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SBAS durch EGNOS and RTCM description

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2024-06-01 01:22:49 +02:00
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"Encodern",
"Encoderscheibe",
"Espressif",
040_grundlagen.tex
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Da die Genauigkeit von GNSS lediglich einige Meter beträgt, wurden verfahren Entwickelt, um die Positionsbestimmung zu optimieren. Ein Prinzip ist dabei das \textbf{Differenzielle}-GNSS, dabei gibt es immer eine ortsfeste Referenzstation oder ein Netz dieser und den GNSS-Empfänger im Feldeinsatz (Rover). Zusätzlich muss eine Verbindung zwischen diesen beiden Empfängern bestehen. Über diese Verbindung werden Code"=Beobachtungskorrekturen von der Referenzstation an den Rover übermittelt. Diese Korrekturen ermöglichen es den Fehler der Positionsbestimmung in Echtzeit auf bis zu \(1m\) zu reduzieren. \cite[vgl.][S. 248]{Bauer2018}
\subsubsection{RTK}
\textbf{R}eal \textbf{T}ime \textbf{K}inematic bezeichnet ebenfalls eine DGNSS-Methode, im gegensatz zu der zuvor beschriebenen sind mit RTK Echtzeitpositionierungen im einstelligen \(cm\)-Bereich möglich. Die zusätzlich gewonnene Genauigkeit kommt bei diesem Verfahren durch die Erhebung von Phasendaten zustande. Die Verwendung der Phasendaten ist aufwendiger als die Code-Daten dafür aber auch genauer. Außerdem werden typischerweise Zweifrequenzen-Phasendaten erzeugt, damit schneller eine Mehrdeutigkeitslösung gefunden werden kann. Der Rover muss dementsprechend die gleichen Frequenzen empfangen können um die Korrekturdaten anwenden zu können. Die Daten werden im Sekundentakt an den Rover übermittelt.
\label{sssec:rtkDescription}
\textbf{R}eal \textbf{T}ime \textbf{K}inematic bezeichnet ebenfalls eine DGNSS-Methode, im gegensatz zu der zuvor beschriebenen sind mit RTK Echtzeitpositionierungen im einstelligen \(cm\)-Bereich möglich. Die zusätzlich gewonnene Genauigkeit kommt laut Bauer\cite[249]{Bauer2018} bei diesem Verfahren durch die Erhebung von Phasendaten zustande. Die Verwendung der Phasendaten ist aufwendiger als die Code-Daten dafür aber auch genauer. Außerdem werden typischerweise Zweifrequenzen-Phasendaten erzeugt, damit schneller eine Mehrdeutigkeitslösung gefunden werden kann. Der Rover muss dementsprechend die gleichen Frequenzen empfangen können um die Korrekturdaten anwenden zu können. Die Daten werden im Sekundentakt an den Rover übermittelt.
\subsubsection{RTCM}
\subsubsection{SBAS}
\subsubsection{SBAS durch EGNOS}
Die sogenannten \textbf{S}atellite-\textbf{B}ased \textbf{A}ugmentation \textbf{S}ystem stellen Erweiterungen zu den GNSS Diensten dar um beispielsweise die Genauigkeit zu erhöhen. Ein großer Nutzeranteil wird durch die Luftfahrt gestellt um Landungen zu vereinfachen.
\par
Bei SBAS handelt es sich um geostationäre Satelliten. Diese Art von Satelliten stehen für einen Beobachter auf der Erde fest am Horizont, daher kann mit dieser Art von Satelliten nur ein gewähltes Gebiet mit Informationen versorgt werden. Dadurch gibt es mehrere dieser Systeme, im folgenden wird kurz das in Europa betriebene EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) beschrieben.
\par
Mit Messstationen werden im Sekunden Takt Rohdaten unterschiedlicher GNSS und die Entfernung zu den EGNOS-Satelliten gesammelt. Die gesammelten Daten werden von mehreren Mission Control Center (MMC) verarbeitet um daraus DGNSS-Nachrichten zu formulieren. Die Nachricht enthält unter anderem Korrekturen für die Satellitenuhren, Korrekturen der Umlaufbahnen und Werte zur Berechnung der ionosphärischen Einflüsse. Diese Nachricht wird dann die Satelliten weiter gegeben, welche diese dann wiederrum über das L1-Band senden und damit GNSS-Empfängern in Reichweite zur Verfügung stellen. Mit Anwendung der verschickten Korrekturdaten kann eine Positionsbestimmung mit \(1m\) Genauigkeit erzielt werden.\cite[vgl.][S. 393ff]{Bauer2018}
\subsection{RINEX}
s. 502 - Das ist doch das für Übertragung an PostProcessing in Canada?
\subsection{RTCM}
RTCM ist ein Standard zur Echtzeitübertragung von Daten zwischen GNSS-Empfängern. Dieses Format wurde zunächst in 1985 von der namensgebenden Organisation \textbf{R}adio \textbf{T}echnical \textbf{C}ommission for \textbf{M}aritime Services veröffentlicht. Aktuell ist die Version 2.3 aus dem Jahr 2001 noch stark verbreitet, welche sich stark an den Nachrichtenstruktur von GPS orientiert. Mit jeder neuen Version wurden Möglichkeiten geschaffen um weitere Daten übertragen zu können. Um das in Abschnitt \ref{sssec:rtkDescription} beschrieben RTK anwenden zu können empfiehlt sich die Version 3 des Formats. Insbesondere die Version 3.2 und 3.3 eigenen sich besonders gut, da ab diesen Versionen auch die neueren GNSS mit einbezogen werden können und diese Versionen Raum für Erweiterungen lassen.\cite[vgl.][S. 249ff]{Bauer2018}
\par
RTCM bietet noch weitere Funktionen wie eine Netzwerkkomponente, für diese Arbeit sind jedoch lediglich die Übertragungen der Code- und Phasenkorrekturen von Bedeutung, da die Übertragung der RTCM-Nachrichten mit dem NTRIP umgesetzt wird, siehe Abschnitt \ref{ssec:ntripDescription}. Nachfolgenden wird die Tabelle \ref{tab:rtcmMsg} dargestellt, welche die in dieser Arbeit Anwendung findenden Nachrichten Typen beschreibt.\cite[vgl.][S. 113f]{Ogaja}
\begin{table}[h]
\centering
\begin{tabular}{|l|l|}
\hline
\textbf{RTCM 3 Msg-Nr.} & \textbf{Inhalt} \\ \hline
1005 & Koordinaten der Referenzstation \\ \hline
1006 & Koordinaten der Refernzstation und Antennenhöhe \\ \hline
1074 & GPS MSM4 \\ \hline
1084 & GLONASS MSM4 \\ \hline
1094 & Galileo MSM4 \\ \hline
1124 & BeiDou MSM4 \\ \hline
1230 & GLONASS L1 und L2 Code-Phase Biases \\ \hline
\end{tabular}
\caption{Auszug von Ethernet Übertragungsstandards nach IEEE 802.3}
\label{tab:rtcmMsg}
\end{table}
MSM ist Akronym für Multiple Signal Messages und ist aufgeteilt in sieben Nachrichtentypen, wobei mit aufsteigender Nummer mehr Informationen übertragen werden. Die in Tabelle \ref{tab:rtcmMsg} bezeichnete MSM4 enthält die Pseudorange, Phaserange und CNR (Carrier to Noise Ratio). \cite[vgl.][114]{Ogaja}
\subsection{NTRIP}
\label{ssec:ntripDescription}
\subsection{WLAN}
Das Akronym WLAN wird ausgeschrieben zu \textbf{W}ireless \textbf{L}ocal \textbf{A}rea \textbf{N}etwork. Dabei handelt es sich um drahtlose lokal begrenzte Netzwerke, welche dafür vorgesehen sind mobile Endgeräte direkt oder über eine Vermittlungsstelle, wie einem Router, miteinander oder anderen Netzwerken zu verbinden. Diese Art von Netzwerken werden am häufigsten durch den IEEE 802.11 Standard \cite{WLAN} realisiert.
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\par
Die verschieden Korrekturen und Erweiterungen des Standard dienen im allgemeinen dazu eines oder mehrere der folgenden Kriterien zu verbessern: Geschwindigkeit, Reichweite, Zuverlässigkeit und Effizienz. Die Fortsetzungen wurden beginnend mit dem Buchstaben 'a' begonnen, nachdem das Alphabet vollständig genutzt wurde, werden nun zwei Buchstaben genutzt. Es handelt sich dabei um ein Zahlensystem zur Basis 26. In der Tabelle \ref{tab:wlan} sind einige wichtigere oder bekanntere Erweiterungen des Standards aufgeführt.
\begin{table}[]
\begin{table}[h]
\centering
\begin{tabular}{|l|c|c|c|}
\hline
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\par
Die Tabelle \ref{tab:ethernet} zeigt einige Übertragungsstandards von Ethernet, dabei wurde unter anderem die Übertragungsmöglichkeiten über Coaxialkabel aus den Anfängen von Ethernet ausgelassen.
\begin{table}[]
\begin{table}[h]
\centering
\begin{tabular}{|l|c|c|r|}
\hline
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\subsection{USBIP}
\section{Hardware}
In diesem Abschnitt wird zunächst die allgemeine Funktionalität von GNSS-Hardware allgemein und speziell der aktuell auf dem Rover verbauten erklärt. Darauf folgt die Funktionsbeschreibung von PoE-Hardware die zur späteren Anbindung der RTK-Basissation benötigt wird. In dem Abschnitt \ref{sec:PoE-Hardware} wird auf die konkret verwendete PoE-Hardware eingeangen, während Abschnitt \ref{sec:GNSS-Hardware} die Auswahl der GNSS-Hardware für die Basissation beschreibt.
In diesem Abschnitt wird zunächst die allgemeine Funktionalität von GNSS-Hardware allgemein und speziell der aktuell auf dem Rover verbauten erklärt. Darauf folgt die Funktionsbeschreibung von PoE-Hardware die zur späteren Anbindung der RTK-Basissation benötigt wird. In dem Abschnitt \ref{sec:PoE-Hardware} wird auf die konkret verwendete PoE-Hardware eingegangen, während Abschnitt \ref{sec:GNSS-Hardware} die Auswahl der GNSS-Hardware für die Basissation beschreibt.
\subsection{GNSS-Modul}
Auf dem Markt sind eine vielzahl von GNSS-Modulen erhältlich. Dessen allgemeine Aufgabe es immer ist die Position auf der Erde durch die über eine Antenne Empfangen Signale zu bestimmen. Die erhältlichen Module unterscheiden sich hauptsächlich in der Genauigkeit und der verfügbaren Features. Die günstigsten Module bieten keine Möglichkeit die Rohdaten auszugeben oder Korrekturdaten einzuspeisen, weshalb sich weder extern und intern Fehlerkorrekturen anwenden lassen und somit die Genauigkeit im 10 Meter Bereich liegt. Bei professionelleren Modulen kann beides möglich sein, wodurch sich Positionsbestimmungen im niedrigen Centimeter Bereich realisieren lassen.
\par
Literatur.bib
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View File
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subtitle = {Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) undandere satellitengestützte Navigationssysteme},
}
@Book{Ogaja,
author = {Dr. Clement A. Ogaja},
date = {2022-05-24},
title = {Introduction to GNSS Geodesy},
doi = {https://doi.org/10.1007/978-3-030-91821-7},
edition = {1},
isbn = {978-3-030-91821-7},
language = {Englisch},
publisher = {Springer Cham},
subtitle = {Foundations of Precise Positioning Using Global Navigation Satellite Systems},
}
@Comment{jabref-meta: databaseType:biblatex;}