Bachelorarbeit im Studiengang Angewandte Informatik – Informations- und Kommunikationstechnik an der Fachhochschule Stralsund (Fachbereich Elektrotechnik und Informatik), eingereicht im August 2015.
Ausgangslage
Handelsübliche GPS-Empfänger erreichen Genauigkeiten von zwei bis drei Metern. Das reicht für die meisten Anwendungen, nicht aber etwa für Drohnenschwärme. Differential-GPS-Systeme (DGPS) verbessern die Genauigkeit durch Fehlerkorrekturen, kosten aber oft mehrere tausend Euro. Inspiriert vom Vortrag „Building an affordable differential GPS positioning system“ von Andrew Tridgell und Ben Nizette wollte ich zeigen, was ein solches System im Niedrigpreissegment leisten kann.
Fragestellung
- Lässt sich ein Differential GPS auf einen Raspberry Pi portieren?
- Welche Genauigkeit erreicht ein solches System mit günstiger Hardware?
- Welche Wege gibt es, die Korrekturdaten zwischen Basis und Empfänger zu übertragen?
Vorgehen
Die Arbeit beginnt mit den Grundlagen der satellitengestützten Navigation, dem GPS-System, dem Raspberry Pi sowie den Standards NMEA, RTCM und NTRIP. In der Planung habe ich Varianten für den GPS-Empfang (ein Empfänger, zwei Empfänger, Rohdaten-Empfänger) und für die Datenübertragung (WLAN, Bluetooth, Mobilfunk, eigenes Funksignal) verglichen. Umgesetzt habe ich ein RTK-System, das mit Satelliten-Rohdaten arbeitet: Ein Raspberry Pi mit handelsüblichem USB-GPS-Empfänger dient als Basisstation und versorgt über ein eigenes WLAN einen Rover mit Korrekturdaten. Die Positionsberechnung übernimmt die Open-Source-Bibliothek RTKLIB. In statischen Messungen im Gebäude und im Freien habe ich die erreichbare Genauigkeit getestet.
Ergebnisse
- Ein Differential GPS auf Basis eines Raspberry Pi ist machbar und liefert vorzeigbare Ergebnisse.
- Im Freien ließ sich eine reale Basislinie mit einer Genauigkeit von rund 20 Zentimetern nachbilden, insgesamt waren Genauigkeiten unter 80 Zentimetern erreichbar.
- Im Gebäude wirkten Abschattung und Bebauung stark. Hier verbesserte sich nur eine der drei Achsen deutlich.
- Als Einschränkung zeigte sich vor allem die geringe WLAN-Reichweite von etwa 13 Metern. Für größere Entfernungen kommen Mobilfunk oder andere Funkverfahren infrage.
Fazit und Ausblick
Für private Anwender genügt das System, für wissenschaftliche Anwendungen besteht noch Verbesserungspotenzial: ein Empfänger für weitere Frequenzen zur Reduzierung atmosphärischer Fehler, die Kombination mit anderen Satellitensystemen wie GLONASS, eine externe WLAN-Antenne für mehr Reichweite und eine autarke Stromversorgung. Die Arbeit hat mir gezeigt, wie viel sich mit Open-Source-Software und günstiger Hardware erreichen lässt, und sie hat mein Interesse an Linux-Systemen und Automatisierung früh gefestigt.