Autonavigation mit DGPS - inf.fu-berlin.de · Differential GPS: 1 - 5 m Mit Carrierphase: < 1 m Problematisch bei der Angabe dieser Messgenauigkeiten ist das diese von Empfänger

Autonavigation mit DGPS 30. April 2005

Frank Jeschke, Seminar AutonomeFahrzeuge, FU Berlin 1

Autonavigation mit DGPS

Seminar Autonome FahrzeugeFrank Jeschke ([email protected])



1. Mai 2005Autonavigation mit DGPS, Frank

Jeschke, FU-Berlin 2

Übersicht

GPS (Geschichte, Funktion, Fehler) Carrier Phase GPS Differential GPS INS (Integrated Navigation System) DGPS mit INS GPS Module





GPS Geschichtliches

Seit 1977: Aufbau NAVSTAR 1979 - 1989: Aufbau Raumsegment Ab 1990: volle Funktionalität Seit 2000: S/A deaktiviert

1977: Aufbau des Satell iten gestützten Navigationsystems NAVSTAR GPS).Anfangs ein Gemeinschaftsprojekt der U.S. Navy und U.S. Airforce. Bereits indiesem frühen Stadium wurde eine Zivile Nutzung mit beschränkter Genauigkeitberücksichtigt. Das System sollte kostenlos zur Verfügung stehen um nicht ineine Abhängigkeit eines Writschaftsunternehmens zu geraten.

1979 - 1989 wurde das Raumsegment aufgebaut und die erstenVersuchsatell iten ersetzt. Es ist schon bemerkenswert das in nur 10 Jahren 24Satell iten auf 6 Orbitale verteilt wurden.

1990 war das NAVSTAR System voll funktionsfähig. Überaschend für alleBeteil igten war, daß die Positionsbestimmung mit C/A genauer war als bei derPlanung gedacht. Darum wurde von der DoD die S/A (Selective Availabil ity)eingeführt. Dadurch hat das U.S. Militär die totale Kontrolle über diePositionsgenauigkeit bei zivilen GPS Empfänger.

Seit 2000 ist S/A offiziell deaktiviert, der U.S. Präsident entscheidet jedes Jahrob S/A wieder aktiviert wird. Dies ist der größte Nachteil von GPS, deswegenwurde von der EU die Einrichtung eines eigenen Satell iten Navigationssystemerwogen (Galileo).





GPS Funktionsweise

Space Segment Control Segment User Segment

Das GPS besteht aus 3 Segmenten:Das Raumsegment besteht aus 24 Satell iten auf 6 Orbitalen. Jeder Satell itbefindet sich in einer Höhe von ca. 20000km und hat eine Umlaufzeit von 12h.Sie senden ihre Positionsdaten kontinuierlich auf zwei Frequenzen zur Erde. DieFrequenz L1 (1545,42 MHz) wird mit C/A- und P-Code moduliert die L2(1227,60MHz) Frequenz nur mit dem P-Code moduliert. Für die zivile Nutzungsteht nur der C/A Code zur Verfügung.Beim Control Segment handelt es sich um mehrere Stationen die über diegesamte Erde verteilt sind (ausschliesslich auf dem Hoheitsgebiet der USA).Ausserdem existiert eine Master Control Station auf der Shriver Airforce Base.Diese Kontroll Stationen überwachen die Satell itenbahnen und könneneventuelle Korrekturen initi ieren. Ausserdem werden in regelmäßigenAbständen die Almanachdaten aktualisiert.Das User Segment sind die GPS Empfänger. Diese messen die Signallaufzeitüber eine PLL (Phase Lock Loop) Schaltung, decodieren das Satell iten Signalund bestimmen aus der Signallaufzeit und den Almanachdaten die relativePosition (pseudorange).Die heutigen GPS Empfänger decodieren die Satell iten daten und geben dieaktuelle Position mit 1-10Hz über das NMEA Protokoll an einenNachgeschalteten Rechner. Die Positionsdaten werden im WGS84 Systemübergeben.Das WGS (World Geographic System) wurde 1984 eingeführt um ein weltweitEinheitl iches Positionierungsystem zu etablieren. Jedes z.Zt. VerwendeteReferenzsystem ist nur lokal für die jeweilige Region exakt genug. So wirdbeispielsweise in Europa das Potsdam Datum verwendet.





Genauigkeit bei GPS

Alle Angaben bezogen auf 95% der Meßungen mit S/A aktiviert: ca. 100 m ohne S/A aktiv: 10 - 30 m Differential GPS: 1 - 5 m Mit Carrierphase: < 1 m

Problematisch bei der Angabe dieser Messgenauigkeiten ist dasdiese von Empfänger zu Empfänger unterschiedlich ist. ObigeAngaben sind also nur eine Daumenregel und bieten eine ersteAbschätzung, damit man die einzelnen Verfahren vergleichen kann.





Fehlerquellen

Ionosphärischer Fehler Troposphärischer Fehler Zeitunterschiede Multipath Doppler Effekt

Der Ionosphärische Fehler tritt auf da die Funkwellen durch die elektrischgeladenen Teil (Ionosphäre) der Erdatmosphäre laufen. Dieser Fehler ist imVergleich erheblich. Deswegen arbeitet das militärisch genutzte GPS mitbeiden Frequenzen. Durch die unterschiedliche Laufzeit der beiden Signaleläßt sich dieser Fehler sehr gut herausfiltern.Der Troposphärische Fehler läßt sich nur schwer modellieren. Jedoch ist dieserFehler im Vergleich zum Ionosphärischen und Multipath Fehler sehr klein.Da im Satell iten eine Atomuhr und in den Empfängern nur ein günstiger Quarzals Zeitgeber eingebaut ist entstehen gewisse Zeitunterschiede bei derrekonstruktion des Satell iten Signals durch den Empfänger. Dadurch wird diegemessene Entfernung entsprechend verfälscht. Durch längerfristigeBeobachtung und je nach Hersteller implementierten korrektur Verfahren wirddieser Fehler von modernen Empfängern gut gefiltert. Der Multipath Fehler ist deutlich schwieriger zu handhaben. Er tritt stets auf,wenn keine freie Sicht zum Himmel gegeben ist oder massive Hindernisse inunmittelbarer Nähe zum Empfänger stehen. Dieser Fehler läßt sich nur durcheine gute Messanordnung, DGPS und durch Messung von mehr als 4 Satell iteneliminieren.Der Doppler Effekt durch die Bewegung der Satell iten ist ebenfalls nur schwerzu Umgehen. Er tritt hauptsächlich bei flach stehenden Satell iten auf. Fürhochgenaue Positionsbestimmung werden deshalb Empfänger mit CarrierPhase Measurement eingesetzt. Da die Bestimmung der Entfernung über diePhasenlage des Trägersignals den Doppler Effekt gut ausblendet.





Carrier Phase

Phasenverschiebung des Trägers. Relative Entfernung (Pseudorange) DGPS erhöte Genauigkeit Dopplereffekt

Die Entfernungsbestimmung über die Phasenverschiebung derTrägerwell (Carrier Phase Measurement) ist eine Quasi Codefreiebestimmung der relativ Entfernung. Im normal Betrieb (mit nur einemEmpfänger) ist der Effekt nur Minimal, jedoch in Verbindung mitDGPS kann man den Doppler-Effekt bei tiefen Satellitenherausfiltern. Damit ist es möglich Positionsgenauigkeiten von untereinem Meter zu erreichen. Je nach GPS Modul und Aufbau sollensogar Millimeter Messungen möglich sein.Wichtig ist das beide Empfänger (Basis und Mobil) in der Lage sinddie Phasenverschiebung zu bestimmen (siehe Thales Modul unten).





DGPS

Das Prinzip von DGPS (Differential GPS) ist einfach. Neben dem normalenmobilen Empfänger existiert noch eine Basis Station. Die Position derBasisstation ist genau bekannt (z.B. lange Aufzeichnung der GPS Daten). DieBasisstation und die mobile Einheit sollten die gleichen Satell iten empfangen.Die Basis berechnet aus den Satell itendaten die Position und vergleicht diesemit der vorher bekannten Position. Die Differenz wird dann zusammen mit denSatell itendaten an die mobilen Einheiten weitergeleitet. Diese können mitdiesen korrektur Daten ihre eigene Messung korrigieren. Dadurch lassen sich diemeisten Fehlerquellen im GPS weitgehend eleminieren. DiePositionsgenauigkeit steigt dabei auf 1-5m.Ursprünglich wurde dieses Verfahren für die Seenavigation eingesetzt. Es hatsich jedoch gezeigt das auch an Land eine deutlich besserePositionsbestimmung möglich ist.Die korrektur Daten werden bei frei Verfügbaren DGPS Basisstationen via Funk(Lang-/Mittelwelle) im RTCM 2.0 (Radio Technical Comission for Maritimeservices) Format übertragen. Die meisten heute zur Verfügung stehenden GPSEmpfänger sind in der Lage diese Daten zu empfangen und zu verarbeiten.In Deutschland wird Beispielsweise in Mainflingen bei Frankfurt/Main eineDGPS Station von der Telekom betrieben, diese sendet auf 123,7kHz ihrekorrektur Daten. Ihr aktiver Radius beträgt 600km, womit Berlin gerade noch inihr Versorgungsgebiet fällt.





DGPS Möglichkeiten

DGPS Dienste per Funk SBAS (Satellite Based Augmentation System)

– WAAS (Wide Area Augmentation Service) Eigene DGPS Basis Station

Über die gesamte Welt verteilt existieren mehrere DGPS Basen die (meistkostenlos) ihre korrektur Signale per Funk im RTCM Format ausstrahlen.Weiterhin gibt es auch Stationen die ihre korrektur Signale überKommunikations-Satell iten versenden. Diese Dienste sind meist Kostenlos. Manmuss sich hierbei jedoch fragen ob die erhöhte Genauigkeit weiterhin gegebenist, denn die Basisstation kann unter Umständen viel zu weit entfernt sein undsomit auch andere Satell iten empfangen. Dadurch wäre das korrektur Signalnutzlos.Bei Systemen die mit hoher Genauigkeit arbeiten werden eigene DGPSStationen aufgebaut. Meist handelt es sich hierbei um temporäre Anlagen dienach ihrer Verwendung wieder sti l lgelegt werden. Der Aufbau einer solchenStation bedeutet einigen Aufwand. So muss man (je nach verlangterGenauigkeit) die Station frühzeitig aufbauen um einen ausreichenden Zeitraumzur exakten Positionsbestimmung zur Verfügung zu haben. Dies erreicht mandurch Langzeitmessungen (evtl . mit DGPS Daten von obigen Stationen) undbilden des Mittelwerts. Dann müßen die Daten entsprechend per Funk versendetwerden. Hier bietet es sich an ebenfalls das RTCM Format zu verwenden, daviele Empfänger dafür schon ausgerüstet sind. So spart man auf dem BordRechner einiges an Rechenaufwand für die Positionsbestimmung. Gerade inSystemen die in Echtzeit reagieren müßen ist dieses vorgehen zu empfehlen.Eine weitere Verbesserung kann man erreichen wenn man in beidenEmpfangseinheiten GPS Empfänger verwendet die in der Lage sind das CarrierPhase Measurement zu verwenden (siehe auch Falcom GPS board).Mit einem derartigen Aufbau läßt sich die Position relativ zur Basisstation aufeinige cm genau bestimmen.





INS (Integrated Navigation System)

Position relativ zum Startpunkt Primär: Beschleunigungs Messung

(Gyroscope) Evtl. auch Kompass und andere Sensoren

Mit einem INS läßt sich die relative Postition eines Fahrzeugs fürkurze Zeit ziemlich genau bestimmen. Es werden zu jedem Zeitpunktdie Beschleunigung gemessen und daraus die aktuelle Positionrelativ zur Startposition bestimmt. Leider nimmt die Genauigkeit mitder Zeit ab.Die Beschleunigungsdaten kann man mit sehr hoher Abtastfrequenzan den Kontroll Rechner schicken. Selbst bei günstigen INS liegtdiese bei ca. 100Hz.





Exkurs: Gyroskop

Beschleunigungs Sensor Empfindlichkeit bis zu 0.1 g

http://www.analog.com





DGPS/INS

ExaktePositionsbestimmung

RTK Aufbau z.T. aufwendig

Bei Echtzeit Positionsbestimmung kommen DGPS mit INSUnterstützung zum Einsatz. Ist extrem hohe Genauigkeit (cm Bereich)gewünscht kommt ein Carrier Phase Differential GPS zum Einsatz.Die Referenzstation befindet sich selten weiter als 20-50 km weitentfernt und die Empfänger beider Stationen sind in der Lage dierelativ Entfernungen mit dem Carrier Phase Verfahren zu bestimmen.Meist liefern die onboard GPS Empfänger die genauen Positionenmit nur 1Hz. Die Zwischenzeit wird mit INS überbrückt.Ein wichtiger Punkt hierbei ist die Position der IMU (IntegratetMeasurement Unit - sozusagen der Meßkopf des INS) im Verhältniszur GPS Antenne. Im obigen Bild sind 5 GPS Antennen zu sehen. Die4 an den Ecken dienen zur exakten Bestimmung der Höhe überMittelwertbildung. Die GPS Antenne im Zentrum dient derPositionsbestimmung. Die Position der Funk Antenne (Radioreceiver) ist egal, diese spielt für die Positionsbestimmung keineRolle. Die IMU ist jedoch mit bedacht zu Positionieren. Ideal wärewenn das Zentrum der IMU mit dem elektrischen Zentrum derAntenne übereinstimmen würde, aus technischer Sicht ist dasnatürlich nicht möglich.





DGPS/INS (2)

Links sieht man eine Schematische Darstellung der DGPS/INSkonfiguration. Die Antennen 2-4 s ind Hauptsächlich für dieHöhenbestimmung zuständig. Die IMU und die GPS Antenne 1sollten möglichst nah zusammen stehen. Mit der Antenne 1 wird mitmöglichst hoher Genauigkeit die Position zu einem bestimmtenZeitpunkt bestimmt, das INS wertet die Daten der IMU aus und gibteine gute Näherung der Antennenposition zwischen zwei GPSMeßpunkten.Auf der rechten Seite sieht man eine reale Umsetzung diesesPlanes. Die Fahrtrichtung ist in Richtung der Antenne 3, die IMUwurde hier rechts neben der Positionsantenne 1 plaziert, in einemAbstand von 0.3 Metern. Dadurch ist es möglich die Bewegung undsomit die Position der Antenne zu jedem Zeitpunkt zu bestimmen.Der Hebelarm ist kurz genug so das der Fehlereffekt möglichst kleinist.



Aktuelle GPS Module





FALCOM J10 Serie

GPS Modul Genauigkeit:

– GPS: 10 m ohne S/A <5m mit SBAS (Satellite Based Augmentation System)

– DGPS: 1 - 5 m

http://www.falcom.com

FALCOM bietet verschieden Module mit unterschiedlichenCharakteristik an. Diese Module eigenen sich hervorragend füreigene Entwicklungen.





RT3000 von Oxford technicalSolution

Fertig Modul zur Fahrzeugnavigation Integriertes INS Genauigkeit

– GPS: 1.8 m– DGPS: 0.4 m

Wie wurde das realisiert? Keine weiteren Angaben

http://www.oxts.cs.uk

Mit Modulen dieser Art werden die (mittlerweile) alltäglichenFahrzeugnavigationssysteme unterstützt. Wobei dieGenauigkeitsangaben hier m.E. sehr optimistisch sind.





THALES AC12

GPS mit Carrier Phase Capability Genauigkeiten (95%):

– GPS: 3 - 5 m– DGPS: 1.5 m– CDGPS: 3 mm

http://www.thales.com

Die Firma Thales gehört zu den führenden Rüstungsunternehmen.Sie stehen im ruf hochpräzise Geräte zu produzieren und habendarin langjährige Erfahrung.



Vielen Dank!

Fragen?

Literatur[1] Meine Studium Homepage, http://www.lambda.de.vu[2] B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger and J. Collins GPS - Theory and practice, fifth revised edition,Springer Verlag ISBN 3-211-83534-2[3] Karl H. Ilg, GPS - Neue Möglichkeiten füur das Funkhobby, vth-Fachbuch, ISBN: 3-88180-359-9[4] Wikipedia Homepage, http://www.wikipedia.org kurze Einführung zu GPS.[5] Hauptseite zu RTCM 2.0 http://www.rtcm.org hier ist es möglich die Referenz zu RTCM 2.0 zu bestellen(derzeit: ca. USD 50,-)[6] Alonzo Kelly, Introduction to Mobile Robots, Position Estimation 5, erhältlich unter http://www.frc.ri.cmu.edu/Ealonzo/course/course.html[7] Sinpyo Hong, Man Hyung Lee, Sun Hong Kwon and Ho Hwan Chun A Car Test for the Estimation of GPS/INSAlignment Errors, IEEE transactions on intelligent transportation systems, Vol. 5 No. 3, September 2004[8] Jay Farrell and Tony Givargis Differential GPS Reference Station Algorithm - Design and Analysis, IEEEtransactions on control systems technology, Vol 8, No.3, May 2000[9] Jay A. Farrell, Tony D. Givargsi and Matthew J. Barth Real-Time Differential Carrier Phase GPS-Aided INS,IEEE transactions on control systems technology, Vol 8, No.4, July 2000[10] Mitel Semiconductor, Designer’s Guide to GPS Chipset GP2000 http://www.mitel.com[11] Advanced Highway Maintenance and Construction Technology Wirreless Network Sends Real-TimeKinematic GPS Differential Signals Enabling New Applications, AHMCT, Mechanical and AeronauticalEngineering, University of California, Davis, CA95616, http://www.ahmct.ucdavis.edu[12] Wavecom, http://www.wavecom.com[13] Falcom, http://www.falcom.de[14] Garmin, http://www.garmin.com[15] u-blox AG, http://www.u-blox.com[16] Thales Fund Management LLC, http://www.thales.com, Hochpräzise CDGPS Empfänger[17] Analog Devices, http://www.analog.com Accelerometers and Gyroscopes

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