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Verbesserte GPS-Positionsschätzung mit

IP-transportierten Korrekturdaten für autonome

Systeme im Outdoor-Bereich

Johannes Pellenz, Sabine Bauer, Tobias Hebel, Sebastian Spiekermann, GerdTillmann und Dietrich Paulus

Universität Koblenz-Landau, Universitätsstr. 1, 56070 [email protected]

Zusammenfassung. Für autonome Systeme im Outdoor-Bereich kön-nen zur groben Selbstlokalisation GPS-Positionsdaten genutzt werden.Leider sind diese Positionsdaten bedingt durch verschiedene Fehlerquel-len recht ungenau. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Genauigkeitbieten Korrekturdaten, die von einer festen Referenzstation berechnetund ausgesendet werden. Für den Empfang der Referenzdaten ist je-doch normalerweise ein eigener Empfänger erforderlich, der auf dem au-tonomen, mobilen System mitgeführt werden muss. Diese Arbeit unter-sucht als alternativen Transportweg für Korrekturdaten das (W)LANund stellt die Verbesserung der Positionsschätzung nach Anwendung derKorrekturdaten dar.

1 GPS

GPS (Global Positioning System) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem.Mit Hilfe dieses Systems ist es möglich eine dreidimensionale Positionsbestim-mung zu bekommen, d. h. den Längen- und Breitengrad und die Höhe des Ortes,an dem sich die GPS-Antenne befindet. Dazu muss der GPS-Empfänger die Si-gnale von mindestens vier Satelliten auswerten und dabei eine Laufzeitmessungder Signale von jedem einzelnen Satelliten zum Empfänger durchführen. Die Un-genauigkeiten in der Positionsbestimmung sind auf Ereignisse zurückzuführen,die die Laufzeit der Signale beeinflussen, wie z. B. atmosphärische Störungen[Bauer2003]. Weitere Ursachen für Ungenauigkeiten sind ungünstige Satelliten-konstellationen sowie Ungenauigkeiten der Satellitenuhren. Im Durchschnitt kannman bei einer solchen Positionsbestimmung ohne Einbezug von Korrekturdatennur eine Genauigkeit von 10 bis 15 Metern erreichen. Die vom GPS-Empfängerberechnete Position kann mittels NMEA-Protokoll über eine serielle Verbindungan einen PC übertragen werden, der zur Steuerung des Roboters verwendetwird. In Abbildung 1 ist unser mobiles System “Robbie 5” zu sehen, auf demder GPS-Empfänger installiert ist.

Abb. 1. Unser mobiles System “Robbie 5” mit GPS-Empfänger

2 Differential GPS

Die verschiedenen Störungen resultieren in einer falschen Abschätzung des Ab-stands des Empfängers zu einem Satelliten; diese geschätzten Abstände wer-den Pseudostrecken genannt. DGPS (Differential GPS) ist eine Ergänzung zumGPS System, bei dem mit Hilfe von Korrekturdaten eine präzisere Ermittlungder Position des GPS-Empfängers ermöglicht wird, indem Korrekturdaten fürdie Pseudostrecken zu jedem Satelliten berücksichtigt werden. Dazu positioniertman einen GPS-Empfänger an einem Ort, dessen Position zuvor exakt vermessenwurde. Aus der Differenz der bekannten und der momentan durch das GPS er-mittelten Entfernungen lassen sich dann die Pseudostreckenkorrekturen berech-nen. Ein solches System nennt man Referenzstation. Da sich die Fehlerquellenbei benachbarten Empfängern zum gleichen Zeitpunkt in etwa gleich auswirken,kann die Referenzstation die Pseudostreckenkorrekturen einem nahe gelegenenGPS-Empfänger übermitteln und diesem somit eine bessere Positionsbestim-mung ermöglichen. In der Echtzeitübertragung solcher Korrekturdaten hat sichdas RTCM-SC 104 Format durchgesetzt [RTCM1998]. Dieses Format wird inerster Linie über Funk ausgestrahlt, z.B. über einen Mittelwellensender. Aufder Nutzerseite muss ein passender Empfänger zur Verfügung stehen, der dieSignale auffängt und an das GPS-Gerät weiterleitet. Dieses kann dann die Kor-rekturwerte bei der Positionsbestimmung berücksichtigen.

3 NTRIP

Neben der Übertragung über Radiowellen kann auch das Internet dazu verwendetwerden, Pseudostreckenkorrekturen zu übertragen. NTRIP (Networked Trans-port of RTCM via Internet Protocol) ist eine im September 2004 vorgestellteTechnik, um Satellitennavigationsdaten über ein TCP/IP-basiertes Netzwerk zuübertragen. NTRIP ermöglicht Systemen auch ohne eigenen RadioempfängerRTCM Korrekturdaten zu nutzen [Lenz2004]. Es basiert auf dem HTTP 1.1Standard, so dass als Übertragungswege zu einem mobilen System neben GSM-oder UMTS-Netzen auch WLAN (Wireless LAN) genutzt werden kann. WLANist für mobile Systeme besonders interessant, da oft eine WLAN-Verbindungbereits vorhanden ist und Korrekturdaten daher ohne zusätzlichen Hardware-aufwand und Stromverbraucher verwendet werden können.

4 Versuchsaufbau

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BeaconReceiver

MW−Antenne

Referenz−

Referenz−

Server

Referenzstation

Internet

WLAN

GPS−Antenne

(Laptop)Client

Korrekturdaten(TCP/IP)

station 1

station 2

GPS−Empfänger

Mobiles System Korrekturdaten−Empfänger

datenKorrektur−NTRIP

RTCM Korrekturdaten (RS 232)

RTCM

(RS 232)Korrekturdaten

RTCM (RS 232)Korrekturdaten

RTCM

Positionsdaten(RS 232)

NMEA

(TCP/IP)

Abb. 2. Versuchsaufbau

Ziel der Arbeit ist es zu untersuchen, welche Auswirkung die Einspeisungvon Korrekturdaten auf die Positionsbestimmung hat und wie sich der alterna-tive Übertragungsweg über TCP/IP auf die Genauigkeit der Positionsschätzungauswirkt. Dazu wurden vier verschiedene GPS Empfänger mit unterschiedlichen

Korrektursignalen über unterschiedliche Wege versorgt. Als Empfänger wurdenverwendet:

– Trimble 4000 DS, ein professioneller GPS-Empfänger mit externer Antenne.Dieses Gerät wird u. a. für die Vermessung eingesetzt.

– Garmin eTrex, ein sehr verbreitetes Consumer GPS Handgerät, das übereine RS 232 Schnittstelle mit einem Rechner verbunden werden kann.

– Garmin GPS 12, ebenfalls ein Consumer GPS Handgerät älterer Bauart, dasmit einer RS 232 Schnittstelle ausgestattet ist.

– u-blox RCB-LJ Receiver Board, ein professionelles GPS Receiver Board, dasals Platine geliefert wird und in eigene Systeme integriert werden kann.

Folgende Quellen für Korrekturdaten wurden verwendet:

– Referenzstation der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)in Koblenz. Die Referenzstation ist nur ca. 2 km vom GPS-Empfänger ent-fernt. Die Signale werden mit einem Differential Beacon Receiver MBX-3 derFirma csi empfangen.

– NTRIP Datenstrom des Broadcasters www.euref-ip.net aus Frankfurt (Ken-nung FFMJ2). Die Referenzstation ist ca. 84 km vom GPS-Empfänger ent-fernt. Die Korrekturdaten werden über das Internet empfangen.

Sowohl die NTRIP-Daten als auch die Daten der WSV werden zunächst voneinem Server empfangen und dort an einem Port über die Software dgpsipd[Rupprecht2004] dem Client zur Verfügung gestellt. Durch diesen Aufbau istfür den Client nicht sichtbar, von wo die Korrekturdaten tatsächlich stammen.Das Auslesen des GPS und das Weiterleiten der Korrekturdaten übernimmt dasProgramm gpsd (GPS service daemon) [Raymond2005]. Zu Vergleichszweckenwurden alternativ die Korrekturdaten vom Beacon Receiver auch direkt übereine RS 232 Verbindung an den jeweiligen GPS-Empfänger übertragen. Der Ge-samtaufbau ist in Abbildung 2 wiedergegeben.

5 Ergebnisse

Die GPS-Geräte wurden für die Versuche an einem festen Standort aufgebautund über ein serielles Kabel an einen PC angeschlossen. Die Positionen, diedas GPS-Gerät berechnete, wurde anschließend über mehrere Stunden protokol-liert. Als Protokoll für die Kommunikation vom GPS zum Client wurde NMEAverwendet; die Positionsangaben darin sind in Grad und Minuten (mit Nach-kommastellen) kodiert. Zur einfacheren Bewertung der Ergebnisse wurden dieGradangaben in Gauß-Krüger-Koordinaten umgerechnet, die die Positionen inForm eines Rechts- und eines Hochwerts in Metern angeben. Die Beurteilungder Abweichung vom Mittelwert wird dadurch erleichtert. Die Ergebnisse sindin den Tabellen 1 bis 4 wiedergegeben.

Trimble 4000 DS (ohne DGPS) RTCM RTCM über IP NTRIP

σRechtswert 1,1193 0,7631 0,6804 0,7949

σHochwert 1,7204 1,2748 1,1361 1,1489

Anz. Messungen 62867 56708 54596 50333

Tabelle 1. Trimble 4000 DS: Standardabweichungen der Messungen vom Mittelwert(in Metern)

Garmin eTrex (ohne DGPS) RTCM RTCM über IP NTRIP

σRechtswert 2,5502 4,3400 4,8082 2,3542

σHochwert 2,9501 5,1217 4,7685 5,1078

Anz. Messungen 16842 10624 4099 6030

Tabelle 2. Garmin eTrex: Standardabweichungen der Messungen vom Mittelwert (inMetern)

Garmin GPS 12 (ohne DGPS) RTCM RTCM über 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) RTCM RTCM über IP NTRIP

σRechtswert 2,0941 1,6848 1,8741 2,0442

σHochwert 2,5074 2,7444 3,1590 2,7955

Anz. Messungen 31645 26602 48610 23174

Tabelle 4. u-blox RCB-LJ: Standardabweichungen der Messungen vom Mittelwert (inMetern)

5.1 Unterschiede zwischen den GPS-Geräten

Die Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen GPS-Empfänger sehr unterschied-lich auf die Einspeisung von Korrekturdaten reagieren. Während das Trimbledie Genauigkeit der Positionsmessung deutlich verbessern kann (die Standard-abweichung sinkt auf bis zu unter 70 cm), beeinflussen die Korrekturdaten beimGarmin GPS 12 die Positionsmessungen kaum. Beim Garmin eTrex wurde diePositionsschätzung sogar unstabiler; die Standardabweichung stieg auf fast dasDoppelte an. Grund dafür könnte sein, dass bei ausgeschaltetem DGPS interneFilter die Daten stark glätten, und damit die Positionsschätzung stabiler erschei-nen lassen.

5.2 Unterschiede durch die Art der Übertragung

Die Art der Übertragung der Korrekturdaten – ob über eine direkte RS 232-Verbindung oder über ein IP-Netzerk – hat keine signifikante Auswirkung aufdie Genauigkeit der Positionsschätzung. Dieses Ergebnis wurde erwartet, da dieKorrekturdaten bei ausgeschalteter SA (Selective Availability; künstliche Ver-schlechterung der Daten; seit 1. Mai 2000 normalerweise deaktiviert) mehrereMinuten gültig sind, und eine Verzögerung durch den Transport dadurch nichtins Gewicht fällt.

5.3 Unterschiede durch verschiedene Referenzquellen

Die Genauigkeit des Trimble-Empfängers lässt sich sowohl durch die Einspeisungder Korrekturdaten von der nahe gelegenen Referenzstation in Koblenz, alsoauch von der weiter weg liegenden Referenzstation in Frankfurt (über NTRIP)deutlich verbessern. Dies überrascht, da die atmosphärischen Störungen lokalunterschiedlich sein können und durch Daten von einer näher gelegenen Refe-renzstation besser kompensiert werden sollten.

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397552 397553 397554 397555 397556 397557 397558 397559 397560

GK

Hoc

hwer

t (-5

0000

00)

GK Rechtswert (-3000000)

gpstest20050608_trimble_plain_GPS.gk

Tue Sep 13 21:29:17 2005

’tmp.gk’ using 2:3

581720

581722

581724

581726

581728

581730

581732

397552 397553 397554 397555 397556 397557 397558 397559 397560

GK

Hoc

hwer

t (-5

0000

00)

GK Rechtswert (-3000000)

gpstest20050614_trimble_rtcmko_direct_DGPS.gk

Tue Sep 13 21:29:29 2005

’tmp.gk’ using 2:3

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 aufeinem mobilen System eingesetzt werden kann, ohne dass zusätzliche Hardwa-re auf dem Roboter mitgeführt werden muss. Folgende Aspekte werden in derweiteren Arbeit betrachtet:

Verhalten von Consumer GPS-Empfängern erklären. Wir werden wei-tere Experimente mit Low-cost-GPS-Empfängern durchführen um festzustel-len, ob die Anwendung von Differenzdaten bei solchen Geräten überhauptgerechtfertigt ist.

Eigene Referenzstation. Wir planen den Aufbau einer eigenen Referenzsta-tion, um damit auch sehr lokale Störungen kompensieren zu können undDifferenzdaten auch in Gebieten zur Verfügung zu haben, in denen keineReferenzstation in der Nähe ist.

7 Danksagung

Wir danken Herrn Michael Hoppe und Herrn Mario Walterfang von der Wasser-und Schifffahrtsverwaltung (WSV) des Bundes in Koblenz für die freundlicheLeihgabe von Hardware und die fundierte fachliche Unterstützung. Dank gehtauch an das Projektteam von Robbie 5: Richard Arndt, Peter Decker, ChristianDelis, Andreas Klöber, Alexander Kubias, Ken McManus, Felix Nagel, SarahSteinmetz 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 recommen-ded standards for differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) service,Version 2.2. Alexandria, Virginia, 1998.

[Rupprecht2004] Rupprecht, W.: DGPS corrections over the Internet. FIG WorkingWeek, 2004. http://www.wsrcc.com/wolfgang/gps/dgps-ip.html.

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