DGPS mit RTKLIB

Mit Differential Global Positioning System-Verfahren (DGPS) wie RTK GPS lassen sich zentimetergenaue GPS-Messungen durchführen. Professionelle Geräte von Anbietern wie Topcon, Novatel, Javad oder Trimble erhält man ab etwa 5.000 €. Wer sich für die Technik interessiert und keinen Wert auf eine komfortable Plug & Play-Lösung mit hoher Ausfallsicherheit legt, kann aber auch günstiger zu Top-Ergebnissen kommen. Der Beitrag zeigt, wie man mit der kostenlosen Open-Source-Software RTKLIB, geeignetem Empfänger und Antenne sowie den Korrekturdaten von SAPOS DGPS-Messungen mit hoher Genauigkeit durchführt.

GPS-Empfänger und Antenne

Als Empfänger wird hier der u-blox LEA M8T auf einem Board mit USB-Anschluss (etwa 150 €) verwendet, bei der Antenne handelt es sich um die TW3710 von Tallysman (ca. 100 €). Beide Komponenten kommen sowohl mit dem amerikanischen (Navstar) GPS als auch mit dem russischen GLONASS klar. Der u-blox-Empfänger mit der Endung T (für Timing) liefert Raw-Daten, ohne die RTKLIB nicht funktioniert.

Die Antenne sollte zur Minimierung von reflektierten Signalen auf einer metallischen Grundplatte (z.B. Alu) und optimalerweise mit freier Rundumsicht montiert sein. Diese Bedingungen kann man mit einer Messung auf einem Hügel mit der Antenne auf dem Autodach zu Testzwecken schnell schaffen.

u-blox Center

Für einen ersten Test von Sender und Empfänger bietet sich die GNSS‑Evaluierungssoftware u-Center von u-blox an. Nach dem Start muss lediglich der USB-Anschluss (zum Beispiel COM3) mittels Receiver>Port ausgewählt werden und schon zeigt die Software die gefundenen Satelliten an (siehe Abbildung). Die Bezeichnung der Glonass-Satelliten beginnen mit einem “R”, die der GPS-Satelliten mit einem “G”. Die Deviation-Map links zeigt die ermittelten Positionen mit der typischen Ungenauigkeit von etwa 5 m ohne Optimierung an.

u-Center

RTKLIB

Wer im Internet nach Differential GPS sucht, landet recht bald auf der Seite rtklib.com des Japaners Tomoji Takasu. Die Seite bietet eine ganze Suite von Anwendungen zur Arbeit mit GPS/GNSS. Auf der Support-Seite (http://www.rtklib.com/rtklib_support.htm) findet sich ein Link zum Download des letzten Patches (rtklib_2.4.2_p11.zip). Darin enthalten ist im Ordner bin das Programm rtknavi.exe, das hier verwendet wird. Benutzer von Mac oder Linux müssen sich mit der Kommandozeilenversion begnügen oder eine Virtualiserungslösung wie Parallels einsetzen.

Nach dem Start von rtknavi wird zunächst mit Hilfe eines mit einem mit I beschriftetem Button in der rechten oberen Ecke der Inputstream eingestellt:

  • Häkchen bei Rover
  • Type Serial
  • Opt: Port Com3 (zum Beispiel)
  • Format: u-blox
  • cmd

Commands at Startup:

!UBX CFG-GNSS 0 32 32 1 0 10 32 0 1

!UBX CFG-GNSS 0 32 32 1 6 8 16 0 1

!UBX CFG-MSG 3 15 0 1 0 1 0 0

!UBX CFG-MSG 3 16 0 1 0 1 0 0

!UBX CFG-MSG 1 32 0 1 0 1 0 0

Nach einem Klick auf Start sollte nun auch rtknavi die ersten Satelliten anzeigen. Unter Option… Setting1 lassen sich durch ein Häkchen bei Glo die GLONASS-Satelliten zuschalten. Das führt zu deutlich mehr Satelliten, die aber derzeit bei Typ-verschiedenen Receivern (u-blox LEA M8T und Receiver von SAPOS) noch nicht zur Integer Ambiguity Resolution verwendet werden können. Unter Setting2 sollte deshalb bei Integer Ambiguity Res der Wert für Glo auf OFF stehen.

Setting2

rtknavi zeigt GPS-Satelliten mit grüner und Glonass mit beiger ID an.

Nach ein paar Minuten warten erhält man eine Single Solution, also eine unkorrigierte Position wie sie jedes Handy-GPS auch liefert.

Single Solution

SAPOS

Richtig genau wird die Position erst durch Korrektur mit Hilfe der Daten einer eingemessenen Referenzstation. Die Referenzdaten kann man über Funk oder wie hier gezeigt als NTRIP-Daten über das Internet beziehen. Ein flächendeckendes Netz von permanent betriebenen GNSS-Referenzstationen wird in Deutschland von den Landesämtern für Bodenmanagement und Geoinformation unter dem Namen SAPOS zur Verfügung gestellt. Um SAPOS nutzen zu können, muss man sich dort zunächst anmelden. Die Kosten für die Nutzung betragen je nach Dienst 10 oder 20 Cent pro Minute, mindestens jedoch 10 Euro pro Monat. UPDATE: SAPOS ist zumindest in Hessen seit Januar 2019 kostenlos!

Zur Verwendung der Daten wird ein weiterer InputStream (Button I rechts oben) konfiguriert:

  • Häkchen bei Base Station
  • Type Ntrip-Client
  • Opt: -NTRIP Caster Host: 62.225.76.202 -Port: 2101 -Mountpoint: MAC_3_2G_HE -User-ID: erhält man von SAPOS -Password erhält man von SAPOS
  • Format: RTCM 3

Außerdem muss bei Transmit NMEA GPGGA to Base Station die Option Single Solution eingestellt werden (SAPOS berechnet virtuelle Referenzstationen und benötigt dafür eine Position).

Input Streams

Schließlich geht’s noch mal in die Optionen. Unter Setting1 wird als Positioning Mode nun Static (rtk-korrigierte Daten für einen unbeweglichen Empfänger) ausgewählt. Der M8T ist ein Einfrequenzempfänger, so dass lediglich die Daten des L1-Frequenzbands ausgewertet werden können (inzwischen gibt es auch preisgünstige Dualbandempfänger, mehr dazu im Beitrag über den ZED-F9P).

Setting1

Unter Positions wird für die Base Station-Position RTCM Antenna Position ausgewählt, die Koordinaten kommen mit den Korrekturdaten.

Positions

Nach dem Start der Messung werden nach einiger Zeit zusätzlich zu den Satelliten des Empfängers auch die Satelliten der SAPOS-Referenzstation angezeigt und der Status der Solution wechselt auf Float:

Float Solution

Wenn es die Bedingungen (Ionosphärenwetter, Satellitenkonstellation, freie Rundumsicht) hergeben ist die Position dann nach einigen Minuten Fix und sehr, sehr genau.

Float Solution

Wenn’s nicht klappt, lässt sich durch einen Klick auf das kleine Quadrat über dem Start-Button der RTK-Monitor öffnen, der wertvolle Tipps (zum Beispiel im Bereich Error/Warning gibt).