei einer Messsession von ca. 7 Minuten zu besitzen scheinen. Die Streuung der Messungen liegen zwischen einem und drei Zentimeter und sind daher geringer als bei der Übertragung der Korrekturdaten via Funk. Die Standardabweichungen bei 1 Sigma liegen bei 0.2 cm und 0.7 cm in der Ost- und Nordkomponente und bei 0.7 cm bei der Höhenmessung (vgl. Tabelle 4.2). Auch diese Werte sind genauer bei einer Übertragung der Korrekturdaten mittels LAN anstelle der Funkübertragung. Auch bei den Messungen via LAN sind Korrelationen vorhanden, welche auf Schwingungen des Signals über etwa 70 Messungen, also etwa einer Minute, hinweisen können (Abbildung 4.4). Ein Lag entspricht dabei einer Sekunde. Diese Korrelationen sind aber sehr gering

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

14

Abbildung 4.6.: Autokorrelation der 1 Hertz Messungen mit Übertragung der CMR+ Korrekturdaten via LAN im Vergleich zu den Messungen, welche anhand der Funkübertragung gemessen wurden (Abbildung 4.4).

4.1.2. Vergleich der Messungen bei 10 Hertz Übertragung der Korrekturdaten via Funk Die RTK-Messungen bei 10 Hertz enthalten viele Lösungen, welche nicht fixiert wurden und daher eine schlechtere Qualität der Genauigkeit aufweisen (Abbildungen 4.7 und 4.8).

Abbildung 4.7.: Systematik der fixierten Lösungen bei 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, Funk Aus den Abbildungen 4.7 und 4.8 ist ersichtlich, dass eine Systematik in der Qualität der Messungen vorliegt. Die Ausreisser wiederholen sich in regelmässigen Abschnitten mit einigen Ausnahmen dazwischen. Diese regelmässigen Ausreisser treten dabei alle 78 Messungen (vgl. Abbildung 4.9 und 4.10) auf und sind nahezu unabhängig vom verwendeten Übertragungsformat. Prozentual sind ca. 2 % der Messungen Ausreisser, unabhängig vom Übertragungsformat CMR+ oder RTCM 3. Die Verteilung (vgl. Abbildung 4.11) und die Genauigkeiten der Messungen (vgl. Tabelle 4.3) bei 10 Hertz unterscheiden sich von den Charakteristiken der Messungen bei 1 Hertz. Die Verteilung der Messwerte sind bei der Übertragung mit CMR+ nicht normalverteilt und streuen in einem Bereich von 3 cm (Ostkomponente) bis 6 cm (Nord-und Höhenkomponente). Dies weist darauf hin, dass ein Trend in den Messdaten vorhanden ist. Die Standardabweichung ist dabei 0.6 cm in Ostrichtung und 1 cm in der Nord- und Höhenkomponente.

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

15

Abbildung 4.8.: Systematik der fixierten Lösungen bei 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll, Funk

Abbildung 4.9.: Histogramm der Abstände der Float Lösungen bei 10 Hertz, CMR+, Funk

Abbildung 4.10.: Histogramm der Abstände der Float Lösungen bei 10 Hertz, RTCM 3, Funk Die Verteilung der Messwerte ist bei der Übertragung mittels RTCM 3 leicht linksschief (vgl. Abbildung 4.12) und die Streuung variert stärker, von 2 bis 7 Zentimeter. Dagegen sind die Genauigkeiten bei der Übertragung mit RTCM 3 etwas höher. Diese liegen bei 0.4 cm und 1.1 cm in Ost- und Nordrichtung und bei 0.7 cm in der Höhe. Dies wiederspricht den Ergebnissen aus der Messung bei 1 Hertz. Aus den Abbildungen 4.13 und 4.14 ist ersichtlich, dass Korrelationen in den Messungen vorhanden sind. Jedoch sind die Schwingungen des Signals kürzer bei der Übertragung der Korrekturdaten via RTCM 3.

16

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

(a) Histogramm

(b) QQ-Plot

Abbildung 4.11.: Statistik der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, Funk

(a) Histogramm

(b) QQ-Plot

Abbildung 4.12.: Statistik der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll, Funk Genauigkeiten [cm] bei CMR+

Genauigkeiten [cm] bei RTCM 3

Komponente

1σ

Range

1σ

Range

Nord

1.0

5.8

1.1

7.1

Ost

0.6

3.0

0.4

2.1

Höhe

1.0

5.7

0.7

3.8

Tabelle 4.3.: Genauigkeitswerte der Messungen bei 10 Hz mit dem Transferprotokoll CMR+ und RTCM 3, Funk Übertragung der Korrekturdaten via LAN Um das Problem beim Fixieren der Lösungen eingrenzen zu können wird auch diese Messung erneut mit direkter Verbindung der Empfänger durch ein LAN-Kabel durchgeführt. Aus der Abbildung 4.15 ist ersichtlich, dass bei einer Messung mit 10 Hertz und der Übertragung der Korrekturdaten via LAN alle Messungen fixiert werden konnten. Dies ist unabhängig vom verwendeten Transferformat. Dies deutet darauf hin, dass das Problem bei der Fixierung der Ambiguities in der Funkübertragung liegen muss. Aus den Abbildungen 4.16a und 4.17a ist ersichtlich, dass die Messungen bei der Übertra-

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

17

Abbildung 4.13.: Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, Funk

Abbildung 4.14.: Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll, Funk

Abbildung 4.15.: Systematik der fixierten Lösungen bei 10 Hertz Messungen und der Übertragung der Korrekturdaten via LAN gung via LAN und dem Übertragungsformat CMR+ normalverteilt sind. Hingegen sind die Messungen, welche die Korrekturdaten mittels RTCM 3 und LAN empfangen haben ebenfalls linksschief verteilt. Demnach zeigt sich das selbe Verhalten bei der Übertragung via Funk und via LAN. Aus der Tabelle 4.4 ist ersichtlich, dass der selbe Effekt erkennbar ist wie bei der 1 Hz Funkübertragung, dass die Standardabweichungen und die Streuung der Messwerte bei der Übertragung mittels RTCM 3 höher sind als bei der Übertragung mittels CMR+. Zusätzlich kann anhand der Autokorrelationen (Abbildungen 4.18 und 4.19) erkennt werden, dass die Messungen bei CMR+ eine längere Schwingungsperiode aufweisen als diejenigen

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

(a) Histogramm

18

(b) QQ-Plot

Abbildung 4.16.: Statistik der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, LAN

(a) Histogramm

(b) QQ-Plot

Abbildung 4.17.: Statistik der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll

19

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

Genauigkeiten [cm] bei CMR+

Genauigkeiten [cm] bei RTCM 3

Komponente

1σ

Range

1σ

Range

Nord

0.5

2.7

1.4

6.1

Ost

0.3

1.6

0.2

1.3

Höhe

0.5

3.3

0.8

4.5

Tabelle 4.4.: Genauigkeitswerte der Messungen bei 10 Hz mit der Übertragung von CMR+ und RTCM 3 Korrekturdaten via LAN

Abbildung 4.18.: Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, LAN

Abbildung 4.19.: Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll, LAN der RTCM 3 Messungen. Dies zeigt demnach das selbe Verhalten wie bei der Übertragung via Funk (vgl. Abbildungen 4.13 und 4.14). Jedoch ist zu beachten, dass die Korrelationen sehr gering sind und die Interpretation über diese systematischen Effekte mit Vorsicht zu geniessen sind. Generell muss dabei aber beachtet werden, dass einerseits die Messsessionen (7 Minuten) und andererseits die Basislinie (20 Meter) sehr kurz waren. Um genauere Aussagen machen zu können, müssten beide Parameter erhöht werden.

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

20

4.1.3. Einflüsse der Parameter „Handshakemessage“, Baudrate, Frequenz der Funkübertragung auf das Fixieren von Messungen bei 10 Hertz Um das Problem beim Fixieren der Ambiguities eingrenzen zu können, werden verschiedene Parametereinstellungen auf ihren Einfluss auf das Fixieren der Ambiguities getestet. Dazu gehört der Einfluss der Benutzung einer externen Funkantenne, die „Handshakemessage“, die Baudrate und die Frequenz der Funkübertragung. Einfluss der „Handshakemessage“ Bei der Übermittlung der Korrekturdaten an den Rover, sendet dieser beim Erhalten der Korrekturdaten eine Empfangsbestätigung („Handshakemessage“) an die Referenz zurück. Diese Einstellung kann mittels „RTS off“ in NetView deaktiviert werden. Dies könnte eine Verminderung des Datenverkehrs bei der Übertragung der Korrekturdaten und eine Reduktion des Arbeitsprozesses im Rover bezwecken und somit das Fixieren der Ambiguities erlauben.

Abbildung 4.20.: Änderung beim Fixieren der Ambiguities beim Deaktivieren der Handshakemessage etwa ab der Messung 2400 Bei der Messung der Abbildung 4.20 wurde die Handshakemessage nach etwa 2400 Messungen deaktiviert. Es ist ersichtlich, dass diese Änderung Auswirkungen auf das Fixieren der Ambiguities hat. Diese sind jedoch, entgegen den Erwartungen, negativ. Dies bedeutet, dass die Ambiguities nach dem Deaktivieren dieses Parameters nicht mehr fixiert werden konnten. Wird der Parameter anschliessend wieder aktiviert, kann der Rover innerhalb weniger Sekunden die Ambiguities wieder fixieren. deshalb ist es notwendig dies Handshakemessage, entgegen den Erwartungen, aktiviert zu haben. Einfluss der Benutzung einer externen Funkantenne Bei kurzen Basislängen können Interferenzen des Funksignals beobachtet werden. Diese Interferenzen können minimiert werden, indem die externe Funkantenne bei der Basisstation entfernt wird und nur mit der internen Antenne (Tabelle 1.1, Seite 2) kommuniziert wird. Somit können mehr Messungen fixiert werden. Dies gilt jedoch nur für Messungen bei einem Hertz und für kurze Basislängen. Bei Messungen grösser als 1 Hz hat es keinen Einfluss auf das Fixieren der Ambiguities.

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

21

Einfluss der Baudrate Die Baudrate ist definiert als die Geschwindigkeit des seriellen Anschlusses an das jeweilige Modem [7]. Dies entspricht im vorliegenden Fall dem Funkmodem. Bei binärer Information, also bei den GNSS-Korrekturdaten, entspricht die Baudrate der Bitrate der zu übertragenden Nachricht. deshalb muss die Baudrate an die Grösse der zu übertragenden Nachricht angepasst werden muss, damit die Übertragung der Nachricht erfolgen kann. Dazu wurden verschiedene von den Empfängern zur Verfügung stehende Baudraten bei verschiedenen Messfrequenzen (10 Hz, 100 Hz) getestet. Dies hatte jedoch keine Verbesserung auf das Fixieren der Ambiguities gegenüber den Messungen mit einer Baudrate von 119.2 kbps ergeben. deshalb werden die Korrekturdaten weiterhin mit einer Baudrate von 119.2 kbps übertragen. Einfluss der Frequenz der Funkübertragung Die Frequenz, mit welcher die Korrekturdaten von der Basisstation an den Rover via Funk übermittelt werden, kann einen Einfluss auf das Fixieren der Ambiguities haben. Die JAVAD Empfänger verfügen über einen Funkbereich von 360-470 MHz (vgl. Seite 2). In diesem Bereich sind einige Frequenzen vorhanden, welche wenig durch andere Anwendungen beeinträchtigt sind. Im Speziellen wird dazu die Frequenz 431 MHz anstelle der Frequenz 430 MHz bei den Messungen getestet.

Abbildung 4.21.: Systematik beim Fixieren der Lösungen bei 10 Hz Messungen und einer Funkübertragung über 430 MHz

Abbildung 4.22.: Systematik beim Fixieren der Lösungen bei 10 Hz Messungen und einer Funkübertragung über 431 MHz

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

22

Anhand der Abbildung 4.21 ist ersichtlich, dass die Messungen bei der Verwendung von 430 MHz nicht fixiert werden. Hingegen können die Messungen, nach Ändern der verwendeten Funkfrequenz, grösstenteils fixiert werden (Abbildung 4.22). Dies bedeutet, dass die verwendete Frequenz der Funkübertragung grosse Einflüsse auf das Messergebnis hat.

4.1.4. Vergleich der Messungen bei 100 Hertz Übertragung der Korrekturdaten via LAN Die Messungen mit 100 Hertz wurden über eine Verbindung der Empfänger per Kabel realisiert, da keine Messung bei der Übertragung der Korrekturdaten via Funk fixiert werden konnte.

Abbildung 4.23.: Systematik der fixierten Lösungen bei 100 Hertz Messungen, LAN

Abbildung 4.24.: Histogramm der Abstände der standalone Lösungen bei 100 Hertz Messungen, LAN Im Gegensatz zu den Messungen bei 1 Hertz und 10 Hertz und der Verbindung der Empfänger via Kabel, bei welchen alle Messungen fixiert werden konnten, wurden bei 100 Hertz einige Messungen nicht fixiert (Abbildung 4.23). Dabei zeigt sich eine Systematik, bei welcher jede 100. Messung nicht fixiert wird. Bei genauerem Betrachten der Messdaten ist ersichtlich, dass sowohl jede zweite Messung, welche nach dem Beginn einer neuen Sekunde gemessen wird, als auch die folgenden zwei Messungen nicht fixiert wurden. Zudem ist ersichtlich, dass die Messungen, welche nach vier Hundertstel Sekunden erfolgen doppelt zur gleichen Zeit gespeichert wurden. Dabei konnte nur eine der beiden Messungen fixiert werden (Abbildung 4.5). Somit sind meist drei Messungen nacheinander nicht gelöst. Da dies beim Wechsel der Sekunde erfolgt und nicht irgendwann dazwischen, scheint ein Zusammenhang mit der

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

H 14 14 14 14 14 14

Zeit M 19 19 19 19 19 19

S 54.99 55 55.02 55.03 55.04 55.04

Satelliten 8 8 8 8 8 8

PDOP 1.79 1.79 1.74 1.74 1.74 1.79

Fixed=4 / Float=1 4 4 1 1 1 4

14 14 14 14 14 14

19 19 19 19 19 19

55.99 56 56.02 56.03 56.04 56.04

8 8 8 8 8 8

1.79 1.79 1.74 1.74 1.74 1.79

4 4 1 1 1 4

14 14 14 14 14 14

19 19 19 19 19 19

56.99 57 57.02 57.03 57.04 57.04

8 8 8 8 8 8

1.79 1.79 1.74 1.74 1.74 1.79

4 4 1 1 1 4

23

Tabelle 4.5.: Systematik der der Abstände der standalone Lösungen bei 100 Hertz Messungen Umstellung der Uhr zu bestehen. Da der Empfänger die Lösungen nach vier Messungen bereits wieder fixieren kann, liegt die Vermutung nahe, dass er die fixierte Lösung während dieser Zeit nicht verliert, aber ein internes Problem im Empfänger bei der Speicherung der Messwerte vorhanden sein muss. Diese Systematik zeigt sich sowohl bei der Übertragung der Korrekturdaten mittels CMR+ als auch mittels RTCM 3. Teilweise liegen aber auch Messungen dazwischen, welche nicht fixiert wurden. Generell wurden bei der Übertragung mittels CMR+ 2.7 % der Messungen und bei der Übertragung mittels RTCM 3 3.2 % der Messungen nicht fixiert. 1 sigma

Genauigkeiten [cm] bei CMR+

Genauigkeiten [cm] bei RTCM 3

In Nord

0.9

0.8

In Ost

0.5

0.3

In der Höhe

0.9

0.8

Tabelle 4.6.: Standardabweichungen der Messungen bei 100 Hz mit der Übertragung von CMR+ und RTCM 3 Korrekturdaten via LAN

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

24

Abbildung 4.25.: Messsession bei 100 Hertz Messungen und der Übertragung der RTCM 3 Korrekturdaten via LAN Bei 100 Hertz RTK-Messungen liegen die Genauigkeiten (vgl. Tabelle 4.6 der beiden Korrekturdaten-Übertragungsformate im selben Bereich. Die Standardabweichungen betragen 0.3 cm (RTCM 3) bzw. 0.5 cm (CMR+) in Ostrichtung und 0.8 cm bzw. 0.9 cm in der Nord- und Höhenkomponente.

(a) Histogramm

(b) QQ-Plot

Abbildung 4.26.: Statistik der 100 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, LAN Zudem varieren die Messungen mit RTCM 3 weniger als diejenigen mit CMR+ (Abbildung 4.26 und 4.27). Die Messungen mit CMR+ sind aber nahezu normalverteilt, während die Messungen mit RTCM 3 rechtsschief verteilt sind.

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

(a) Histogramm

25

(b) QQ-Plot

Abbildung 4.27.: Statistik der 100 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll, LAN

Abbildung 4.28.: Autokorrelation der 100 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, LAN

Abbildung 4.29.: Autokorrelation der 100 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll, LAN Es ist ersichtlich, dass die Messungen mit CMR+ und RTCM 3 autokorreliert sind. Dabei zeigt sich im Gegensatz zu den Messungen mit 10 Hz das Verhalten, dass die Schwingung des Signals bei RTCM 3 länger ist als bei CMR+ (Abbildungen 4.28 und 4.29). Somit können keine Aussagen zu einem absoluten Trend der Korrelationen gemacht werden.

26

4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates

4.2. Wahl des geeigneten Übertragungsformates 1 Hertz

10 Hertz

100 Hertz

Protokoll

CMR+

RTCM 3

CMR+

RTCM 3

CMR+

RTCM 3

Nord

0.8 cm

0.4 cm

1.0 cm

1.1 cm

0.9 cm

0.8 cm

Ost

0.5 cm

1.1 cm

0.6 cm

0.4 cm

0.5 cm

0.3 cm

Höhe

0.9 cm

1.4 cm

1.0 cm

0.7 cm

0.9 cm

0.8 cm

Tabelle 4.7.: Standardabweichungen der Messungen bei 1, 10 und 100 Hz mit der Übertragung von CMR+ und RTCM 3 Korrekturdaten via Funk Aufgrund der im Kapitel 4.1 beschriebenen Eigenschaften und Unterschiede der Transferformate ist kein signifikanter Unterschied erkennbar. Das Format RTCM 3 weist generell kleinere Standardabweichungen gegenüber den Messergebnissen, welche anhand von CMR+ Korrekturdaten fixiert wurden, auf. Die Histogramme zeigen jedoch bei der Verwendung von RTCM 3 generell grössere Abweichungen von der Normalverteilung gegenüber CMR+ auf. Die Streuungen der Messungen liegen aber bei beiden Transferformaten in einer ähnlichen Grössenordnung. Zudem wurden etwa gleich viel Prozent der Messungen via Funk- und LAN Übertragung fixiert. Die Unterschiede zwischen der Verwendung der beiden Transferformate sind demnach nicht signifikant. Der Vorteil von RTCM 3 gegenüber CMR+ liegt jedoch in der Interpretierbarkeit der gesendeten Nachrichten. Dies bedeutet, dass bei RTCM 3 die zu übertragenden Nachrichteninformationen bis zu einem gewissen Grad selber gewählt werden können. Dabei kann beispielsweise bestimmt werden, dass unkorrigierte Phasenmessungen von der Basisstation zum Rover übertragen werden sollen, anstelle der reinen Korrekturen. Bei CMR+ hat man keinen Einfluss auf die Informationen der zu übertragenden Nachricht. deshalb wird RTCM 3 als Transferformat für die Korrekturdatenübermittlung für weitere Messungen verwendet.

5. Analyse der Verhaltenseigenschaft der JAVAD Empfänger bei längerer Basislinie Durch eine statische Messung über eine längere Basislinie können Aussagen über das Signalverhalten der JAVAD Empfänger gemacht werden. Es kann somit untersucht werden, ob eine gewisse Systematik oder ein Trend in der Messreihe vorliegt. Anhand der dadurch bekannten Eigenschaften des Messsignals, können kinematische Messungen in einem weiteren Schritt besser interpretiert werden. Damit können die „echten“ Bewegungen eines Rovers detektiert werden, ohne dass systematische Einflüsse der Messungen als Bewegungen fehl interpretiert werden. Für die Messung über eine längere Basis von ca. 400 m wird die Basisstation auf dem Pfeiler des Daches des HPV und der Rover auf dem Pfeiler 1012 auf dem HIL-Dach montiert. Dieser Pfeiler wird gewählt, da er keine Abschattung gegen Süden durch das Dach des HILGebäudes erfährt und somit gute Sichten zu den Satelliten besitzt. Die Stationierung des Rovers auf dem Pfeiler ermöglicht eine spätere Berechnung des absoluten Versatzes zwischen der aus dieser Messung bestimmten Koordinate des Pfeilers 1012 und seiner bereits bekannten Koordinate. Aus der Abbildung 5.1 ist ersichtlich, dass kein Trend vorliegt. Die Messungen sind nicht ganz normalverteilt, sondern es scheinen zwei Mittelwerte vorzuliegen (vgl. Abbildung 5.2a). Dies könnte daran liegen, dass nach ca. 16 Minuten, die Anzahl der getrackten Satelliten reduziert wurde. Dies wird im Abschnitt 5.1 näher erläutert. Die Standardabweichung liegt bei 1.2 cm in Nord- und 0.6 cm in Ostrichtung sowie bei 0.9 cm in der Höhe. Diese Messungen besitzen demnach hohe Genauigkeiten, welche etwas über dem erwarteten Genauigkeiten gemäss Herstellerangaben liegen. Gemäss der Abbildung 5.3 sind Korrelationen des Messsignals vorhanden. Dies bedeutet, dass eine Systematik in den Messwerten vorliegt. Diese Schwankungen liegen im Bereich von etwa 4 bis 7 Minuten. Der absolute Versatz zwischen den gemessenen und bekannten Koordinaten des Pfeilers 1012 beträgt einige Zentimeter und ist in der Tabelle 5.1 ersichtlich. Diese Werte sind relativ hoch, liegen aber im Genauigkeitsbereich der RTK-Messungen. Zudem ist zu beachten, dass die Dauer der Messsession lediglich 30 Minuten war. Um Langzeit-Aussagen machen zu können, hätte die Messsession etwa 24 Stunden, damit Messungen über alle möglichen Satellitenkonstellationen stattfinden, und die Basislinie länger (einige Kilometer) sein müssen.

5. Analyse der Verhaltenseigenschaft der JAVAD Empfänger bei längerer Basislinie

28

Abbildung 5.1.: 10 Hertz Messession über eine Basislinie von ca. 400 m mit 15◦ und 30◦ Elevation

(a) Histogramm

(b) QQ-Plot

Abbildung 5.2.: Statistik der Messession über eine Basislinie von ca. 400 m

5.1. Änderung des Elevationswinkels Bei dieser Messung wird untersucht, ob die Änderung des Parameters „Elevation“ einen Einfluss auf die Messdaten zur Folge hat. Dabei wird nach 16 Minuten der Elevationswinkel von 15◦ auf 30◦ erhöht. Dies bedeutet, dass nur noch Satelliten, welche über 30◦ Elevation gesichtet werden, für die Positionsbestimmung genutzt werden. Somit werden weniger Satelliten miteinbezogen. Grundsätzlich sollten die Genauigkeiten höher sein bei Einbezug mehrerer Satelliten. Zudem hat die Satellitenkonstellation einen Einfluss auf die Genauigkeit der Messungen. Das Signal tief am Horizont stehender Satelliten durchläuft einen längeren

5. Analyse der Verhaltenseigenschaft der JAVAD Empfänger bei längerer Basislinie

29

Abbildung 5.3.: Autokorrelation der Messession über eine Basislinie von ca. 400 m bei 10 Hertz Komponenten

Absoluter Versatz (Messung - SOLL) [cm]

Nord

+ 2.8

Ost

+ 1.4

Höhe

+ 2.9

Tabelle 5.1.: Absoluter Versatz zwischen der bekannten und der anhand der Messung bestimmten Koordinate des Pfeilers 1012 Weg durch die Athmosphäre und ist somit stark von der Ionosphäre und der Troposphäre beeinflusst. Zudem treten dabei, aufgrund des flachen Einfallswinkels des Signals, stärkere Multipatheffekte auf. Diese Effekte verringern die Genauigkeit der Messungen. Deshalb werden Satelliten mit geringer Elevation nicht für die Positionsbestimmung verwendet. Genauigkeiten [cm] bei 15◦ Elevation

Genauigkeiten [cm] bei 30◦ Elevation

1σ

Range

1σ

Range

Nord

1.0

5.7

1.2

6.7

Ost

0.5

2.7

0.5

2.6

Höhe

1.2

6.4

0.5

Anzahl Satelliten

8 (Elevation >

15◦ )

6 (Elevation >

3.4 30◦ )

Tabelle 5.2.: Genauigkeitswerte der Messungen bei Änderung des Elevationswinkels Aus der Abbildung 5.1 und Tabelle 5.2 ist keine signifikante Änderung der Messdaten und ihren Genauigkeiten erkennbar. Dazu müsste die Differenz der unterschiedlichen Elevationen grösser gewählt werden. Bei genauerem Betrachten des Histogramms der Höhenkomponente ist jedoch ersichtlich, dass die Messungen bei 30◦ Elevation normalverteilt sind und weniger varieren als als die Messungen bei 15◦ Elevation (vgl. Abbildung 5.4b).

5. Analyse der Verhaltenseigenschaft der JAVAD Empfänger bei längerer Basislinie

(a) 15◦ Elevation

30

(b) 30◦ Elevation

Abbildung 5.4.: Histogramm der Messungen bei unterschiedlichen Elevation

(a) 15◦ Elevation

(b) 30◦ Elevation

Abbildung 5.5.: QQ-Plot der Messungen bei unterschiedlichen Elevation

5.2. Vergleich reiner GPS- und kombinierter GPS/GLONASS-Messung Die Messungen der Abbildung 5.6 erfolgten über eine Messperiode von etwa einer Stunde mit einer kurzen Basislinie von ca. 30 Metern. Genauigkeiten [cm] GPS-Messung

Genauigkeiten [cm] GPS/GLONASS-Messung

1σ

Range

1σ

Range

Nord

1.0

5.8

0.9

6.1

Ost

0.6

3.0

0.4

2.6

Höhe

1.0

5.7

0.9

6.0

Anzahl Satelliten

6

9

Tabelle 5.3.: Vergleich der reinen GPS-Messung und der kombinierten Messung von GPS und GLONASS

5. Analyse der Verhaltenseigenschaft der JAVAD Empfänger bei längerer Basislinie

31

Abbildung 5.6.: Messession der kombinierten GPS und GLONASS Messungen bei 10 Hz Aus der Tabelle 5.3 ist ersichtlich, dass die Genauigkeiten der Messungen zwischen einer reinen GPS basierten Messung und einer mit GPS und GLONASS kombinierten Messung nicht signifikant voneinander abweichen. Auch sind beide Messungen normalverteilt (Abbildung 5.7). Daher können keine signifikanten Unterschiede erkennt werden. Die Genauigkeiten und die Variabilität der kombinierten Messungen ist um wenige Millimeter genauer. Dieses Messresultat widerspricht den Erwartungen, dass kombinierte Messungen die Genauigkeiten erhöhen sollen, da mehr Satelliten verfügbar sind. Es kann aber damit zusammenhängen, dass die Messperiode der kombinierten Messung im Vergleich zur reinen GPS Messung (ca. 15 Minuten Messperiode) länger war und damit auch das Verhalten dieser Messungen zuverlässiger beschrieben werden kann.

(a) Histogramm

(b) QQ-Plot

Abbildung 5.7.: Statistik der kombinierten GPS und GLONASS Messungen bei 10 Hz

5. Analyse der Verhaltenseigenschaft der JAVAD Empfänger bei längerer Basislinie

32

Abbildung 5.8.: Autokorrelation der kombinierten GPS und GLONASS Messung bei 10 Hertz Anhand der vorhandenen Korrelationen (Abbildung 5.8) ist ersichtlich, dass eine Schwingung im Signal vorhanden ist. Diese Korrelationen sind zwar gering, weisen aber kontinuierliche Schwingungen mit einer Periode von ca. 7 Minuten (etwa 4000 Messungen) auf.

6. Schlussfolgerungen und Ausblick 6.1. Schlussfolgerungen Gemäss den Spezifikationen sind die JAVAD-Sensoren in der Lage bis 100 Hertz RTK zu messen. Dies konnte in der vorliegenden Arbeit überprüft und bestätigt werden. Jedoch gibt es dabei einige Probleme bei der Fixierung der Ambiguity-Lösungen. Die Tatsache, dass die Messungen bei der Übertragung der Korrekturdaten mittels LAN fixiert wurden, zeigt, dass das Problem bei der Übertragung mittels Funk liegen muss. Dabei ist vor allem die Frequenz der Funkübertragung entscheidend. Andererseits scheint, aufgrund der vorliegenden Systematik bei der Fixierung der Ambiguities, ein internes Problem der Empfänger vorzuliegen. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Wahl der Transferformate für die Korrekturdatenübermittlung einen Einfluss auf die Messgenauigkeit hat, welcher aber nicht signifikant ist. Die Resultate der Messung über eine längere Basislinie weisen darauf hin, dass kein Trend in den Messungen vorliegt, die Messungen aber leicht autokorreliert sind. Dies könnte auf eine Schwingung im Signal hinweisen und müsste für kinematische Messungen berücksichtigt werden. Die Untersuchungen zum Unterschied zwischen reinen GPS und kombinierten GPS- und GLONASS-Messungen ergaben keine signifikanten Differenzen. Da diese Messungen über eine kurze Messsession und Basis erfolgten und somit andere Faktoren diese Messungen beeinflussten, müsste dies noch genauer untersucht werden.

6.1.1. Applikationen Die Bedienung der Software „TrivU“, welche von JAVAD programmiert wurde, könnte benutzerfreundlicher sein. Zudem werden nicht alle getätigten Einstellungen übernommen und die Software ist sehr instabil. Die neuere Software „NetView“ ist hingegen sehr benutzerfreundlich, hat jedoch auch Probleme in der Stabilität, d.h. viele Programmschliessungen während der Benutzung. Dabei sind jedoch nicht alle Einstellungen möglich. Beispielsweise konnten die Korrekturdaten bei NetView nicht mit RTCM 3 übertragen werden. Diese Möglichkeit steht zwar in der Software zur Verfügung, funktioniert aber praktisch nicht. Dies kann über die Software TrivU gesteuert werden. Dabei ist aber darauf zu achten, dass die Koordinaten der Basisstation als Koordinaten des Antennenphasenzentrums eingegeben werden. Wenn diese Koordinaten als Koordinaten des Antennen Referenzpunkt eingegeben werden, erkennt der Empfänger nicht, dass er eine Referenzstation ist und es werden keine Korrekturdaten generiert. Grundsätzlich besteht bei beiden Programmen die Möglichkeit, GREIS-Skripte einzulesen, welche die gewünschten Parametereinstellungen enthalten. Diese werden dann grösstenteils

6. Schlussfolgerungen und Ausblick

34

auch von den Programmen übernommen und dienen gleichzeitig als Protokoll der benutzten Einstellungen bei der jeweiligen Messung.

6.2. Ausblick Das nächste Ziel sollte sein, auch bei 100 Hertz RTK zu messen und dabei die Korrekturdaten mittels Funk über grosse Distanzen übermitteln zu können. Dazu müsste eine Funkfrequenz mittels Frequenzscanner gefunden werden, welche wenig ausgelastet ist. Dadurch könnten Störsignale auf die Übertragung der Korrekturdaten minimiert und hochfrequente RTK Messungen somit ermöglicht werden. Aufgrund der statischen Messungen und den damit bekannten äusseren Einflüssen auf das Messsignal, könnten nun kinematische Messungen mit dem Rütteltisch erfolgen. Aufgrund des bestimmten Versatzes der Koordinaten des Pfeilers 1012, wäre es in Zukunft sinnvoll, den Pfeiler des HPV auch in die jährlichen Messungen zur Bestimmung des Messnetzes am Hönggerberg einzubeziehen.

7. Schlusswort Die Master Projektarbeit ermöglichte mir meine Kentnisse in der Satellitengeodäsie zu vertiefen. Dadurch, dass sie alle Prozesse von der Planung der Messung bis zu deren Auswertung beinhaltete, ist diese Arbeit eine sehr gute Ergänzung zu anderen Bereichen des Studiums. Ich konnte mich im praktischen Umgang mit der Steuerung und Verwendung von GNSS Sensoren üben und wesentliche Faktoren des RTK Messmodus erkennen. Zusätzlich trug sie zu einem vermehrten Hinterfragen der Softwareanwendungen und der erhaltenen Ergebnisse bei. Danken möchte ich meinen Betreuern Simon Häberling und Prof. Dr. Markus Rothacher für das Ermöglichen dieser Arbeit. Simon Häberling möchte ich speziell für die hilfsbereite und kompetente Unterstützung dieser Master Projektarbeit danken. Ein besonderer Dank geht an Raffael Tschupp für Tipps bei Problemen mit LATEX.

Literaturverzeichnis [1] Website. Verfügbar unter http://www.javad.com; besucht im Februar 2011. [2] Website. Verfügbar unter http://www.korecgroup.com/blog/wp-content/uploads/ 2009/12/sps85x-output-formats.pdf; besucht im April 2011. [3] RTCM Special Committee No. 104. RTCM 10402.3, Recommended Standards for Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Service - Version 2.3. RTCM Paper, 2001. [4] RTCM Special Committee No. 104. RTCM Standard 10403.1, Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Service - Version 3. RTCM Paper, 2009. [5] JAVAD GNSS. GREIS GNSS Receiver External Interface Specification, 2009. Version 3.1.0. [6] Prof. Dr. H. Ingensand. Einführung in die Geodätische Messtechnik, 2010. [7] JAVAD GNSS. SIGMA GNSS Receiver Operator’s Manual, 2009. Version 1.1. [8] Dr. Stalbot N.T. Compact Data Transmission Standard for High-Precision GPS, 2009. Trimble Navigation. [9] J-M. Zogg. GPS und GNSS: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten. User’s Guide, 2009.

A. Anhang 1: Struktur des NMEA-Datensatzes GGA Inf_1 bis Inf_n

Beschreibung

113005.00

UTC-Zeit der Position

4724.440

Breite

N

Nord oder Süd

830.598

Länge

E

Ost oder West

4

GPS-Qualitätsangabe (1=GPS, 4=RTK)

09

Anzahl der zur Berechnung verwendeten Satelliten

0.93

Horizontal Dilution of Precision (PDOP)

544.617

Höhenangabe der Antenne (Geoid-Höhe)

M

Einheit der Höhenangabe (M=Meter)

47.185

Höhendifferenz zwischen Ellipsoid und Geoid

M

Einheit der Höhendifferenz (M=Meter)

0.0

Alter der DGPS-Daten (0=kein DGPS verwendet)

00

Identifizierung der DGPS Referenzmessstelle Tabelle A.1.: Beschreibung eines GGA-Datensatzes [9]

B. Anhang 2: Struktur des Trimble Transferformats CMR

Abbildung B.1.: Aufbau eines CMR-Transferformats, [8]

C. Anhang 3: Vergleich der Transferformate RTCM und CMR

Message format

CMR (Compact measurement record)

CMR+

CMRx

Develloper

trimble

trimble

trimble

Supporting 

GPS only

GPS and GLONASS

GPS, GLONASS, GALILEO

standard

compressed transmission standard

slightly improved reduces throughput spikes

advanced cmr format excellent throughput

specifications

reduces the message size

bandwidth

more bandwidth‐efficient alternative to RTCM 2.xx for GPS RTK requires less than half the bandwidth (2400 baud) 

selection

if receiver isn't compatible with a higher CMR compressing/decompressing algorithm in measurement data

if receiver isn't compatible with th higher CMRx

RTCM 2.3 

RTCM 3

Develloper

Radio Technical Commission for Maritime Services, published 2001

Radio Technical Commission for Maritime Services, published 2004

Supporting 

GPS, GLONASS

primarly messages designed to support RTK operations for GPS and Glonass RTK operations

standard

established for real‐time differential correction of roving gps

completely new improved standard with new message type and structures

specifications

manufacturer independent

easy to use more easily adaptable to new situations database format

bandwidth

requires at least 4800 baud datalink messages have a large framing overhead and do not include significant data compression algorithms to make them practical for many datalink options

more efficient alternative to 2.3 significant reduction in bandwidth ‐ less delay less bits, no parity bits (parity wasn't independent from word to word) no provisorily messages

selection

if a range of receivers from different manufacturers used on‐site (This format contains carrier phase data and can therefore be used for RTK applications) if the rover isn't compatible with any of the CMR or RTCM version 3.x   

recommended option for RTCM format (This format contains carrier phase data and can therefore be used for RTK applications and more efficient in RTK) Good for GPS network corrections

additional

includes additional message types for antenna types defiition (23) and reference point (24) type 59 reserved for user specific information

including code and carrier phase observables, antenna parameters  and ancillary system parameters

recommended option  for CMR format

additional

Disadvantage of the correction messages:  they assume that the reference and rover are using the same satellite Issue Of Data Ephemeris (IODE), which often causes complications under IODE‐rollover conditions

D. Anhang 4: Berechung der Baudraten der Transferformate

0 1 2 total

1003 1005 1007 total

CMR

147 19 87 253

96 19 10 125

RTCM3(1003,1005,1007)

CMR+ Flow [bps] Flow [kbps] RTCM2.3 Flow [bps] Flow [kbps]

10Hz 1270 1.27 3850 3.85

385 0.385

RTCM3(1004,1006,1008) 117 21 10 148

1Hz 127 0.127

Flow [bps] = f × (2 × freq × (3 + 2 × N) + 9) × 5

RTCM2.3

Flow [bps] [ p ] = f × (6 ( + N × (8 ( + (freq ( q – 1)) × 7)) + 16))

CMR+

Dataflow

Message Type

Bandbreite (No. Of bytes)

38500 38.5

100Hz 12700 12.7

Kommunikationsport UHF Radio Modem 

Baudrate = Bitrate bei binärer Information

Antenna Descriptor Counter Number of Satellites N Number of words in message containing data N NAS:No of characters for antenna serial no. Antenna Height information provided Antenna Height information NOT provided Antenna Descriptor+Serial Number f [Hz] freq (mono‐/bifrequency receiver)

Parameter:

02.06.2011

0 bis 31 7 6 6 bis 68 10 2

0 bis 31

38.4 kbps

5 7 17 5 144 120 10 1 1