RTK-Übersicht
Real-Time Kinematic (RTK) ist eine satellitengestützte Navigationstechnik, die die Präzision von Positionsdaten verbessert. Durch die Nutzung von Satellitensignalen erreicht RTK eine Genauigkeit im Zentimeterbereich und eignet sich daher ideal für Anwendungen, die eine präzise Standortverfolgung erfordern, wie z. B. autonomes Fahren, Drohnen und Robotik. Bei intelligenten Rasenmähern ermöglicht RTK eine effiziente Navigation ohne Begrenzungskabel und ermöglicht so den reibungslosen Betrieb in einem festgelegten Bereich.
Was ist der Unterschied zwischen RTK, GPS und GNSS?
GNSS (Global Navigation Satellite System) ist ein globales System, das Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitdaten überall auf der Erde liefert. Es umfasst Systeme wie GPS, Galileo, GLONASS und Beidou. RTK ist eine spezielle Technologie, die auf GNSS basiert. Sie nutzt Satellitensignale von GNSS, um Echtzeit-Genauigkeit im Zentimeterbereich zu liefern. Damit eignet sie sich ideal für präzisionsbasierte Anwendungen wie Rasenroboter.
So funktioniert RTK
RTK erreicht mithilfe von GNSS Echtzeitgenauigkeit im Zentimeterbereich. Es basiert auf einer Referenzstation, die kontinuierlich Satellitendaten erfasst und an eine mobile Station sendet. Die mobile Station empfängt sowohl die Satellitensignale als auch die Daten der Referenzstation und berechnet anschließend ihre genauen 3D-Koordinaten in Echtzeit nach dem Prinzip der relativen Positionierung.Hardwarekomponenten
Referenzstation: eine wichtige Komponente des RTK-Systems. Sie wird üblicherweise an einem Punkt mit bekannten Koordinaten positioniert, beobachtet kontinuierlich Satelliten und sendet Beobachtungsdaten an die Mobilstation. Die Stabilität und Genauigkeit der Referenzstation wirken sich direkt auf die Messgenauigkeit des gesamten RTK-Systems aus.
Mobile Station: Ein Gerät zur Messung vor Ort. Es empfängt Satellitensignale und Daten der Referenzstation und berechnet seine eigenen Positionskoordinaten. Mobile Stationen sind tragbar und flexibel und können Messungen an verschiedenen Standorten durchführen.
Datenkommunikationsverbindung: Dient zur Verbindung der Referenzstation mit der Mobilstation, um eine Echtzeit-Datenübertragung zu ermöglichen. Die Kommunikationsverbindung kann Funk, Mobilfunknetz und andere Methoden nutzen, um eine stabile und zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten.
Einführung in die RTK-Referenzstation
Bei der RTK-Technologie liefert die Referenzstation der mobilen Station Referenzdaten, die eine hochpräzise Positionsbestimmung ermöglichen. Derzeit gibt es hauptsächlich zwei Typen: lokale physische Basisstationen und virtuelle Basisstationen basierend auf Ntrip (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol).
1. Lokale physische Basisstation
Lokale physische Basisstationen bestehen üblicherweise aus GNSS-Empfängern, Antennen, Kommunikationsgeräten und Stromversorgungen. Sie befinden sich in der Regel an festen Positionen mit bekannten Koordinaten, beispielsweise an Vermessungs- und Kartierungspunkten, auf Dächern und anderen offenen und stabilen Orten. Die Installation sollte die Stabilität der Basisstation gewährleisten und Störungen durch externe Faktoren wie Vibrationen vermeiden.
Vorteile:
- Starke Unabhängigkeit: Solange die Basisstationsausrüstung einwandfrei funktioniert, kann sie ohne Abhängigkeit von externen Netzwerken Dienste für nahegelegene Mobilstationen bereitstellen. In abgelegenen Gebieten oder an Orten mit schlechtem Netzwerksignal können lokale physische Basisstationen dennoch eine Rolle spielen.
- Hohe Stabilität: Durch die feste Position der Basisstation ist ihre Beobachtungsumgebung relativ stabil und kann zuverlässige Differenzdaten liefern. Darüber hinaus kann die lokale physische Basisstation an die tatsächlichen Bedürfnisse angepasst und optimiert werden, um spezifische Messaufgaben zu erfüllen.
Nachteile:
- Eingeschränkte Abdeckung: Die Signalabdeckung lokaler physischer Basisstationen ist in der Regel gering und beträgt in der Regel nur wenige Kilometer. Für umfangreiche Messaufgaben müssen möglicherweise mehrere Basisstationen eingerichtet werden, was Kosten und Arbeitsaufwand erhöht.
- Hohe Wartungskosten: Um Genauigkeit und Stabilität zu gewährleisten, ist regelmäßige Wartung erforderlich. Gleichzeitig verursachen Anschaffung, Installation und Wartung der Basisstationsausrüstung gewisse Kosten.
2. Virtuelle Basisstation basierend auf Ntrip
Ntrip ist eine Technologie zur Übertragung von RTCM-Differenzdaten (Radio Technical Commission for Maritime Services) über das Internetprotokoll. Virtuelle Basisstationen auf Basis von Ntrip benötigen keine physische Ausrüstung, sondern sind über das Internet mit einem oder mehreren Ntrip-Servern verbunden. Benutzer müssen lediglich die entsprechenden Parameter auf dem mobilen Endgerät einstellen, um eine Verbindung zum Ntrip-Server herzustellen und Differenzdaten abzurufen.
Vorteile:
- Breite Abdeckung: Da Ntrip-Server eine Verbindung zu mehreren Referenzstationen herstellen und Daten über das Internet übertragen können, können sie Nutzern weltweit Dienste bereitstellen. Nutzer können die RTK-Technologie überall dort nutzen, wo eine Netzwerkverbindung besteht, ohne sich um die Abdeckung von Basisstationen sorgen zu müssen.
- Niedrige Kosten: Nutzer müssen keine physische Basisstation kaufen und warten. Für die Nutzung der Ntrip-Dienste fällt lediglich eine Servicegebühr an. Dies reduziert die Kosten für die RTK-Technologie erheblich.
Nachteile:
- Netzwerkabhängigkeit: Ntrip-basierte virtuelle Basisstationen sind vollständig vom Internet abhängig. Bei einem Netzwerkausfall oder einem schwachen Signal können keine Differenzdaten abgerufen werden, was die Messarbeit beeinträchtigt.
- Genauigkeitsstabilität: Aufgrund der Eigenschaften der virtuellen Basisstationstechnologielösung ist es unmöglich, die Stabilität der Genauigkeit der Differenzdaten an jeder Position unter allen Wetterbedingungen zu garantieren, insbesondere wenn meteorologische Aktivitäten im Zenit der Mobilstation aktiv sind, wie z. B. aktive Ionosphäre und Sonnenbewegung.
- Datensicherheit: Da Daten über das Internet übertragen werden, bestehen gewisse Sicherheitsrisiken. Sie können durch Hackerangriffe, Datenmanipulationen usw. gefährdet sein. Daher müssen entsprechende Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, um die Sicherheit der Daten zu gewährleisten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass lokale physische Basisstationen und Ntrip-basierte virtuelle Basisstationen jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. In der Praxis können Benutzer je nach Bedarf und tatsächlicher Situation den geeigneten Referenzstationstyp auswählen, um eine effiziente und genaue RTK-Messung zu erreichen.
Einführung in Datenkommunikationsverbindungen
Datenkommunikationsverbindungen spielen in der RTK-Technologie eine entscheidende Rolle. Sie übertragen Echtzeit-Beobachtungsdaten von der Referenzstation zur Mobilstation und ermöglichen so eine hochpräzise Positionierung. Zu den gängigen Methoden der Datenkommunikation zählen derzeit Mobilfunknetze und LoRa. Im Folgenden werden ihre Vor- und Nachteile vorgestellt und analysiert.
1. Mobilfunknetze
Mobilfunknetze nutzen die Kommunikationsnetze von Telekommunikationsbetreibern wie 4G und 5G zur Datenübertragung zwischen Referenz- und Mobilstationen. Im RTK-System müssen sowohl Mobil- als auch Referenzstationen mit Modulen ausgestattet sein, die die Mobilfunkkommunikation unterstützen und durch Einlegen von SIM-Karten und anderen Methoden auf das Netz des Betreibers zugreifen können. Während der Datenübertragung verpackt die Referenzstation die Differenzdaten und sendet sie über das Mobilfunknetz an den Server. Dieser leitet die Daten anschließend an die Mobilstation weiter, die nach Erhalt der Daten hochpräzise Positionsbestimmungsergebnisse berechnet und erhält.
Vorteile:
- Große Abdeckung: Telekommunikationsbetreiber verfügen über eine relativ vollständige Netzwerkinfrastruktur, wodurch RTK-Messarbeiten in einem größeren Gebiet ohne geografische Einschränkungen durchgeführt werden können, was für Messaufgaben über große Entfernungen oder Projekte, die Messungen in verschiedenen Regionen erfordern, sehr vorteilhaft ist.
- Schnelle Übertragungsgeschwindigkeit: Mobilfunknetze wie 4G und 5G verfügen über eine hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit, die eine große Menge an Differenzdaten schnell an die Mobilstation übertragen kann, wodurch die Echtzeit- und effiziente Leistung des RTK-Systems gewährleistet wird.
- Einfache Bedienung: Es sind keine zusätzlichen Geräteinstallationen oder komplizierten Einstellungen erforderlich. Legen Sie einfach die SIM-Karte ein und aktivieren Sie den entsprechenden Datendienst.
Nachteile:
- Die Signalstabilität wird stark von der Umgebung beeinflusst: In einigen dicht bebauten städtischen Gebieten, Bergregionen oder unterirdischen Gebieten mit starker Signalbehinderung können die Signale des Mobilfunknetzes geschwächt oder gestört werden, was zu Verzögerungen bei der Datenübertragung, Paketverlusten und anderen Problemen führt und die Positionierungsgenauigkeit und Stabilität des RTK-Systems beeinträchtigt.
- Kommunikationsgebühren: Für die Nutzung mobiler Netzwerke fallen bestimmte Kommunikationsgebühren an, darunter monatliche Gebühren für SIM-Karten, Gebühren für den Datenverkehr usw.
- Cybersicherheitsrisiko: Da die Daten über das öffentliche Mobilfunknetz übertragen werden, bestehen gewisse Cybersicherheitsrisiken wie Datendiebstahl, Manipulation usw.
2. LoRa
LoRa ist eine Low-Power-Wide-Area-Network-Kommunikationstechnologie (LPWAN) und eine drahtlose Übertragungslösung für extrem große Entfernungen, die auf Spread-Spectrum-Technologie basiert. In RTK-Systemen ermöglicht die LoRa-Technologie die drahtlose Datenübertragung durch die Installation von LoRa-Modulen auf der Referenzstation bzw. der Mobilstation.
Vorteile:
- Große Übertragungsreichweite: In offenen Umgebungen kann LoRa mehrere Kilometer und unter umfassenden Arbeitsbedingungen Hunderte von Metern erreichen. Dies macht LoRa zu einer effektiven Datenkommunikationsverbindung in Gebieten mit schlechter Mobilfunkabdeckung.
- Starke Entstörungsfähigkeit: Es verwendet Spread-Spectrum-Technologie und Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierungstechnologie, die über eine starke Entstörungsfähigkeit verfügt und Daten in komplexen elektromagnetischen Umgebungen stabil übertragen kann.
- Geringer Stromverbrauch: Der Stromverbrauch von LoRa-Modulen ist sehr gering, was die Lebensdauer der Geräte verlängern und die Nutzungskosten sowie den Wartungsaufwand reduzieren kann.
- Flexible Netzwerkeinrichtung: Benutzer können unabhängig und ohne Einschränkungen durch Telekommunikationsbetreiber ein LoRa-Netzwerk entsprechend ihren eigenen Anforderungen mit hoher Autonomie und Flexibilität einrichten.
Nachteile:
- Niedrige Übertragungsrate: Im Vergleich zu Mobilfunknetzen hat LoRa eine geringere Übertragungsrate, normalerweise zwischen einigen hundert Bits pro Sekunde und einigen zehn Kilobits pro Sekunde.
- Die Signalstabilität wird durch die Umgebung beeinflusst: In einigen dicht besiedelten Stadtgebieten, Bergregionen oder an Orten mit starken Signalbehinderungen wie Kellern kann das Signal geschwächt oder gestört werden, was zu Problemen wie Verzögerungen bei der Datenübertragung und Paketverlusten führen kann.
(CR: https://youtu.be/uFMkjIFyHfU?si=s6kLmUwVlBp2WMEl)
Vor- und Nachteile der RTK-Technologie
Vorteile
- Hochpräzise Positionierung: Die RTK-Technologie erreicht eine Positionierungsgenauigkeit im Zentimeterbereich, die deutlich höher ist als bei herkömmlichen Messmethoden. Dadurch liefert sie präzisere Daten in Bereichen wie der technischen Vermessung und Geländekartierung.
- Starke Echtzeitleistung: Die RTK-Technologie liefert Messergebnisse in Echtzeit, ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist. Dies verbessert die Arbeitseffizienz erheblich und verkürzt die Messzeit.
- Hohe Arbeitseffizienz: Da die RTK-Technologie eine Ein-Mann-Bedienung und hohe Messgeschwindigkeiten ermöglicht, kann sie die Effizienz der Messarbeiten erheblich steigern. Gleichzeitig kann sie den Personal- und Materialeinsatz reduzieren und die Messkosten senken.
Nachteile
- Anfälligkeit des Signals für Störungen: In einigen komplexen Geländeumgebungen, wie z. B. städtischen Hochhausgebieten, Gebirgstälern usw., können Satellitensignale blockiert oder gestört werden, was zu einer Verringerung der RTK-Positionierungsgenauigkeit oder sogar zu Funktionsstörungen führen kann.
- Die Datenkommunikation ist eingeschränkt: Die RTK-Technologie benötigt Datenkommunikationsverbindungen für die Datenübertragung zwischen Referenzstation und Mobilstation. Ein instabiles oder gestörtes Kommunikationssignal kann die Echtzeit und Genauigkeit der Messung beeinträchtigen. In abgelegenen Gebieten kann eine unzureichende Netzabdeckung die Anwendung der RTK-Technologie ebenfalls einschränken.
- Die Initialisierung dauert lange: In manchen Fällen benötigen mobile RTK-Stationen nach dem Hochfahren eine gewisse Zeit zur Initialisierung, um stabile, hochpräzise Positionierungsergebnisse zu erzielen. Dies kann die Arbeitseffizienz beeinträchtigen, insbesondere in Situationen, in denen schnelle Messungen erforderlich sind.
- Die Kosten sind relativ hoch: Die Gerätekosten für das RTK-System sind relativ hoch, einschließlich Referenzstationen, Mobilstationen und Datenkommunikationsgeräten. Um die Messgenauigkeit zu gewährleisten, sind zudem regelmäßige Kalibrierung und Wartung der Geräte erforderlich, was die Nutzungskosten ebenfalls erhöht.
Die Entwicklungsperspektiven der RTK-Technologie
Mit der kontinuierlichen Verbesserung globaler Navigationssatellitensysteme und der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie wird sich auch die RTK-Technologie weiterentwickeln und Innovationen hervorbringen. Derzeit entwickelt sich die RTK-Technologie hauptsächlich in folgenden Bereichen:
- Multisystemfusion: Fusion verschiedener globaler Navigationssatellitensysteme zur Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit und -zuverlässigkeit.
- Multisensorfusion: Fusion und Positionierung von Beobachtungsdaten verschiedener Sensoren, um das Positionierungsproblem unzuverlässiger RTK-Bedingungen zu lösen.
- Intelligente Entwicklung: Durch die Kombination von künstlicher Intelligenz, Big Data und anderen Technologien wird eine automatische Verarbeitung und Analyse von Messdaten erreicht und die Arbeitsgenauigkeit und -stabilität verbessert.
Lymow One auf Kickstarter:
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