Authors
Sarperi, Luciano
Topics
GNSS positioning and interferenceIndoor and Outdoor Localization TechnologiesRadio Wave Propagation StudiesLuciano Sarperi, 06.06.2023 Institute of Signal Processing and Wireless Communications (ISC), ZHAW cm-genaue Positionsbestimmung und Distanzmessung mit Real-Time Kinematics (RTK)Inhalt• Standard GNSS Lokalisierung• Differentielle GNSS Lokalisierung• Multi-Band GNSS Empfänger• Real-Time Kinematics (RTK) Lokalisierung• Ausblick: Galileo High Accuracy Service (HAS)• FazitStandard GNSS Lokalisierung• Bestimmung unbekannte Position (und Zeit) aus gemessenen Pseudo-Ranges Rn und bekannten Satelliten Positionen• Pseudo-Ranges Rn aus Messung der Signallaufzeiten berechnet, Signallaufzeit aus Korrelation mit bekannter Spreiz-Sequenz bestimmt• Mindestens 4 Satelliten nötig, um 3-D Position und Zeit zu bestimmen• Genauigkeit ≈ 12 m (95 %)• Empfang in Gebäuden nicht möglich 4Prinzip der Satellitennavigation: GPS, Galileo und GLONASS?Position Satellit 1Position Satellit 2R1 = Δt1∙c R2 = Δt2∙c tTX1tTX2Standard GNSS LokalisierungHauptsächliche Fehlereinflüsse• Signalverzögerung in Ionosphäre• Mehrwegausbreitung in der Nähe des Empfängers• Abweichung Satelliten-Clocks und Bahndaten?Position Satellit 1Position Satellit 2R1 = Δt1∙c R2 = Δt2∙cKorrekturdatentTX1 tTX2Differentielle GNSS LokalisierungReduktion der Fehlereinflüsse durch Korrekturdaten• Empfänger verwendet Korrekturdaten zur Reduktion der Fehlereinflüsse• EGNOS-System: Korrekturdaten werden in Europa kostenlos direkt von geostationären Satelliten empfangbar, standardmässig von GNSS Empfängern verwendet. Genauigkeit ≈ 3 m (95 %)• Fehler durch Mehrwegausbreitung kann nicht reduziert werdenVorteile Multi-Band GNSS Empfänger• Kann Signalverzögerung in Ionosphäre kompensieren• Höhere Positionsgenauigkeit als bei Single-Band GNSS Empfängern mit EGNOS wenn L5-Signal verwendet wird (höhere Bandbreite und Sendeleistung des L5-Signals)• Potenziell Reduktion des Mehrwegeausbreitungs-Fehlers, da frequenzabhängigNachteile Multi-Band GNSS Empfänger• Komplexeres Antennendesign• Bei der Kompensation der Signalverzögerung der Ionosphäre können Fehler durch Multipfadausbreitung potentiell verstärkt werdenAbbildung: wikipedia.org 8Neue GPS-Signale Ursprüngliches GPS-SignalNeue GPS Frequenzbänder • L5-Signal hat mehr Bandbreite und höhere SendeleistungGPS4 5 0 0L5 L2 L16 0 0E1GalileoE5a, E5b E6Frequenz [MHz]Auswahl low-cost Multi-Band GNSS Empfänger-Module| Typ | GPS-Frequenzband | Richtpreis CHF / 100 Stk. | Bemerkungen || --- | --- | --- | --- || Telit SE868SY-D | L1/E1 + L5/E5 | 14.60 | Basiert auf Sony CXD5610 || Quectel LC79H (AL) | L1/E1 + L5/E5 | 12.50 | Basiert auf Airoha AG3335 |Quectel LC79D L1/E1 + L5/E5 16.00 -GetestetFotos: Telit Cinterion, QuectelTestsetupLoggingGNSS EmpfängerHF-SplitterTelit SE868SY-D: L1 + L5 Quectel LC79H (AL): L1 + L5 u-blox ZOE-M8B: L1 u-blox MAX-M10: L1GNSS EmpfängerHF SplitterGemeinsame AntenneResultate Velofahrt Urbanes Gebiet, wenig Mehrwegausbreitung• Wenig Unterschied zwischen den GNSS Empfängern• Single-Band Empfänger ZOE-M8B hat hier eine systematische Abweichung von ca. 1.5 m (nicht weiter untersucht)Telit SE868SY-D: L1+L5Quectel LC79H (AL): L1+L5u-blox ZOE-M8B: L1u-blox MAX-M10: L1Wahre StreckeLuftbild: swisstopo 12 Luftbild: swisstopoResultate Velofahrt Urbanes Gebiet, viel Mehrwegausbreitung• Starke Mehrweg ausbreitung wahrscheinlich, Multi-Band Empfänger haben hier klar höhere Positionsgenauigkeit• Moderate Mehrweg ausbreitung wahrscheinlich, die Multi-Band Empfänger haben leicht höhere Positionsgenauigkeit (2 bis 5 m Abweichung)Telit SE868SY-D: L1+L5Quectel LC79H (AL): L1+L5u-blox ZOE-M8B: L1u-blox MAX-M10: L1Wahre StreckeReal-Time Kinematics (RTK) LokalisierungPrinzip• Höhere Positionsgenauigkeit durch Messung der Träger-Phase• Basis-Station übermittelt Phasenmessungen in Echtzeit an mobilen Rover• Träger-Phase periodisch in 2π (360 ⁰) Rover muss Phasen-Ambiguität lösen• Eigene Basis-Station oder online verfügbare Basis-Station, z.B. Swipos von swisstopo• Genauigkeit im cm-Bereich erreichbarReal-Time Kinematics (RTK) LokalisierungAuswahl "low-cost" RTK GNSS Empfänger-Module| Typ | Rover und Basis Station unterstützt | Richtpreis CHF / 100 Stk. || --- | --- | --- || u-blox ZED-F9P | Ja | Getestet 134.30 || Quectel LC29H (BA) | Nein | (LC29H (BA) bisher nur 30.00 Funktionstests) |u-blox NEO-M8P Ja 95.70Getestet (LC29H (BA) bisher nur Funktionstests) Fotos: u-blox, QuectelReal-Time Kinematics (RTK) Lokalisierung u 15 -blox ZED-F9P mit Raspberry Pi als ServerBasis-Station ZHAW WinterthurRoveru-blox ZED-F9P mit LTE Cat-M1 ModemLTE Cat-M1Foto Rover: D. Alberts, L. Mürner, Projektarbeit "cm-Genaue Positionsbestimmung mit GPS", ZHAW, 22.12.2022Baseline = 25 kmReal-Time Kinematics (RTK) Lokalisierung• Genauigkeit = 4.2 cm (95 %)• Mittlerer Fehler = 2.4 cm• RTK-Fixed in < 60 SekundenResultate statischer Rover mit 25 km Baseline-EntfernungFoto und Resultate: D. Alberts, L. Mürner, Projektarbeit "cm-Genaue Positionsbestimmung mit GPS", ZHAW, 22.12.2022Ausblick: Galileo High Accuracy Service (HAS)Galileo High Accuracy Service (HAS)• Basiert auf "genauen" Korrekturdaten und Multi-Band Empfang• Korrekturdaten für Precise Point Positioning (PPP) Methode kostenlos von Galileo Satelliten empfangbar• "Initial Service" seit Januar 2023• Genauigkeit ≈ 20 cm (95 %)• Positionsbestimmung in < 100 Sekunden• Keine separate Basis-Station wie bei RTK nötig• Noch keine GNSS Empfänger mit HAS verfügbarAbbildung: European Union Agency for the Space ProgrammeFazit• Multi-Band GNSS Empfänger haben bei starker Mehrwegausbreitung (z.B. zwischen Gebäuden) höhere Positionsgenauigkeit als Single-Band GNSS Empfänger erreicht• Real-Time Kinematics (RTK) Lokalisierung hat eine Genauigkeit im cm Bereich erreicht, low-cost Empfänger werden verfügbar• Neuer Galileo High Accuracy Service (HAS) verspricht 20 cm Genauigkeit, benötigt keine Basis-Station
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PublishedJun 6, 2023
TypeArticle
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