Von Markus Brandl, Xiaoming Chen, Herbert Landau, Carlos Rodriguez-Solano und Ulrich Weinbach

Dieser Artikel aktualisiert eine Funktion von Juli 2012 in GPS World, „Erweiterte Echtzeit-GNSS-Positionierung: Eine neue Generation zentimetergenauer Netzwerke.“

Der Trimble CenterPoint RTX-Korrekturdienst, der eine zentimetergenaue absolute Positionierung auf der ganzen Welt ermöglicht, ohne dass eine RTK-Referenzstationsinfrastruktur erforderlich ist, steht jetzt vielen Anwendern zur Verfügung, darunter Integratoren von professionellen Hochpräzisionsgeräten und Konsumgütern wie im Automobilsektor. Der Zugriff erfolgt über eine Softwarebibliothek, die mit jedem GNSS-Gerät kompatibel ist. Die Korrekturen enthalten nun detaillierte Integritätsinformationen für sicherheitskritische Anwendungen.

Die RTX-Infrastruktur besteht aus rund 120 weltweit verteilten RTX-Referenzstationen. Empfänger an diesen Stationen senden Messdaten mit 1 Hz an die RTX-Serverzentren, wo die Korrekturdaten berechnet werden. Aus Redundanzgründen werden mehrere Server in den USA und Europa betrieben. Eine ausfallsichere Architektur, die jeden einzelnen Fehlerpunkt in der Verarbeitungskette vermeidet, hat zu einer sehr hohen Verfügbarkeit von Korrekturen geführt. Heute unterstützt das System GPS-, GLONASS-, Galileo-, BeiDou- und QZSS-Satelliten. Es ist ein Mehrfrequenzsystem, das zwei oder mehr Frequenzen für jedes Satellitensystem unterstützt.

Der Korrekturstrom steht Benutzern zur Verfügung, die L-Band-Signale verwenden, die über geostationäre Satelliten und IP-Verbindungen gesendet werden. Der im L-Band übertragene RTX-Datenstrom verwendet eine Bandbreite von 600-2400 Baud und ein hochkomprimiertes Datenformat mit einer Auflösung von 1 Millimeter mit einer durchschnittlichen Latenz von 8 Sekunden im L-Band-Modus und 5 Sekunden im IP-Modus. Der Datenstrom wird über einen Advanced Encryption Standard (AES) mit einer Schlüssellänge von 256 Bit verschlüsselt, um eine sichere Übertragung zu gewährleisten. Die Integrität der Datenübertragung wird durch eine zyklische 32-Bit-Redundanzprüfung sichergestellt, die jeder Nachricht beigefügt ist. Der RTX-Korrekturstrom liefert Informationen über Satellitenposition, Satellitenuhr, ionosphärische und troposphärische Modelle sowie Code- und Phasenverzerrungen.

Die Bahnbestimmung erfolgt in Echtzeit unter Verwendung eines reduzierten dynamischen Ansatzes mit dynamischen Modellen und unter Ausnutzung der Genauigkeit der Phasenmessungen nach Mehrdeutigkeitsfestlegung. Basierend auf den berechneten Umlaufbahnen werden die Satellitenuhren auf 1 Hz geschätzt, wobei für die verschiedenen Satellitensysteme eine ganzzahlige Mehrdeutigkeit festgelegt wird.

Als nächstes wird ein einschichtiges globales Ionosphärenmodell berechnet und durch sphärische Harmonische dargestellt. Derzeit gibt es zwei Gebiete mit einem dichteren Netzwerk als das globale Netzwerk; Diese decken Europa und das Festland der USA mit mehr als 1.000 Basisstationen ab. Mit diesen Stationen werden regionale Ionosphären- und Troposphärenmodelle berechnet, die dann eine schnelle Konvergenz liefern (RTX-Fast service).

Die Satellitenpositions- und Uhreninformationen sind zentimetergenau und ermöglichen es dem Client, eine präzise Punktpositionierung (PPP) mit Trägerphasen-Mehrdeutigkeitsauflösung zu berechnen. Tabelle 1 zeigt die Servicegenauigkeit.

Sobald die Mehrdeutigkeiten behoben sind, ist die Positionslösung auf wenige Zentimeter genau. Der globale RTX-Standarddienst bietet Konvergenzzeiten von 7 Minuten auf 20 Zentimeter (cm) Horizontalfehler (95%) und auf 2,5 cm (95%) in 13 Minuten, wie in Abbildung 2 gezeigt. Der regionale RTX-Fast-Service (USA, Europa) bietet Konvergenzzeiten von weniger als einer Minute mit Zentimetergenauigkeit. Die Warmstart-Konvergenzzeit beträgt ungefähr 13 Sekunden.

Die angegebenen Genauigkeiten sind mit präziser Trimble GNSS-Positionierungshardware erreichbar. Für die Integration in Nicht-Trimble-Geräte wird eine RTX-Softwarebibliothek angeboten, die dem Anwender Echtzeitzugriff auf die einzelnen Daten im RTX-Korrekturstrom ermöglicht. Für den Einsatz dieser Bibliothek in sicherheitskritischen Systemen wie Advanced Driving Assisted Systems (ADAS) oder teilautomatisiertem Fahren wurde diese Bibliothek nach dem ASIL-B ISO 26262-Standard und dem Automotive ASPICE-Standard zertifiziert. Diese Bibliothek ist für die einfache Integration in Anwendungen von Drittanbietern verfügbar.

Zusätzlich zur Echtzeit-RTX-Lösung steht eine webbasierte Post-Processing-Lösung für die öffentliche Nutzung kostenlos zur Verfügung. Es ist möglich, statische Trimble- oder RINEX-Dateien auf den Server hochzuladen, die Messdaten nachzuverarbeiten und eine genaue Position in verschiedenen Koordinatenrahmen abzurufen.

Die Dienstintegrität wird kontinuierlich an unabhängigen Stationen aus den RTX-Tracking-Netzwerken in Europa und den USA überwacht. Die Integrität des Dienstes wird in der Korrekturdatendomäne bereitgestellt. Der Integritätsüberwachungsteil des RTX-Systems minimiert das Risiko aufgrund von Ereignissen wie ungeplanten Satellitenmanövern oder falschen Broadcast-Ephemeriden; Satellitensignal- oder Uhranomalien; ionosphärische Stürme; oder Probleme bei der Übertragung des RTX-Korrekturstroms.

Die Messstationen berechnen aus den Stationsmessungen und den empfangenen RTX-Korrekturen Phasenbeobachtungsresiduen (mit Mehrdeutigkeitsfestlegung). Diese Residuen stellen die tatsächlichen Fehler der Korrekturen dar, wie sie von den Überwachungsstationen an der Sichtlinie gesehen werden (Tabelle 1). Die Schwellenwerte, bei denen Korrekturen als fehlerhaft angesehen werden, sind die folgenden: 0,5 m + QI (Qualitätsindikator) für Orbit + Clock-Korrekturen und regionale Troposphärenmodelle und 1,0 m + QI für regionale Ionosphärenmodelle.

Die Integritätsüberwachung besteht aus zwei Schritten (Bild 1): einer Pre-Broadcast-Prüfung, bei der potentiell fehlerhafte Korrekturen erkannt und vor dem Verlassen des Rechnerservers herausgefiltert werden, und einer Post-Broadcast-Prüfung, bei der zusätzliche Fehler im Übertragungskanal erkannt und Alarme an die Benutzer ausgegeben werden.

Integritätsflaggen und Alarme werden ständig in den Korrekturstrom eingefügt und von der RTX-Clientbibliothek ausgegeben. Die Integritätsinformationen benachrichtigen Clients über das Vorhandensein einer Integritätsüberwachung und geben zeitnahe Warnungen bei festgestellten Verstößen gegen die Korrekturdatenintegrität aus. Die Time-to-Alert-Limit-Ziele sind 17 Sekunden für die L-Band-Übertragung und 13 Sekunden für die IP-Übertragung für den RTX-Dienst.

Das RTX-Paket enthält Qualitätsindikatoren. Insbesondere enthält der Qualitätsindikator für die Satellitenuhr ein „DoNotUse“ -Flag, um mögliche Probleme mit dem gegebenen Satelliten anzuzeigen. Dieses Flag verhindert die Verwendung des Satelliten zur Positionierung, wenn er vom Benutzer empfangen wird. Die Qualitätsindikatoren der Korrekturen sind in der Tat eine erste Integritätsschicht. Im Jahr 2017 wurde die Pre-Broadcast-Integritätsüberwachung hinzugefügt, um als zweite Schicht zu fungieren. Im Jahr 2019 wurde mit der Post-Broadcast-Integritätsüberwachung eine dritte Integritätsschicht zum RTX-Korrekturdatenstrom hinzugefügt.

Das RTX-System bietet Zugriff auf Korrekturen auf Zentimeterebene, die eine globale Zentimeterpositionierung ermöglichen. RTX-Fast-Dienste sind in Europa und den USA verfügbar, wobei derzeit eine Integritätsüberwachung vor und nach dem Broadcast bereitgestellt wird.

Die Autoren sind Ingenieure der Trimble Terrasat GmbH, Deutschland.