Satelliitti- ja pseudoliittinavigoinnin tukiasemaratkaisu

Abstract

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli suunnitella ja toteuttaa reaaliaikaisen kinemaattisen paikannuksen tukiasemaratkaisu, joka kykenee käyttämään paikan- ja nopeudenmäärityksessä sekä satelliitti- että pseudoliittisignaaleja. Tukiasemaratkaisua tullaan käyttämään Space Systems Finlandin Harbour Environment Pseudolites -järjestelmässä, jonka tarkoitus on laajentaa reaaliaikaisen kinemaattisen paikannuksen käyttöä sellaisiin käyttöympäristöihin, joissa luotettava kokoaikainen yhteys satelliitteihin on syystä tai toisesta mahdotonta.

Järjestelmä perustuu maanpäällisten GPS L1 -signaalilähteiden – pseudoliittien – käyttöön reaaliaikaisessa kinemaattisessa paikannuksessa satelliittisignaalien lisäksi. Pseudoliittien käyttö mahdollistaa navigoinnin tilanteissa joissa satelliittisignaalien kulkutie vastaanottimelle katkeaa esimerkiksi liikkuvien laitteiden takia, parantaa mittaustarkkuutta ja nopeuttaa sijaintiratkaisun palautumista käyttöön tilanteissa, joissa signaalit syystä tai toisesta katkeavat. Järjestelmä koostuu tyypillisesti yhdestä tai useammasta pseudoliitistä, yhdestä tai useammasta tukiasemasta ja yhdestä tai useammasta liikkuvasta vastaanottimesta. Tukiasema lähettää jatkuvasti liikkuvalle vastaanottimelle pseudoetäisyyteen ja kantoaallon vaiheeseen perustuvaa mittausdataa, jonka avulla liikkuva vastaanotinlaite kykenee laskemaan oman suhteellisen sijaintinsa erittäin tarkasti ja luotettavasti.

Tukiasemaratkaisu toteutettiin parhaiten vaatimuksiin sopivin komponentein, jotka konfiguroitiin suunnittelun ja testauksen tuloksena optimaalisella tavalla, ja joiden käyttämät viestityypit ja protokollat määriteltiin olosuhteita parhaiten hyödyntäviksi. Testauksessa tukiasemaratkaisu havaittiin toimivaksi ja se vastasi vaatimusmäärittelyjä. Laitteistoa ei saatu toimimaan kokonaan standardimuotoisin viestein, sillä viestityypin käytössä oleva versio ei tukenut pseudoliittisignaalien käyttöä. Tulevaisuutta ajatellen kehityskohteena on seuraavan pseudoliitteja tukevan standardin käyttöönoton yhteydessä viestityyppien muuttaminen standardimuotoisiksi helpottamaan eri laitevalmistajien laitteiden käyttöä keskenään.

The purpose of this thesis was to design and implement a base station solution for real time kinematic positioning capable of using both satellite and pseudolite signals. The base station is to be used in Space Systems Finland’s Habour Environment Pseudolites system, the purpose of which is to make real time kinematic positioning available to environments where it has traditionally been impossible due to frequent signal outages and strong multipath effects. The system is based on the usage of terrestrial GPS L1 signal generators – pseudolites – with real time kinematic positioning in addition to satellite signals. This makes real time kinematic navigation possible in difficult environments where the satellite signals are frequently lost due to e.g. moving machinery; it also makes the navigation solution more reliable and accurate and speeds up its re-initialization if the signals are lost. The system consists of one or several pseudolites, one or several base stations and one or several rover stations. The base station continuously broadcasts data of its pseudorange and carrier phase measurements to the rover station and using this data the rover station can calculate its own relative position with high accuracy and reliability.

The base station was designed and constructed using hardware components most suitable for the system’s operation and configured according to the results of design and testing for the most optimized performance. Protocols and message types for inter-device communication were chosen so that the system’s operation would be as optimized and as reliable as possible. Testing proved the base station to be functioning as planned and its operation to adhere to initial product requirements. The usage of completely standardized message types proved to be impossible since the current version of the message standard used does not support pseudolite operations. In the future the system could be updated to use standardized messages when updating to a pseudolite supporting version of the standard.