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\chapter{Grundlagen}
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Dieses Kapitel startet mit der Beschreibung des vorhandenen Fahrzeugs, dem Rover, anhand der darüber verfassten Projektarbeit. Dabei ist die Systemarchitektur und die vorhandene Schnittstellen von besonderer Relevanz, da diese genutzt werden müssen, um die nötigen Implementierungen für diese Arbeit ausführen zu können. Im weiteren Verlauf des Kapitels werden die notwendigen Protokolle erläutert. In diesem Abschnitt wird besonderes auf die Erläuterung der Funktionsweise von GNSS und den Möglichkeiten für Korrekturen der Positionsdaten eingegangen. Darauf folgt eine Beschreibung der Funktionen von Hardwarekomponenten. Geschlossen wird das Kapitel mit der Erläuterung von benötigter und verwendeter Software.
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\section{Rover}
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\label{sec:rover}
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Dieser Abschnitt beschreibt das in der zugrundeliegenden Projektarbeit \cite{Klein2023} erstellte Gesamtsystems des Rovers für diese Arbeit.
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Der Rover wird durch einen 3-Zellen Lithium-Ionen-Akkumulator mit Strom versorgt, dabei wird der Motortreiber und somit auch die beiden Motoren für den Skid-Antrieb mit der anliegenden Spannung des Akkus von nominal \(11,1V\) versorgt. Der Akkumulator und der Motortreiber befinden sich nebeneinander auf der Unterseite des Hauptträgers der Komponenten, auf dem Bild \ref{fig:rover} das blaue Plastik. Je einer der beiden Motoren treibt eine der Fahrzeugseiten an, diese bestehen aus jeweils drei Rädern welche alle über einen Riemen mit der Ausgangswelle des Getriebes zur Untersetzung verbunden sind. An der dieser Ausgangswelle befindet sich ein Encoder-Rad welches durch eine einfache Gabellichtschranke ausgelesen wird, dafür wird der in Hardware implementierte Pulsecounter des verbauten Prozessors verwendet.
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Die restlichen Komponenten werden mit \(5V\) versorgt, die \(5V\) werden über einen Spannungsregler mit einem maximalen dauerhaften Ausgangsstrom von \(1A\) bereitgestellt. Der Spannungsregler befindet sich auf der Hauptplatine, welche wiederrum auf der oberseite des Hauptträgers zentral verbaut ist. Diese Platine verbindet alle Komponenten mit dem auf einem aufgesteckten Entwicklungsboard verbauten ESP32 Prozessor. Der ESP32 stellt verschiedene Schnittstellen über die GPIO (General Purpose Input Output) Pins zur Verfügung, davon werden für den Rover die Bussysteme I2C und SPI, ein ADC Kanal (Analog Digital Converter) und PWM (Pulsweitenmodulation) genutzt. Weitere Kommunikation findet auf dem drahtlosen Weg statt, dafür wird das WiFi-Modul genutzt, mit diesem kann eine Verbindung zum einem \(2,4GHz\) WLAN aufgebaut werden und es wird mit dem Protokoll ESPNow über das selbe Frequenzband eine Verbindung zu der Fernbedienung hergestellt. Zur Verwaltung des Funkmoduls und der Bewältigung anderen Aufgaben, welche an den Prozessor gestellt werden, verfügt dieser über zwei Xtensa 32bit LX6 Kerne, welche mit bis zu \(240MHz\) takten. Als SRAM stehen 540 KB bereit und der Flash-Speicher für die Software ist 4 Megabyte groß.
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Mit auf der Hauptplatine befindet sich das ebenfalls aufgesteckte Entwicklungsboard von Sparkfun. Das Board nutzt den SPI-Bus um die Kommunikation zwischen dem ESP32 und dem ZED-F9K herzustellen. Bei dem ZED-F9K handelt es sich um einen hochpräziser multi-band GNSS Receiver, welcher die Signale von allen öffentlichen Satelliten gestützten Navigationssystemen verarbeiten kann. Zusätzlich können Korrekturdaten verarbeitet werden mit welchen die Genauigkeit der Positionsbestimmung auf den Bereich einstelliger Centimeter erhöht wird. Auf der Platine befindet sich eine SMA-Buchse mit welcher die GNSS-Antenne verbunden ist. Die Antenne befindet sich am Heck des Rovers auf dem grünen T-Träger.
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Der I2C-Bus wird benutzt um den letzten Sensor und ein Display anzubinden. Bei dem Sensor handelt es sich um einen Kompass, welcher möglichst weit entfernt von anderen Komponenten sein sollte und deshalb auf dem Mast der neben dem Display nach oben ragt montiert ist und die aktuelle Himmelsrichtung bei richtiger Kalibrierung auf \(2^{\circ}\) genau angeben kann. Bei dem Display auf dem Querbalken handelt es sich um ein 16 x 2 Zeichen LCD, dieses wird von einem I2C-Seriell Adapterinterface betrieben.
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Zu dem Rover gehört eine Fernbedienung, welche über sieben Tasten und einem Joystick als Eingabemöglichkeit verfügt. Vier Tasten bilden ein Steuerkreuz, um das navigieren im Menü zu ermöglichen. Zwei Weitere Tasten werden zum bestätigen und ablehnen genutzt. Die letzte Taste wird als Action-Button bezeichnet und wird betätigt, wenn der Joystick gedrückt wird. Die Taste ist für spezielle Aktionen der verschiedenen Betriebsmodi des Rovers vorgesehen. An der Fernbedienung wurde ebenfalls das zuvor genannte LCD verbaut, dieses spiegelt das Display am Rover. Die Fernbedienung wird ebenfalls von einem ESP32 gesteuert, dieser stellt die Kommunikation über das genannte ESPNow Protokoll zu dem Rover her. Um die Fernbedienung mit Energie zu versorgen wird eine Powerbank benötigt an der das heraushängende USB-Kabel vom Typ A angeschlossen werden kann.
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Die vorhandene Software für den Rover ist Objektorientiert und Modular aufgebaut. Zusätzlich ist der Programmcode für die Benutzeroberfläche von dem restlichen Code getrennt. Die Struktur des Codes wird wesentlich durch zwei Interfaces bestimmt. Das erste wird als 'Component' bezeichnet und muss implementiert werden um eigenständige wiederkehrende Aufgaben zu implementieren. Das zweite Interface mit dem Namen 'DriveModi' definiert welche Mindestanforderungen an einen Betriebsmodus des Rovers gestellt werden und stellt die Komponenten für die Benutzereingaben, die Sensorverwaltung und die Bewegungsreglung zur Nutzung im Betriebsmodus bereit. Andere Komponenten überwachen den Akku, steuern das Display, verwalten die Benutzeroberfläche, überwachen Benutzereingaben oder verarbeiten Sensordaten.
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\section{Protokolle}
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Dieser Abschnitt beschreibt die verschiedenen Protokolle, welche von unterschiedlichen Teilsystemen genutzt werden um die Funktionalität des Gesamtsystems zu ermöglichen.
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\subsection{GNSS}
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GNSS ist das Akronym für \textbf{G}lobal \textbf{N}avigation \textbf{S}atellite \textbf{S}ystem. Inzwischen gibt es mehrere dieser Systeme deren Hauptzweck die Positionsbestimmung auf dem gesamten Globus und auch darüber ist. In der Tabelle \ref{tab:sats} sind diese aufgelistet. Die Positionsbestimmung wird unter anderem für die Navigation in allen Bereichen, zur Vermessung und Zeitmessung verwendet. Ein anderer Anwendungsfall liegt in der Landwirtschaft, mit Hilfe von Korrekturdaten wird die Positionsbestimmung ausreichend genau, um Traktoren im Feld eine exakt gerade Linie fahren zu lassen, damit der laufende landwirtschaftliche Prozess optimal ausgeführt werden kann.
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\begin{table}[ht]
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\centering
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\begin{tabular}{|l|l|c|c|}
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\textbf{Name} & \textbf{Betreiber} & \textbf{Verfügbar seit} & \textbf{Anzahl Satelliten} \\
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NAVSTAR GPS & USA & 1995 & 24 \\
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GLONASS & Russische Föderation & 1993 & 24 \\
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Galileo & Europäische Union & 2020 & 28 \\
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Beidou & China & 2011 & 35 \\
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\end{tabular}
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\caption{Satelliten zur Positionsbestimmung \cite{Klein2023}}
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\label{tab:sats}
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\end{table}
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\subsubsection{Allgemeine Funktionsweise}
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Bauer \cite[S. 67ff]{Bauer2018} beschreibt, dass mindestens die Sicht auf vier Satelliten gegeben sein muss um die eigene Position bestimmen zu können Die Verbindung zwischen den Satelliten und dem Empfänger ist einseitig, deshalb stehen dem GNSS-Empfänger nur die Informationen zur Verfügung die mit Signal übertragen werden können. Eine dieser Informationen ist die zwingend benötigte Position des Satelliten, welche aus den übermittelten Bahndaten errechnet wird.
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Die Position des GNSS-Nutzers wird durch die Berechnung der Signallaufzeiten von dem Satelliten zu dem Empfänger errechnet. Alle Satelliten senden in einem festgelegten und synchronisierten Interval ihr Signal. Der Empfänger besitzt aufgrund der Systemarchitektur Informationen darüber wie das Signal erzeugt wird und erzeugt intern ebenfalls ein Signal. Die Zeitdifferenz \(\Delta t_i\) wird für jedes ankommendes Signal zu dem erzeugten Signal gemessen. Durch die sehr präzisen Atomuhren in den Satelliten können diese bis auf einen Fehler im niedrigen Nanosekundenbereich den Interval einhalten, allerdings ist dies nicht für den Empfänger möglich, da weder eine ähnlich genaue Uhr zur Verfügung steht noch die vorhandene Uhr mit dem GNSS synchronisiert ist. Deshalb muss von dem gemessenen \(\Delta t_i\) die Uhrzeitdifferenz \(\Delta t\) zwischen dem Empfängers und dem GNSS subtrahiert werden. Für die Berechnung der Strecke wird außerdem die Ausbreitungsgeschwindigkeit \(v\) des Signals benötigt. Im Vakuum beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit für die genutzten Mikrowellen annähernd Lichtgeschwindigkeit. !!!Nochmal lesen ob das so ist mit v = c!!! Da es sich bei der Erdatmosphäre um keine Vakuum handelt und auch nicht um ein anderes konstantes Medium, muss die Ausbreitungsgeschwindigkeit ebenfalls ermittelt werden.
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Die Berechnung einer Position im Raum enthält die drei unbekannten für die X-, Y- und Z-Koordinate in einem kartesischen Koordinatensystem. Hinzu kommt die unbekannte Uhrzeitdifferenz \(\Delta t\). Daher ergibt sich die Mindestanforderung von vier Sichtbaren Satelliten, um für jede der unbekannten Variablen eine Gleichung aufstellen zu können. Bauer gibt folgende \cite[Gleichung 1.24]{Bauer2018} zur Ortsbestimmung an: !!!Formel verstehen!!!
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\begin{eqnarray}
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(\Delta T_i \cdot v + \Delta t \cdot v)^2 = (X_i - X_E)^2 + (Y_i - Y_E)^2 + (Z_i - Z_E)^2;i = 1,2,3,4
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\end{eqnarray}
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Dabei steht \({Koordinate_E}\) für die unbekannte Empfänger Position und \({Koordinate_i}\) für die bekannte Position des Satelliten. Auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit \(v\) wird gleich noch eingegangen. Hergeleitet wurde die Formel aus dem räumlichen Pythagoras.
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\subsubsection{Signallaufzeit}
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Grundsätzlich breiten sich elektromagnetische Wellen jeder Frequenz im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit \(c\) aus. Jedes Medium vermindert diese Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeitsabnahme hängt von dem Medium ab. Im Kontext von GNSS handelt es sich bei den Medien um die Schichten der Erdatmosphäre. Von Bauer \cite[S. 116ff]{Bauer2018} wird erläutert, dass die Lichtgeschwindigkeit \(c\) mit dem Brechungsindex \(n\) des jeweiligen Mediums multipliziert werden muss um die passende Geschwindigkeit bei den Berechnungen zu nutzen. Er definiert den Brechungsindex wie folgt:
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\begin{eqnarray}
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n = \frac{c}{v} = \frac{[Geschwindigkeit \: des \: Signals \: im \: Vakuum]}{[Geschwindigkeit \: des \: Signals \: im \: Medium]}
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\end{eqnarray}
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Für die Signallaufzeit wird zunächst der ionisierte Teil der Erdatmosphäre betrachtet. Die Änderung der Signallaufzeit wird auch Refraktion genannt. Die Ionosphäre beginnt ungefähr bei \(50km\) und endet bei \(1000km\) über der Erdoberfläche. Das Signal wird durch die freie Elektronen beeinflusst. Die Anzahl der freien Elektronen wird mit der Elektronendichte \(N_e\) angegeben, diese variiert nach Tages- und Jahreszeit, sowie nach verschieden Schichten in der Ionosphäre. In dem Kapitel \glqq{}Ionosphärische Refraktion\grqq{} \cite[S. 123f]{Bauer2018} zeigt Bauer die Herleitung für folgende Formel:
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\begin{eqnarray}
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n_{PH} = 1 - \frac{40,3 \cdot N_e}{f^2}
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\label{eq:brechungsindexIonosphäre}
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\end{eqnarray}
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Diese Gleichung zeigt, dass der Brechungsindex für die Phasengeschwindigkeit von der Elektronendichte \(N_e\) und der Frequenz \(f\) des Senders bestimmt wird. Aufgrund der unstetigen Elektronendichte in der Ionosphäre gibt es beispielsweise das \textbf{Klobuchar-Modell} \cite[128]{Bauer2018}, welches stetig an den Tag und die Sonnenaktivität angepasst wird und von den Satelliten an die Empfänger publiziert wird. Mit diesem Modell können \(50\%\) der ionosphärischen Laufzeitfehler korrigiert werden.
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Eine aufwendigere und genauere Alternative bietet die Zweifrequenzkorrektur, aufgrund der Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Frequenz kann durch die Messung von zwei unterschiedlichen Frequenzen, im Fall von GNSS meist im L1 und L5 Band, auf die Refraktion in der Ionosphäre geschlossen werden.
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Sobald die Signale die Ionosphäre durchquert haben, treffen diese erst auf Stratosphäre und anschließend auf die Troposphäre, in welcher sich typischerweise der Empfänger befindet. In der Strato- und Troposphäre wird das Signal hauptsächlich durch die Zusammensetzung der Gase, dem Luftdruck und der Temperatur in diesen Schichten beeinflusst. Diese Zusammensetzung ist allerdings über den Planeten verteilt relativ homogen, weshalb dieser Fehler gut kalkuliert werden kann. In Troposphäre stellt die Luftfeuchtigkeit ein zusätzliches Hindernis für den Signallaufweg dar. Dieser Fehler ist Orts- und Zeitabhängig und deshalb schwerer zu modellieren. Es gibt mehrere Modelle zur Berechnung des aktuell wirkenden einflusses, hier zu nennen wären das Modell von Hopfield und das Modell von Saastamoinen, wie von Bauer \cite[131]{Bauer2018} beschrieben.
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\subsubsection{Andere Fehlerquellen}
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In der folgenden List werden mögliche Fehlerquellen dargestellt, welche eine Positionsbestimmung behindern können:
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\begin{itemize}
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\item \textbf{Mehrwegeausbreitung} beschreibt den Umstand, dass die Antenne das Signal des Satelliten auf mindesten zwei Wegen empfängt. Der erste Weg ist der direkte vom Satelliten zu dem Empfänger, der so auch gewünscht ist. Die anderen Wege stammen von Reflexionen des Signals. Die unerwünschten Reflexionen können meist dadurch erkannte werden, dass die Dämpfung des Signals deutlich höher als die des direkt empfangenen Signals ist.
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\item \textbf{Signalbeugung} beschreibt den Empfang eines Signals von einem Satelliten, welcher durch ein Hindernis abgeschattet ist. Das ist möglich weil ein Signal, welches zum Beispiel auf eine Gebäudekante trifft abgelenkt (gebeugt) wird. Wenn ein Satelliten von dem Empfänger schon beobachtet wird, kann dieser Fehler erkannt werden, weil die Signaldämpfung unvorhergesehen zunimmt.
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\item \textbf{Aktive Störung} können bei GNSS mit wenig Aufwand herbeigeführt werden. Bauer beschreibt \cite[169]{Bauer2018}, dass die Signalstärke von GNSS bei lediglich \(-160dBW\) liegt, was umgerechnet \(1 \cdot 10^{-16}W\) entspricht. Deshalb ist es möglich mit geringen Sendeleistungen von wenigen \(W\) bereits Bereich mit mehreren \(10km\) zu stören.
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\end{itemize}
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\subsubsection{Aufbau}
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Bauer beschreibt in dem Kapitel "Die Systemkomponenten" \cite[S. 201ff]{Bauer2018} von GNSS. Diese werden in drei Kategorien aufgeteilt:
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\setlist{noitemsep}
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\begin{itemize}
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\item Weltraumsegment,
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\item Bodensegment,
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\item Nutzersegment.
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\end{itemize}
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\setlist{}
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Das Weltraumsegment besteht aus den GNSS-Satelliten. Ein Empfänger an einem beliebigen Ort auf Erde muss immer 4 Satelliten sehen können um eine Ortung durchführen zu können. Dementsprechend wurden die Satellitenumlaufbahnen von den verschiedenen Systembetreibern gewählt. Im Falle von GPS sind es 24 Satelliten, welche auf 6 Bahnebenen aufgeteilt sind. Ein Satellit wird über Sonnenpaddel mit Strom versorgt. In dem Satelliten befindet sich unter anderem die hochgenaue Atomuhr. An Hülle befindet sich eine Sendevorrichtung für das GNSS-Signal und eine Kommunikationsvorrichtung um mit Bodensegment kommunizieren zu können. Viele Systeme sind in den Satelliten redundant ausgelegt um die Lebenserwartung zu erhöhen, diese liegt bei moderne Satelliten bei 15 Jahren. Die Satelliten der unterschiedlichen Generationen und Systeme sehen unterschiedlich aus, als Beispiel siehe Abbildung \ref{fig:satellite}
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\begin{figure}[h]
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\includegraphics[width=\linewidth]{img/satellite.jpg}
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\caption{Modell eines Satelliten von dem GNSS Galileo \protect\footnote[1]{This file comes from Science Museum Collections, a website operated by Science Museum Group, a non-departmental public body in the UK. This tag does not indicate the copyright status of the attached work. A normal copyright tag is still required. See Commons:Licensing. (\url{https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Galileo_satellite_model.jpg}), \url{https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode}}}
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\label{fig:satellite}
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\end{figure}
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Das Bodensegment hat die Aufgabe die Satelliten mit den aktuellen Information zu versorgen, welche über die Satelliten an die Nutzer weitergegeben werden. Für diese Aufgabe werden mehrere Stationen genutzt:
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\begin{itemize}
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\item \textbf{Überwachungsstationen} messen die Daten der GNSS-Satelliten und übermitteln diese an die Zentralstation.
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\item In der \textbf{Zentralstation} werden die Daten verarbeitet. Aus diesen Daten werden die aktuellen Bahndaten mit einer Genauigkeit von 1 bis 2m der einzelnen Satelliten bestimmt. Die Ergebnisse werden der Sendestation übergeben.
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\item Die \textbf{Sendestationen} übermitteln die Ergebnisse an die Satelliten.
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\end{itemize}
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Das Nutzersegment wird durch die GNSS-Empfänger gebildet.
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\subsection{SBAS}
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\subsection{RTK oder RTCM}
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\subsection{NTRIP}
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\subsection{WLAN}
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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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Der genannte Standard wurde erstmals 1997 veröffentlicht und wird seit dem immer wieder dem aktuellen Anforderungen angepasst. Zunächst wurde die Physikalische Ebene in dem \( 2,4 GHz\) Frequenzband definiert. In der ersten Erweiterung (IEEE 802.11a) von 1999 wurde das \(5GHz\) Band dem Standard hinzugefügt. In dem ersten Frequenzband können die Frequenzen \( 2,3995GHz - 2,4845GHz\) genutzt werden, dafür wird dieser Bereich in 13 sogenannten Kanäle aufgeteilt. Es werden Kanalbreiten von \(20MHz\) und \(40MHz\) genutzt. Das \(5GHz\) ist in zwei Frequenzbereiche aufgeteilt, zum einen von \(5,15GHz - 5,35GHZ\) und zum anderen von \(5,5GHz - 5,7GHz\), dabei werden die Kanäle von 36 bis 64 und von 100 bis 140 angeben. Die Kanalbreite kann zwischen \(20MHz\), \(40MHz\), \(80MHz\) und \(1600MHz\) variiert werden. Dabei ist zu beachten, dass die verschiedenen Kanalbreiten erst mit späteren Standards implementiert wurden.
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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.
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\begin{table}[]
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\begin{tabular}{|l|c|c|c|}
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\textbf{Standard} & \multicolumn{1}{l|}{\textbf{Verabschiedung}} & \multicolumn{1}{l|}{\textbf{\begin{tabular}[c]{@{}l@{}}Frequenzband\\ {[}GHz{]}\end{tabular}}} & \multicolumn{1}{l|}{\textbf{\begin{tabular}[c]{@{}l@{}}max. Brutto\\ Datenrate\end{tabular}}} \\ \hline
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802.11a & 1999 & 2,4 \& 5 & \(54\frac{MBit}{s}\) \\ \hline
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802.11b & 1999 & 2,4 & \(11\frac{MBit}{s}\) \\ \hline
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802.11g & 2003 & 2,4 & \(54\frac{MBit}{s}\) \\ \hline
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802.11n & 2009 & 2,4 \& 5 & \(600\frac{MBit}{s}\) \\ \hline
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802.11ac & 2013 & 5 & \(3,4\frac{GBit}{s}\) \\ \hline
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802.11ax & 2019 & 2,4 \& 5 & \(12\frac{GBit}{s}\) \\ \hline
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802.11be & ausstehend & 2,4, 5 \& 6 & \(46\frac{GBit}{s}\) \\ \hline
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\end{tabular}
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\caption{Ausschnitt verschiedener IEEE 802.11 Standards}
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\label{tab:wlan}
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\end{table}
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Die Verbreitung von WLAN in das alltägliche private Leben begann mit dem 802.11b Standard, weil mehrere Hersteller begannen Geräte für einen moderaten Preis zu verkaufen und diese durch den Standard Kompatibel zu einander sein müssen. Dadurch wurde es viel leichter Laptops und andere mobile Gräte kabellos mit dem Netzwerk zu verbinden. Heute sind in fast jedem Gebäude WLAN-Netzwerke zu finden.
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Auch in der Industrie ist WLAN eine essentielle Technik, zum Beispiel für automatisierte Lagersysteme mit mobilen Robotern.
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\subsection{Ethernet}
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Ethernet beschreibt nach dem Standard IEEE 802.3 \cite{Ethernet} verschiedene kabelgebundene Möglichkeiten \textbf{L}ocal \textbf{A}rea \textbf{N}etworks (LANs) aufzubauen. Diese Netzwerke werden typischerweise in Gebäuden eingesetzt mit einer Sterntopologie. Bei der installation wird hauptsächlich mehradriges Kupferkabel oder Glasfaserkabel genutzt. Das Kupferkabel wird auch Twisted-Pair-Kabel genannt und wird in verschiedene Kategorien eingeteilt, durch diese ist es möglich die maximale Geschwindigkeit des Kabels abzulesen. Einige dieser Kategorien können in der Tabelle \ref{tab:ethernet} abgelesen werden.
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Glasfaserkabel werden nur in zwei Kategorien eingeteilt. Multimode-Glasfaserkabel werden oft in LANs benutzt, da sie sich eher für kürzere Distanzen eignen. Die Distanz wird durch die Brechung des Lichts und der Verwendung mehrerer Lichtmoden in dem Lichtleiter eingeschränkt. Die Reichweite ist der von Twisted-Pair-Kabeln trotzdem deutlich überlegen.
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Aufgrund der höheren Fertigungskosten der Singlemode-Glasfaserkabel sind diese eher selten in LANs zu finden. Der Kerndurchmesser des Lichtleiters ist bei diesen Kabeln um ein vielfaches geringer. Die Reduzierung von \(50\mu m\) bzw. \(62,5\mu m\) auf typischerweise \(8\mu m\) bis \(10\mu m\) und der ausschließlichen Übertragung einer Lichtmode ermöglicht nochmals längere Signalwege. Außerdem bietet die Glasfasertechnologie den Vorteil unabhängig von elektromagnetischen Störungen zu sein.
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Die Tabelle \ref{tab:ethernet} zeigt einige Übertragungsstandards von Ethernet, dabei wurde unter anderem die Übertragungsmöglichkeiten über Coaxialkabel aus den Anfängen von Ethernet ausgelassen.
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\begin{table}[]
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\centering
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\begin{tabular}{|l|c|c|r|}
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\textbf{Standard} & \multicolumn{1}{l|}{\textbf{Übertragungsgeschwindigkeit}} & \multicolumn{1}{l|}{\textbf{Medium}} & \multicolumn{1}{l|}{\textbf{max. Segmentlänge}} \\ \hline
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10BASE-T & \(10\frac{MBit}{s}\) & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Twisted-Pair\\ min. Cat3\end{tabular} & 100m \\ \hline
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100BASE-TX & \(100\frac{MBit}{s}\) & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Twisted-Pair\\ min. Cat5\end{tabular} & 100m \\ \hline
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1000BASE-T & \(1\frac{GBit}{s}\) & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Twisted-Pair\\ min. Cat5e\end{tabular} & 100m \\ \hline
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1000BASE-SX & \(1\frac{GBit}{s}\) & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Glasfaser\\ Multimode\end{tabular} & 550m \\ \hline
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1000BASE-LX & \(1\frac{GBit}{s}\) & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Glasfase\\ Singlemode\end{tabular} & 5km \\ \hline
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10GBASE-T & \(10\frac{GBit}{s}\) & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Twisted-Pair\\ min. Cat6\end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}r@{}}55m\\ 100m mit Cat6a\end{tabular} \\ \hline
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10GBASE-SR & \(10\frac{GBit}{s}\) & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Glasfaser\\ Multimode\end{tabular} & 400m \\ \hline
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10GBASE-LR & \(10\frac{GBit}{s}\) & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Glasfase\\ Singlemode\end{tabular} & 10km \\ \hline
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\end{tabular}
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\caption{Auszug von Ethernet Übertragungsstandards nach IEEE 802.3}
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\label{tab:ethernet}
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\end{table}
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\subsubsection{PoE}
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\label{sssec:PoE}
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PoE ist die Abkürzung für \textbf{P}ower \textbf{o}ver \textbf{E}thernet und meint damit die Funktion neben den Daten zusätzlich die Stromversorgung für kleinere Netzwerkgeräte über ein Twisted-Pair-Kabel zu ermöglichen. PoE wird ebenfalls im IEEE 802.3 \cite{Ethernet} Standard definiert. Eingeführt wurde PoE 2003 in IEEE 802.3af mit einer Leistung von 15 Watt. Seit dem wurde PoE erweitert um mehr Leistung bieten zu können. Dies geschah mit den Standards 802.3at und 802.3bt. Die erste Erweiterung wird auch als PoE+ bezeichnet und kann 30 Watt je Port zur Verfügung stellen. Der aktuelle Stand wird auch PoE++ genannt. Bei der Verwendung von PoE++ wird zwischen dem Typ 3 und 4 unterschieden, da Typ 3 60 Watt leisten kann und Typ 4 100 Watt. Die Spannungen auf dem Ethernetkabel liegen bei PoE zwischen 44 und 57 Volt.
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PoE wird unter anderem oft für Telefone, Kameras und AccessPoints eingesetzt.
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\subsection{USBIP}
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\section{Hardware}
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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.
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\subsection{GNSS-Modul}
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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.
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In dem Rover ist ein GNSS-Chip von u-blox auf einem Entwicklungsmodul von Sparkfun verbaut. Der Chip wird unter dem Namen ZED-F9K-00B vermarktet. Dem Datenblatt des Herstellers \cite{zed-f9k} sind folgende Informationen zu entnehmen. Das Modul unterstützt die Bänder L1/L2/E5b, damit können die Daten von den GNSSystemen BeiDou, Galileo, GLONASS und GPS verarbeitet werden. Unter normalen Bedingungen ist die Position bei einem Kaltstart nach spätestens 30 Sekunden ermittelt und bei einem Warmstart nach 2 Sekunden. In dieses Modul können Korrekturdaten eingespeist werden, allerdings ist es nicht in der Lage diese zu erzeugen. Im RTK-Modus ist die Genauigkeit mit 0,2 Meter angegeben.
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\subsection{GNSS-Antenne}
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Die Antennen von GNSS-Modulen können extern ausgeführt werden oder direkt am Modul verbaut sein und dienen dazu die Signale der Satelliten zu empfangen. Dabei bieten externe Antennen den Vorteil unabhängig und für den Empfang optimiert aufgestellt/verbaut werden zu können. Für externe Antenne steht häufig mehr Platz zur Verfügung, deshalb wird Empfangsqualität nicht durch mangelnden Bauraum beeinflusst.
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Die auf dem Rover extern installierte Antenne wurde wie das GNSS-Modul ebenfalls von u-blox entwickelt und auf die F9-Reihe abgestimmt. Dabei handelt es sich laut Datenblatt \cite{antenneKlein} um eine aktive Antenne welche die Bänder des GNSS-Moduls unterstützt und darüber hinaus noch die Bänder B2a und NavIC. Das Gehäuse der Antenne misst 60mm x 82mm, wobei die Position der eigentlichen im Gehäuse zentriert ist. Angeschlossen wir die Antenne über einen SMA-Stecker.
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\subsection{PoE Hardware}
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\subsubsection{PoE Extender}
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Ein PoE Extender wird dafür genutzt die Reichweite eines mit PoE versehenen Twisted-Pair-Kabel zu verlängern. Die Reichweite wird durch die begrenzte Segmentlänge des verwendeten Mediums beschränkt. Im Fall von Twisted-Pair-Kabeln beträgt diese \(100m\). Der Extender nutzt die über PoE verfügbare Energie zur Signalaufbereitung und gibt das Signal inklusive PoE wieder aus, dabei ist zu beachten, dass aufgrund der verbrauchten Energie das ausgangsseitige PoE um einen Typen verringert wird und somit weniger Leistung zur Verfügung stellt.
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Speziellere Extender können zusätzlich als Switch fungieren. Diese Extender verfügen typischerweise über zwei Ethernet Ausgänge. Die verfügbare PoE Leistung wird dann auf diese beiden Ports aufgeteilt. !!!Datenblatt!!!
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\subsubsection{PoE Splitter}
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Der PoE Splitter trennt die Daten und den Strom vom Ethernetkabel. Diese Geräte haben typischerweise drei Anschlüsse, dabei ist der erste der PoE Eingang. Bei den anderen beiden handelt es sich um die Ausgänge für die Daten und den Strom. Bei dem Anschluss für die Daten ohne Strom handelt es sich normalerweise wieder um ein Ethernet anschluss mit einer RJ-45 Buchse. Der Strom wird über Anschlussklemmen oder einen Terminalblock ausgegeben. Die Ausgegebene Spannung hängt von dem gewählten Splitter ab, wird aber meistens von der höheren PoE Spannung (siehe Unterabschnitt \ref{sssec:PoE}) auf typische Spannungen von Netzteilen wie \(12V\) reduziert. !!!Datenblatt!!!
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\section{Software}
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\subsection{Linux}
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\subsubsection{USBIP}
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\subsubsection{Systemd / Systemctl?}
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\subsection{GNSS}
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\subsubsection{GNSS PostProcessing}
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\subsubsection{RTKLib}
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\subsubsection{U-Blox}
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\subsection{RTK2go}
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