Untersuchung der Positionsgenauigkeit von GPS mit preisgünstigen GPS-Empfänger und auf Basis der Open Source Software RTKLib

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1 Hochschule Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences Fachbereich Informatik Department of Computer Science Exposé im Studiengang Informatik (Bachelor of Science) Untersuchung der Positionsgenauigkeit von GPS mit preisgünstigen GPS-Empfänger und auf Basis der Open Source Software RTKLib von Moetez Djebeniani Erstprüfer: Prof. Dr. Karl Jonas Zweitprüfer: Prof. Dr. Name2 Eingereicht am:

2 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis... ii 1 Problemstellung Fragestellung Methode Ziel und Aufbau der Arbeit Anhang Gliederungsentwurf Vorläufiges Literaturverzeichnis Zeiten- und Aufgabenplan... 6 i

3 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Anforderung unterschiedlicher Nutzer (Schüttler 2014, S. 53)... 1 ii

4 1 Problemstellung Das GPS (Global Positioning System) gehört seit Jahren zu unserem Alltag. Dabei macht es keinen Unterschied, ob eine Person ihre Position in sozialen Netzwerken postet oder jemand einfach wissen will, wo er sich momentan befindet. Die zivile Bevölkerung nutzt GPS per Handy oder per Navigationsgerät. Auch in der Seefahrt, Luftfahrt, Straßenverkehr und in anderen Bereichen wird GPS genutzt und ist nicht mehr wegzudenken. Diese einzelnen Bereiche erfordern jedoch unterschiedliche Genauigkeitsangaben. Abbildung 1 zeigt, welche Genauigkeiten jeweils gefordert werden. Abbildung 1: Anforderung unterschiedlicher Nutzer (Schüttler 2014, S. 53) In der Praxis jedoch ist die Genauigkeit einer Positionsbestimmung mit GPS oft nicht genau genug. Die Genauigkeit liegt manchmal zwischen 10 m und 1mm. Dies hängt von verschiedenen Faktoren ab. Ein Faktor ist z.b. der GPS-Empfänger. Es gibt eine große Anzahl an GPS-Empfängern auf dem Markt. Diese können kostengünstig oder kostenintensiv sein. Teure GPS-Empfänger, die z.b. für Landvermessungen genutzt werden, kosten mehrere tausend Euro und ermöglichen eine Genauigkeit im Zentimeter-Bereich (Kowoma 2007a). Somit kann sich ein durchschnittlicher Verbraucher mit einem kostengünstigen GPS-Empfänger keine Genauigkeit im Zentimeter-Bereich leisten. Bei Entwicklungsländern besteht darüber hinaus auch das Problem, dass sie aus Geldmangel nicht in der Lage sind, professionelle GPS- Empfänger zu kaufen. Dadurch ist es ihnen nicht möglich, genaue Katastervermessung vorzunehmen. 2 Fragestellung Bei der Genauigkeit einer Positionsbestimmung stellt sich die Frage, welche Faktoren so einen Einfluss auf die Genauigkeit haben. Sind es die Satelliten, die im Weltraum sind oder liegt es hauptsächlich an den GPS-Empfänger oder liegt es an der Umgebung. Lassen sich überhaupt diese Einflüsse vermeiden. Außerdem kommt die Frage auf, welche Mittel hierzu nötig sind, um eine bestmögliche Positionsgenauigkeit zu erreichen. Insbesondere soll betrachten werden, dass eine durchschnittlicher Verbraucher eine bestmögliche Positionsgenauigkeit erreicht, ohne großen Aufwand und ohne hohe Kosten. 1

5 3 Methode Für die Untersuchung der Positionsgenauigkeit wird ein Feldexperiment durchgeführt. Hierbei werden Messungen mit unterschiedlichen GPS-Empfängern in verschiedene Umgebungen durchgeführt und die Genauigkeit dieser Messungen untersucht. Des Weiteren wird versucht die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern und dabei untersucht, ob die GPS Genauigkeit verbessert werden kann und wie weit sich dies verbessert hat. 4 Ziel und Aufbau der Arbeit Das Ziel dieser Arbeit ist es, mit preisgünstigen GPS Empfängern in verschiedene Umgebungsbedingungen die Genauigkeit der Positionsbestimmung mit der Open Source Software RTKLib praktisch zu untersuchen. Dabei werden zusätzlich unterschiedliche technische Möglichkeiten für die Genauigkeitsverbesserung untersucht und verglichen, damit eine sehr genaue Positionsbestimmung mit preisgünstigen GPS Empfänger erreicht werden kann. In Kapitel 2 werden einige theoretische Grundlagen erklärt, die ein Grundverständnis für den weiteren Verlauf der Arbeit geben sollen. Für eine weitere Einführung in die Thematik gibt das Kapitel 3 eine Einführung in GPS. Hierbei werden die Entwicklung, der Aufbau und die Funktionsweise von GPS beschrieben. Das Kapitel 4 beschäftigt sich mit den Faktoren, die einen Einfluss auf die Positionsbestimmung haben. Mit dem Kapitel 5 werden die Möglichkeiten für die Verbesserung der Positionsbestimmung dargestellt. Das Kapitel 6 beschäftigt sich mit dem GPS-Empfänger. Dieses Kapitel soll den Aufbau der GPS-Empfänger und die unterschiedlichen Chips zeigen. Das Kapitel 7 befasst sich mit einigen GPS-Software. Hierbei soll deren Aufbau und deren Funktion gezeigt werden. In Kapitel 8 wird die Open Source Software RTKLib vorgestellt. Da diese Open Source Software so umfangreich ist, werden die verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten von dieser Open Source Software erklärt. Zuletzt wird das Feldexperiment realisiert und ausgewertet. Somit besteht die Abschlussarbeit aus einem theoretischen und praktischen Teil. Der theoretische Teil liefert eine ausführliche Einführung in die Thematik und beschreibt die Problematik. Der praktische Teil befasst sich mit der Analyse der Open Source Software RTKLib und des Feldexperiments. 2

6 5 Anhang 5.1 Gliederungsentwurf Während der Bearbeitungszeit der Bachelorarbeit können Änderungen bei dem Inhaltsverzeichnis auftreten. 1. Einleitung 1.1. Problemstellung 1.2. Zielsetzung 1.3. Aufbau der Arbeit 2. Theoretische Grundlagen 2.1. Verfahren für die Funkortung Einleitung Positionsbestimmung mittels Messung des Winkel in einer Ebene Positionsbestimmung durch Messung der Entfernung Positionsbestimmung Mithilfe der Entfernungsdifferenz 2.2. Satellitenbahnen Die Keplerschen Gesetze Umlaufbahnen Bahnhöhe 2.3. Zeitsysteme Koordinierte Weltzeit Sternzeit Atomzeit GPS-Zeit Satellitenzeit Lokal-Zeit 2.4. Koordinatensysteme 3. Einführung in GPS 3.1. Historische Entwicklung 3.2. Funktionsweise von der Positionsbestimmung mit GPS 3.3. Systemaufbau von GPS Weltraumsegment Einführung Aufbau eines GPS-Satelliten Übersicht der GPS-Satelliten Bodensegment Nutzersegment 3.4. GPS Satelliten Signal Hochfrequenz-Träger Pseudo Random Noise (PRN) - Codes Modulationsverfahren Korrelationsfunktion 3.5. Codemessung und Trägerphasenmessung 3.6. Datenformate und Protokolle NMEA RTCM RINEX 3.7. Glonass, Galileo und Co. 4. Einflussfaktoren auf die Positionsbestimmung 4.1. Satellitenbahnfehler 4.2. Uhrenfehler 4.3. Empfängerfehler 4.4. Nutzer-Streckenfehler 4.5. Einfluss der Satellitengeometrie 4.6. Einfluss durch Atmosphäre 3

7 4.7. Einfluss durch Mehrwegeffekte 4.8. Einfluss durch Störsender 5. Korrekturmöglichkeiten für die Positionsbestimmung 5.1. Precise Point Positioning (PPP) 5.2. Assisted GPS (AGPS) 5.3. Satellite Based Augmentation System (SBAS) 5.4. Differential Global Positioning System (DGPS) 5.5. Referenzstationsnetze Einleitung Übertragungsverfahren Korrekturdienste SAPOS AXIO EGNOS 6. Einführung in GPS Empfänger 6.1. Allgemeines zu GPS-Empfänger 6.2. Grundaufbau eines GPS-Empfänger 6.3. GPS Chips u-blox SiRF Mediatek Skytraq 6.4. GPS Antennen Patch-Antennen Helix-Antennen Chip-Antennen 6.5. Varianten von GPS-Empfänger 7. Übersicht von GPS Software 7.1. u-center 7.2. SIRFDemo 7.3. BKG Ntrip Client (BNC) 7.4. Feldlog 8. Vorstellung von der Open Source Software RTKLib 8.1. Einführung in RTKLib 8.2. Echtzeit Positionierung mit RTKNavi 8.3. Umwandlung von Rohdaten mit RTKConv 8.4. Postprocessing Analyse mit RTKPost 8.5. Anzeigemöglichkeiten mit RTKPlot 8.6. Auswertungsmöglichkeiten von Beobachtungsdaten mit RTKPlot 9. Feldexperiment 9.1. Einleitung Überblick der ausgewählten Hardware Beschreibung des Versuchsaufbau 9.2. Testszenarien Szenario Szenario GPS-Messungen 9.4. Auswertung 10. Zusammenfassung 11. Literaturverzeichnis 12. Anhang 4

8 5.2 Vorläufiges Literaturverzeichnis Bauer, M.: Dodel, H.; Häupler, D.: Kowoma (Hrsg.): Mansfeld, W.: Schönfeld, R.: Schüttler, T.: Zogg, J. - M. (Hrsg.): Vermessung und Ortung mit Satelliten. 6. überarb. u. erwei. Aufl., Wichmann Verlag, Berlin Satellitennavigation. 2. korr. u. erw. Aufl., Springer-Verlag, Berlin Heidelberg Erreichbare Genauigkeit. Stand: Satellitenortung und Navigation. 3. überarb. u. aktual. Aufl., Vieweg Teubner Verlag, Wiesbaden Das GPS-Handbuch Band 1: 2. aktual. Aufl., Verlagshaus Monsenstein und Vannderdat, Münster Satellitennavigation. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg GPS und GNSS: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten. f. Stand:

9 5.3 Zeiten- und Aufgabenplan Während der Bearbeitungszeit der Bachelorarbeit kann es dazu kommen, dass die Aufgaben weniger oder länger Zeit benötigen als hier angenommen. Aufgabe : Recherche durchführen Bearbeitung von Kapitel 1 Bearbeitung von Kapitel 2 Bearbeitung von Kapitel 3 Bearbeitung von Kapitel 4 Bearbeitung von Kapitel 5 Bearbeitung von Kapitel 6 Bearbeitung von Kapitel 7 Bearbeitung von Kapitel 8 Feldexperiment durchführen Analyse der Ergebnisse Arbeit zum Abschluss bringen Dauer: 6