Analyse hochfrequenter GNSS-RTK Messungen - Master Projektarbeit FS 2011 - Ladina Steiner
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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 Detek- tion allfälliger Trends in den Messungen. Diese Trends können aufgrund des Einflusses der Ionosphäre, Troposphäre oder durch Multipatheffekte entstehen. Bei bekanntem Signalver- halten 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 Messun- gen 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 Korrekturnachrich- ten 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 ausge- lasteten 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 Rah- men 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 viii
1. Einleitung 1
1.1. RTK Messprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. JAVAD GNSS Empfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. Datenformate und Korrekturdatenübertragung 3
2.1. Datenschnittstelle NMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. Übertragungsformate der GNSS-Korrekturdaten . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.1. RTCM 2.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2. RTCM 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.3. CMR+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.4. Vergleich der Übertragungsformate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3. Übertragung der GNSS-Korrekturdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1. Funkübertragung UHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2. Übertragung per LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3. Statische RTK Messungen 9
3.1. Messkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2. Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.3. Lösungsansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 11
4.1. Vergleich der Übertragungsformate CMR+ und RTCM 3 bei unterschiedlichen
Messfrequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.1. Vergleich der Messungen bei 1 Hertz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.2. Vergleich der Messungen bei 10 Hertz . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.1.3. Einflüsse der Parameter „Handshakemessage“, Baudrate, Frequenz der
Funkübertragung auf das Fixieren von Messungen bei 10 Hertz . . . 20
4.1.4. Vergleich der Messungen bei 100 Hertz . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2. Wahl des geeigneten Übertragungsformates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5. Analyse der Verhaltenseigenschaft der JAVAD Empfänger bei längerer Basisli-
nie 27
5.1. Änderung des Elevationswinkels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.2. Vergleich reiner GPS- und kombinierter GPS/GLONASS-Messung . . . . . 30Inhaltsverzeichnis v
6. Schlussfolgerungen und Ausblick 33
6.1. Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.1.1. Applikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2. Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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-1Abbildungsverzeichnis
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. Systematik der fixierten Lösungen bei 1 Hertz Messungen . . . . . . . . . . 11
4.2. Statistik der 1 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll via Funk . . 11
4.3. Statistik der 1 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll via Funk . 12
4.4. Autokorrelation der 1 Hertz Messungen mit Übertragung der CMR+ Korrek-
turdaten via Funk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.5. Statistik der 1 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll via LAN . . 13
4.6. Autokorrelation der 1 Hertz Messungen mit Übertragung der CMR+ Korrek-
turdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.7. Systematik der fixierten Lösungen bei 10 Hertz Messungen mit CMR+ Trans-
ferprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.8. Systematik der fixierten Lösungen bei 10 Hertz Messungen mit RTCM 3
Transferprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.9. Histogramm der Abstände der Float Lösungen bei 10 Hertz, CMR+ . . . . 15
4.10. Histogramm der Abstände der Float Lösungen bei 10 Hertz, RTCM 3 . . . 15
4.11. Statistik der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, Funk . . . 16
4.12. Statistik der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll, Funk . . . 16
4.13. Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll . . . 17
4.14. Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll . . 17
4.15. Systematik der fixierten Lösungen bei 10 Hertz Messungen und der Übertra-
gung der Korrekturdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.16. Statistik der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, LAN . . . . 18
4.17. Statistik der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll . . . . . . 18
4.18. Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll . . . 19
4.19. Autokorrelation der 10 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll . . 19
4.20. Änderung beim Fixieren der Ambiguities beim Deaktivieren der Handshake-
message . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.21. Systematik beim Fixieren der Lösungen bei 10 Hz Messungen und einer Funk-
übertragung über 430 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.22. Systematik beim Fixieren der Lösungen bei 10 Hz Messungen und einer Funk-
übertragung über 431 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.23. Systematik der fixierten Lösungen bei 100 Hertz Messungen . . . . . . . . . 22
4.24. Histogramm der Abstände der standalone Lösungen bei 100 Hertz Messungen 22Abbildungsverzeichnis vii
4.25. Messsession bei 100 Hertz Messungen und der Übertragung der Korrekturda-
ten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.26. Statistik der 100 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll, LAN . . . 24
4.27. Statistik der 100 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll, LAN . . 25
4.28. Autokorrelation der 100 Hertz Messungen mit CMR+ Transferprotokoll . . 25
4.29. Autokorrelation der 100 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll . 25
5.1. Messession über eine Basislinie von ca. 400 m . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.2. Statistik der Messession über eine Basislinie von ca. 400 m . . . . . . . . . . 28
5.3. Autokorrelation der Messession über eine Basislinie von ca. 400 m . . . . . . 29
5.4. Histogramm der Messungen bei unterschiedlichen Elevation . . . . . . . . . 30
5.5. QQ-Plot der Messungen bei unterschiedlichen Elevation . . . . . . . . . . . 30
5.6. Messession der kombinierten GPS und GLONASS Messungen bei 10 Hz . . 31
5.7. Statistik der kombinierten GPS und GLONASS Messungen bei 10 Hz . . . . 31
5.8. Autokorrelation der kombinierten GPS und GLONASS Messung . . . . . . 32
B.1. Aufbau eines CMR-Transferformats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-1Tabellenverzeichnis
1.1. Spezifikationen der JAVAD GNSS Empfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1. Mögliche Datensätze des NMEA-Protokolls . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. Beschreibung eines NMEA-Datensatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3. Gliederung des RTCM 3 Transferformats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4. Vergleich der unterschiedlichen Versionen der Transferformate CMR und RT-
CM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.1. Genauigkeitswerte der Messungen bei 1 Hz mit dem Transferprotokoll CMR+
und RTCM 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2. Genauigkeitswerte der Messungen bei 1 Hz mit der Übertragung von CMR+
Korrekturdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3. Genauigkeitswerte der Messungen bei 10 Hz mit dem Transferprotokoll CMR+
und RTCM 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4. Genauigkeitswerte der Messungen bei 10 Hz mit der Übertragung von CMR+
und RTCM 3 Korrekturdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.5. Systematik der Abstände der standalone Lösungen bei 100 Hertz Messungen 23
4.6. Standardabweichungen der Messungen bei 100 Hz mit der Übertragung von
CMR+ und RTCM 3 Korrekturdaten via LAN . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.7. Standardabweichungen der Messungen bei 1, 10 und 100 Hz mit der Übertra-
gung von CMR+ und RTCM 3 Korrekturdaten via Funk . . . . . . . . . . . 26
5.1. Absoluter Versatz zwischen der bekannten und der anhand der Messung be-
stimmten Koordinate des Pfeilers 1012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2. Genauigkeitswerte der Messungen bei Änderung des Elevationswinkels . . . 29
5.3. Vergleich der reinen GPS-Messung und der kombinierten Messung von GPS
und GLONASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
A.1. Beschreibung eines GGA-Datensatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-11. 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 hoch- frequenten 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 vorhan- denen 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 Mes- sungen 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 „High- Rate 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 simu- liert 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 Objek- ten (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 min- destens 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 NMEA-
Standards gespeichert.
Diese Empfänger verfügen unter anderem über die in der Tabelle 1.1 aufgeführten Eigen-
schaften:
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 Datenaus-
tausch 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 ste-
hen 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 Informatio-
nen bezüglich des Messmodus (2D oder 3D), der Anzahl der zur Positions-
bestimmung 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 ausge-
lesen. 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 5
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 an-
erkannten 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 zusätz-
liche Informationen. Die Version 2.3 ist speziell auf RTK-Korrekturdaten für sich bewegende
GNSS-Empfänger ausgerichtet und enthält zusätzlich zur vorhergehenden Version Informa-
tionen 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 Nachrich-
tenkopf, welcher Informationen zur Referenzstation und zum nachfolgenden Nachrichtentyp
beinhaltet. Anschliessend folgen die spezifischen Dateninhalte für die jeweiligen Nachrich-
tentypen [9].
In der vorliegenden Arbeit werden bei der Verwendung des RTCM 2.3 Formats die Nach-
richtentypen 18, 19, 23 und 24 ausgelesen. Damit werden die unkorrigierten Phasen- und
Pseudoranges der RTK Messung, der Antennentyp und der Antennenreferenzpunkt über-
mittelt.
• 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 Nachrichtenty-
pen 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 da-
durch erreicht, dass die Daten in einem Datenbankformat vorliegen und die Nachrichten in
drei Nachrichtengruppen gegliedert werden (vgl. Tabelle 2.3).
Nachrichtengruppe Sub-Gruppenname Nachrichtentyp
[min, max]
Beobachtungen 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 RTK-
Anwendungen. Dabei sind CMR+ und CMRx jeweils Weiterentwicklungen der Erstversion
CMR. Die neueren Versionen unterstützen neben GPS auch GLONASS (CMR+) und GA-
LILEO (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 Antennenpha-
senzentrums und Antennenoffsets, WGS84
• Beschreibung der Referenzstation (Typ 2): ASCII-Nachricht, welche den Stationsna-
men 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 CMR+ CMRx RTCM 2.3 RTCM 3
Hersteller Trimble RTCM
GNSS Systeme GPS GPS GPS GPS GPS
GLONASS GLONASS GLONASS GLONASS
GALILEO
Bandbreite [bytes] 253 127 nicht 385 148
bekannt
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 Redukti-
on 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 er-
möglicht 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 Funk- signale in dem Frequenzbereich von 360 bis 470 MHz übermitteln kann. Dabei sind Übertra- gungsraten 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 meh- rere 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 Pro- bleme, 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 sel-
be 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 Testmessun-
gen sehr kurz gewählt. Dies hat den Grund, dass einige Parameter und Programmeinstel-
lungen 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 Emp-
fängern 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 Mes-
sung 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 Ro-
ver (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 beispielsweise3. Statische RTK Messungen 10 von der Troposphäre, Ionosphäre oder der Satellitenkonstellation hervorgerufen werden, de- tektiert 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 Verarbeitungspro- blemen der JAVAD GNSS Empfänger entstehen. Probleme bei der Verarbeitung der empfan- genen Korrektursignale im Empfänger können eingegrenzt werden, indem die beiden Empfän- ger (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) ent- stehen. Dabei gibt es mehrere Einflüsse, wie beispielsweise die Wahl des Transferformats der Korrekturdatenübermittlung oder verschiedene Parametereinstellungen (Anzahl der getrack- ten Satelliten, Handshakemessage). Andererseits könnte auch die Frequenz der Funkübertra- gung 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 Testmes- sungen 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-4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 12
(a) Histogramm (b) QQ-Plot
Abbildung 4.3.: Statistik der 1 Hertz Messungen mit RTCM 3 Transferprotokoll via Funk
Genauigkeiten [cm] Genauigkeiten [cm]
bei CMR+ 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+ Kor-
rekturdaten via Funk4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 13
Bei der Autokorrelation werden alle Messungen auf ihre Korrelation mit sich selbst über-
prüft. 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 Schwin-
gung 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 Normal-
verteilung 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 Schwingun-
gen des Signals über etwa 70 Messungen, also etwa einer Minute, hinweisen können (Abbil-
dung 4.4). Ein Lag entspricht dabei einer Sekunde. Diese Korrelationen sind aber sehr gering4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 14
Abbildung 4.6.: Autokorrelation der 1 Hertz Messungen mit Übertragung der CMR+ Kor-
rekturdaten via LAN
im Vergleich zu den Messungen, welche anhand der Funkübertragung gemessen wurden (Ab-
bildung 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 Mes-
sungen (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. Tabel-
le 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 Standardabwei-
chung 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 3.4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 16
(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] Genauigkeiten [cm]
bei CMR+ 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 Über-
tragung 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 eben-
falls 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 wer-
den, dass die Messungen bei CMR+ eine längere Schwingungsperiode aufweisen als diejenigen4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 18
(a) Histogramm (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 Transferprotokoll4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 19
Genauigkeiten [cm] Genauigkeiten [cm]
bei CMR+ 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 Re-
duktion des Arbeitsprozesses im Rover bezwecken und somit das Fixieren der Ambiguities
erlauben.
Abbildung 4.20.: Änderung beim Fixieren der Ambiguities beim Deaktivieren der Handsha-
kemessage etwa ab der Messung 2400
Bei der Messung der Abbildung 4.20 wurde die Handshakemessage nach etwa 2400 Mes-
sungen 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 konn-
ten. 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 In-
terferenzen 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 übertragen-
den Nachricht. deshalb muss die Baudrate an die Grösse der zu übertragenden Nachricht
angepasst werden muss, damit die Übertragung der Nachricht erfolgen kann. Dazu wur-
den verschiedene von den Empfängern zur Verfügung stehende Baudraten bei verschiedenen
Messfrequenzen (10 Hz, 100 Hz) getestet. Dies hatte jedoch keine Verbesserung auf das Fixie-
ren 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 JA-
VAD Empfänger verfügen über einen Funkbereich von 360-470 MHz (vgl. Seite 2). In diesem
Bereich sind einige Frequenzen vorhanden, welche wenig durch andere Anwendungen beein-
trächtigt 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 MHz4. 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 verwen-
deten 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 rea-
lisiert, 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 Messun-
gen, LAN
Im Gegensatz zu den Messungen bei 1 Hertz und 10 Hertz und der Verbindung der Emp-
fänger 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 (Abbil-
dung 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 der4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 23
Zeit
H M S Satelliten PDOP Fixed=4 / Float=1
14 19 54.99 8 1.79 4
14 19 55 8 1.79 4
14 19 55.02 8 1.74 1
14 19 55.03 8 1.74 1
14 19 55.04 8 1.74 1
14 19 55.04 8 1.79 4
14 19 55.99 8 1.79 4
14 19 56 8 1.79 4
14 19 56.02 8 1.74 1
14 19 56.03 8 1.74 1
14 19 56.04 8 1.74 1
14 19 56.04 8 1.79 4
14 19 56.99 8 1.79 4
14 19 57 8 1.79 4
14 19 57.02 8 1.74 1
14 19 57.03 8 1.74 1
14 19 57.04 8 1.74 1
14 19 57.04 8 1.79 4
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 be-
reits 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] Genauigkeiten [cm]
bei CMR+ 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 LAN4. 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 betra-
gen 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+ (Abbil-
dung 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 25
(a) Histogramm (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.4. Identifikation eines geeigneten Korrekturdaten-Übertragungsformates 26
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 Übertra-
gung von CMR+ und RTCM 3 Korrekturdaten via Funk
Aufgrund der im Kapitel 4.1 beschriebenen Eigenschaften und Unterschiede der Trans-
ferformate 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 Nachrich-
teninformationen 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 Signal- verhalten 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 HIL- Gebäudes 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 rela- tiv 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 Sa- tellitenkonstellationen stattfinden, und die Basislinie länger (einige Kilometer) sein müssen.
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