GNSS-Tracking im Wald

Transkript

1 Testergebnisse eines Prototyp-GNSS-Empfängers für den Einsatz in dicht bewaldeten Gebieten mit einer Genauigkeit von 1-3 m B. Riedl, T. Pany, J. Winkel IFEN GmbH, Poing, Germany

2 Stand der Technik der Positionierung bei Abschattungen in bewaldeten Gebieten GPS Datenlogger Nur L1-Messungen Ausgereifte Technik, kostengünstig Verschiedene Hersteller: SiRF, ublox, MTK Besserer Empfang als mit eingebauten Empfängern (Handy, Laptop) Relativ hohe Positionsverfügbarkeit Genauigkeit 5-15 m ohne verlässlichen Qualitätsindikator Geodätische Empfänger GPS (+GLONASS) Kode-/Trägerphasenmessung bei freier Sicht L1 für ~ 1 m Genauigkeit mit EGNOS L1/L2 für < 1 m Geringe Verfügbarkeit des Dienstes (insbes. Phasenmessung) im Wald

3 Messergebnisse Fußgänger im Wald Royaltec (ublox) Wintec (SiRF) 37 m

4 Zielsetzung GPS-USB-Stick für präzise (~ 1-3 m) Positionierung bei Abschattungen Robuster GPS (L1) USB-Stick zum Signalempfang IFEN s SX-NSR Software-Receiver als Basis Angepasste und komplexe Algorithmen zur Verarbeitung der GPS-Trägerphase (cm-streckenmessgenauigkeit) Nutzt den Prozessor am Laptop Kann über die Nutzerbewegung auch schwache direkte Signale von reflektierten Signalen unterscheiden Stützung des Empfängers bei regulären GIS-Updates mit präzisen Satellitenorbits Aufwändige Abschätzung der tatsächlich erzielten Genauigkeit Galileo-Support durch SW-Update

5 Anwendungen Flächenermittlung (Förderflächen), Grenzsteinsuche, Aufforstung, Restrukturierung von Flächen (Laub-/Nadelgehölz) Waldinventur Ermittlung von Schädlingsausbreitung, Waldbrandschäden Waldbewirtschaftung (z.b. Holzernte, Einmessung von Rückegassen im Rahmen einer Begehung)

6 IFEN Hintergrund IFEN Empfängerentwicklung Seit 2001 Entwicklung für professionelle Testsysteme (z.b.: Abnahme der Galileo Satelliten) Entwicklung eines hochempfindlichen Messempfängers für die Europäische Raumfahrtagentur ESA mal empfindlicher als der Stand der Technik Indoor-Positionierung mit Inertialsensoren, WLAN, Barometer F&E-Softwareempfänger als kommerzielle Produkte seit 2006

7 Empfänger - Konzept USB 2.0 raw samples PC GNSS Antenna Frontend Nav. Software User Software NMEA, virtual COM Other sensors optional

8 Fehlerbudget - Wald Kode-Mehrwegeeffekte (5-30 m) Reflektionen am (feuchten) Boden, diffuse Reflektionen/Refraktionen an Bäumen Antenne klein, unklare Lage Empfänger hat geringe Bandbreite um Strom zu sparen -> geringes Mitigationspotential Der limitierende Faktor GPS Broadcast orbit (~ 1-2 Meter) and clocks (1-2 Meter) Ephemeriden können aufgrund von Abschattungen nicht dekodiert werden Ionosphäre (1-10 Meter) Derzeit im Wald nur der Einsatz von L1-Empfängern möglich GPS Modernisierung (L2C) noch nicht genügend fortgeschritten (~ 2020)

9 Lösungsansatz Messung der Trägerphase durch innovativen Ansatz Glättung der Kodemessung und Reduktion der Mehrwegeeffekte Stützung des Empfängers durch präzise Orbits, Uhrfehler und Ionosphärenmodelle Realistische Abschätzung der erreichten Genauigkeit (RAIM)

10 Technologie Präzise Orbits/Iono Präzise Satellitenorbits, und Uhrfehler stehen im Internet zur Verfügung Detto für Iono-Modelle Vorhersagen oder Postprocessing Beispiel: TU-Delft GPS L1 Genauigkeit mit verschiedenen Empfängern bei freier Sicht Bei post-processing < 1 m! grün=ublox, rot=septentrio, gelb=trimble

11 Technologie - Vektortracking State-of-the-Art Receiver Unabhängige Kanäle Schnelle Reakquisition Stabiles Kodetracking auch im Wald Schlechtes Trägerphasentracking im Wald GNSS HF-Signal Frontend Akquisition Tracking Re-akquisition Kode Doppler Nutzerposition Kalman-Filter Neuer Vektoransatz (Sequoia-Tracking) Direkte Schätzung der Positon/Geschwindigkeit/ Bewegung aus den Korrelationswerten Abschattung einzelner Satelliten durch Bäume irrelevant GNSS HF-Signal Frontend Akquisition Korrelator Nutzerposition Korr.-Werte Kalman-Filter VDFLL-Feedback

12 Beispiel - Vektortracking PRN 8 1 Code Discriminator PRN 8 Trajectory Cod e Dis cr im in a t o r T im e [s ] Pr om p t : I 2 +Q 2 8 x Signal Amplitude Do p p ler [Hz] Frequency Discriminator Fr om Na vig a t ion Plu s Dis c r im in a t or T im e [s ] T im e [s ] Even blocked signals are tracked, quick reacquisition

13 Vektortracking - Trägerphase Erweiterung von Kode-Vektortracking um direkte Schätzung von: Nutzergeschwindigkeit, Beschleunigung und Terme höherer Ordnung Dadurch Reproduktion der Trägerphase möglich Glättung der Kodemessung -> Eliminierung der Mehrwegefehler Beispiel: direkte Schätzung der Nutzergeschwindigkeit aus dem GPS-Signal aller Satelliten V y [m/s] 0 V y [m/s] V x [m/s] V x [m/s] Freie Sicht (+/- ~2 cm/s) Im Wald (+/- ~5 cm/s)

14 Tests am HF-Simulator (NavX- NCS) Simuliertes GPS Signal mit starkem variablen Multipath (-6 db) GPS Empfangsstärke 23 dbhz mittlere starke Abschwächung 13 dbhz sehr starke Abschwächung True 23 dbhz 13 dbhz Sehr gute Ergebnisse am Simulator Empfangsstärke im Wald i.a. > 23 dbhz noch komplizierteres Empfangssignal (Bäume, Zweige)

15 Testgebiet Zusmarshausen

16 Testgebiet Zusmarshausen Vergleich Trajektorie SX-NSR (GPS L1) mit kommerziellen GPS-Empfängern SX-NSR ublox MTK SiRF

17 Testgebiet Zusmarshausen Genauigkeit der Positionslösung Parameter SiRF III Royaltec RBT2310 ublox5 WinTec MTK SX-NSR / Sequoia Long term horizontal accuracy (max. deviation) 36 m 18 m 31 m 1.5 m Short term (10 s) horizontal accuracy (max. deviation) 11 m 2 m 5 m < 0.1 m Jitter at a static position (max. deviation) 36 m 5 m 31 m 1.5 m Availability (percentage of time with a horizontal positioning accuracy of < 100 m) 100 % 100 % 100 % 100 %

18 Zusammenfassung Prototyp-Empfänger im Testbetrieb Teilweise exzellente Ergebnisse auch bei dichter Bewaldung Weitere Tests zur Stabilisierung ausstehend Verifikation mit Ground Truth ausstehend Konzept für Produkt GPS/Galileo USB-Stick als HF-Frontend GLONASS? Software am Laptop (~10-20 % Rechenlast) Adaptive Steuerung ~