ZeWiS NTRIP Caster

Bei dem ZeWiS NTRIP Caster handelt es sich um einen GPS-Korrekturdatendienst, welcher den für differentielles GPS (DGPS) benötigten zweiten Empfänger ersetzt. Die Korrekturdaten werden im Hochschulnetz und auch öffentlich zugänglich über das Internet bereitgestellt und können mit professionellen Empfängern direkt genutzt werden. Für low-cost Empfänger mit Rohdatenausgabe besteht die Möglichkeit, eine kostenlose Software zu nutzen, um die Korrekturdaten anzuwenden.

Aufbau des ZeWiS NTRIP Casters

Grundlagen zu DGPS

Die eigentliche Positionsbestimmung durch ein Satellitennavigationssystem (GPS, GLONASS, Galileo, etc.) beruht auf der Laufzeitmessung der von den Satelliten gesendeten Funksignale. Anhand der gemessenen Zeitdifferenzen zwischen Satelliten und Empfänger und der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit von Radiowellen lassen sich die Entfernungen bestimmen. Voraussetzung ist deshalb, dass die Uhren von Sender (Atomuhren des Satelliten) und Empfänger synchronisiert sind und exakt gleich laufen. Ein Beispiel hierzu zeigt, dass bereits ein Zeitfehler von einer Mikrosekunde bereits einen Entfernungsfehler von ~300 m zur Folge hat.

Der Receiver berechnet seinen Standort im dreidimensionalen Raum, indem er den Schnittpunkt dreier Kugelschalen berechnet. Im Mittelpunkt jeder Kugel befindet sich einer der beobachteten Satelliten, der Radius ist gegeben durch die gemessene Entfernung zum Receiver. Für die Standortberechnung müssen mindestens drei Satelliten empfangbar sein. Um zusätzlich den Uhrenfehler bei der Laufzeitmessung zu korrigieren, wird ein vierter Satellit benötigt.

Die Fehler bei der Entfernungsmessung, die letztlich zu einer fehlerhaften Positionsbestimmung führen, resultieren vor allem aus Einflüssen der Atmosphäre, Mehrwegausbreitung oder einer ungünstigen Konstellation der aktuell sichtbaren Satelliten. Um diese Fehler zu kompensieren und somit die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu steigern, wird beim differentiellen GPS eine ortsfeste Referenzstation genutzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die lokal auftretenden Fehler sich in gleicher oder ähnlicher Weise auf den Referenz-Empfänger und den für die Navigation verwendeten mobilen Receiver (Rover) auswirken. Durch die Abweichung zwischen der gemessenen und der bekannten realen Position der Referenzstation lassen sich die tatsächlichen Laufzeiten exakt bestimmen und die Differenzen an den Rover übertragen. Dort werden diese zur Kompensation des „Gleichanteils“ der Laufzeitfehler verwendet.


Nutzung mit low-cost Empfänger und freier Software

Empfänger und Rohdatenausgabe

Als kostengünstige Alternative zu professionellen Geräten kann der Einfrequenzempfänger „NL-602U“ des Herstellers NAVILOCK genutzt werden. Er empfängt wahlweise GPS oder Galileo und verarbeitet die Signale von bis zu 50 Satelliten gleichzeitig. Die Ausgabe der Positionsdaten über USB erfolgt standardmäßig in den NMEA-0183 Protokollen GGA, GSA, GSV, RMC, oder VTG.

Um aus dem Gerät einen rohdatenfähigen Empfänger zu machen ist es nötig, über die Software „u-Center“ eine alternative Firmware aufzuspielen. Der Patch sorgt dafür, dass die Rohdaten des im Gerät befindlichen U-blox LEA-6 Chips im UBX Format ausgegeben werden können, welches wiederum von der Software „RTKLIB“ weiterverarbeitet werden kann. Das u-Center bietet das UBX-Format unter dem Punkt „MSG“ zwar ebenfalls an, jedoch ist die Auswahl für das Gerät standardmäßig deaktiviert.

Die geänderte Firmware wird nach der Installation des u-Center wie folgt aufgespielt:

Tools   >>   Firmware Update   >>
Firmware:
Patch_RAW-output\NL602-patched-fw.bin
Pfad:
C:\Program Files\u-blox\u-center\contents\flash.txt

Der RAW-Output ist  nun verfügbar und kann unter folgender Tabelle eingesehen werden:

Messages    >>   UBX   >>    RXM (Reciever Manager)   >>   RAW (Raw Measurement Data)

Nun lassen sich im Menü auch RXM – RAW (Raw Measurement Data) und RXM – SFRB (Subframe Data) für den USB-Output aktivieren.

Configure   >>   MSG (Messages)

Vor dem Verlassen des Menüs muss an dieser Stelle gespeichert werden. Sollte die geänderte Firmware Probleme verursachen, so kann die ursprüngliche Version auf demselben Weg wiederhergestellt werden.

Software

RTKLIB ist ein Open-Source Programmpaket für GNSS-Anwendungen. Es beinhaltet mehrere Tools für das Konvertieren, Visualisieren und Berechnen von Positionslösungen in Echtzeit. Auch eine nachträgliche Verarbeitung (Post-Processing) von aufgezeichneten Daten ist möglich. Während für Windows eine grafische Benutzeroberfläche verfügbar ist, wird RTKLIB unter Linux über die Kommandozeile gesteuert.

RTKGPS+ realisiert die RTKLIB-Funktionalitäten durch eine Android-App. Abgesehen von dem für ein Smartphone angepassten Frontend existieren nahezu identische Einstellmöglichkeiten. Verfügt das Smartphone nicht über einen USB-Host-Modus, so muss ein USB OTG (On-The-Go) Adapter verwendet werden.

Für Tests zeigt sich die App als sehr hilfreich, da kein großer Laptop benötigt wird und sich Einstellungen schnell ändern lassen. Die Einstellungen sind ebenso unter Windows und Linux zu finden.

Unter dem Menüpunkt „Dateieingänge“ wird die Konfiguration für Rover und Basis vorgenommen:

In den Einstellungen für die Berechnungsoptionen wird als Positioniermodus „Kinematisch“ (RTK) gewählt, die Frequenz ist auf L1 für die Navigationssysteme GPS und SBAS festgelegt. Für die Korrektur von Ionosphäre und Satelliten Ephemeriden/Uhr ist das „Broadcast-Modell“ eingestellt, die Korrektur für Einflüsse der Troposphäre auf „Saastamonien-Modell“. Die „Lösungsoptionen“ bleiben unverändert.

Die Ausgabe der Positionslösung (.pos) wird über den Reiter „Daten-Ausgänge“, die der Base- und Rover-Daten (.log) über den Reiter „Daten-Aufzeichnungen“ konfiguriert. Abschließend wird der Server aktiviert, wodurch unter „Status“ und „Karte“ die ermittelten GPS-Daten visualisiert werden.

In der RTKLIB-Komponente RTKPLOT können unter Windows die Aufzeichnungen geladen und visualisiert werden. Durch die Möglichkeit, zwei Lösungen zu laden, ist der Einfluss der Korrekturdaten gut sichtbar. Neben der Darstellung als Plot besteht auch die Möglichkeit, Google Maps oder Google Earth zum Anzeigen der Koordinaten zu nutzen und aufgezeichnete Pfade abzuspielen.

RKGPS+ Menü und Konfiguration der Daten-Eingänge
Berechnungsoptionen, Daten-Ausgänge, Daten-Aufzeichnung und Ausgabestatus

Haftungsausschluss

Der von der Hochschule für angewandte Wissenschaften Aschaffenburg betriebene Datendienst über den NTRIP Caster ist für Forschungszwecke bestimmt. Er dient nicht der Nutzung für gewerbliche oder sicherheitsrelevante Zwecke.

Die Hochschule Aschaffenburg übernimmt keine Gewähr für die Aktualität, Verfügbarkeit, Richtigkeit und Vollständigkeit der bereitgestellten Daten. Die Hochschule Aschaffenburg behält es sich ausdrücklich vor, das Angebot ganz oder teilweise ohne gesonderte Ankündigung zu verändern, zu ergänzen, zu löschen oder die Veröffentlichung zeitweise oder endgültig einzustellen. Sie haftet nicht für dem Nutzer entstandene oder entstehende Schäden materieller oder immaterieller Art, sofern ihr nicht Vorsatz oder grobe Fahrlässigkeit zur Last fällt. Dies gilt nicht im Falle einer Verletzung des Lebens, des Körpers und der Gesundheit.


Zugang zum NTRIP Caster

Der kostenlose Korrekturdatendienst wird bereitgestellt durch die ZeWiS-Projekte ETARA und IFAS. Die Zugangsdaten und weitere Informationen zum Caster sind unter dem folgenden Link einsehbar.

Hiermit bestätige ich, dass ich den Haftungsausschluss gelesen und verstanden habe.