Spurgenaue GPS Fahrzeuglokalisierung für moderne Fahrerassistenzsysteme durch die Übertragung von Korrekturdaten über Digitalradio (DAB)

1 Einleitung

Navigationssysteme sind heutzutage nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken. Ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt, hat sich das Global Positioning System (GPS) eine zentrale Rolle in der heutigen Zeit erarbeitet. Neben weiteren satellitenbasierten Positionierungssystemen (Global Navigation Satellite System, GNSS) wie zum Beispiel Glonass, Compass oder Galileo verwenden wir im Folgenden GPS als Platzhalter für die Satellitennavigation im Allgemeinen.

Die Genauigkeit aktueller GPS-Empfänger für Fahrzeuganwendungen liegt typisch im Bereich mehrerer Meter. Durch die Fusion der Positionen mit einer digitalen Karte fallendiese Fehler jedoch kaum ins Gewicht und es lassen sich seit Langem nützliche Dienste zur Routenplanung und –führung anbieten.

Für die nächste Generation der Navigationssysteme spielt die fahrstreifengenaue Lokalisierung eine wichtige Rolle, die insbesondere innerstädtisch und im Rahmen von Autobahnkreuzen sehr hilfreich sein kann. Anwendungen bei fahrstreifenabhängigen Tempolimits, wie bereits in Nordrhein-Westfalen praktiziert, sind zunehmend von Interesse.

Die Frage nach der aktuell genutzten Fahrspur kann bisher noch nicht in allen Fällen eindeutig beantwortet werden, da die Zuverlässigkeit der optischen Fahrzeugsensoren durch Mehrdeutigkeiten und Verdeckungen beeinträchtigt wird und herkömmliche GPS-Empfänger nicht die erforderliche Genauigkeit erzielen. Hier bieten externe Korrekturdaten eine Möglichkeit, die GPS-Ungenauigkeit deutlich zu reduzieren und den Sensor somit als eine weitere unabhängige Informationsquelle zur Erhöhung der Robustheit einer Spurschätzung zu verwenden.

In Kapitel 2 wird ein Überblick über GPS-Korrekturdaten und die Optionen zur Datenübertragung in das Fahrzeug gegeben. Kapitel 3 erläutert den prototypischen Aufbau einer DAB-Übertragungskette für Korrekturdaten. In Kapitel 4 werden danach Messergebnisse für die Genauigkeit der Fahrzeuglokalisierung mit und ohne zusätzlicher Korrekturdaten vorgestellt.

2 Optionen für die Übertragung von GPS-Korrekturdaten in das Fahrzeug

Die Positionsbestimmung mittels GPS wird durch diverse Fehlerquellen beeinflusst. Fehler wie Rauschen oder Mehrwegeausbreitung bilden spezifische Störungen, die jeden Empfänger anders beeinflussen. Im Gegensatz dazu existieren jedoch Störungen die alle Empfänger in einem Umkreis mehrerer Kilometer gleichermaßen betreffen, wie z.B. Störungen der Iono- und Troposphäre oder Abweichungen der Satellitenuhr. Referenzstationen können diese Fehler messen, um Korrekturdaten für die eine präzisere Lokalisierung zu erstellen. Dieses als Differential GPS (DGPS) bekannte Verfahren wird bereits umfangreich in landwirtschaftlichen, militärischen, vermessungstechnischen und anderen Anwendungen eingesetzt. Detailliertere Betrachtungen und Hintergründe dazu findet man z.B. in [1,2].

2.1 Arten von Korrekturdaten

Bei genauerer Betrachtung kann die DGPS-Technik in zwei Systeme unterschieden werden. Dies sind „Local-Area DGPS“ Systeme und „Wide-Area DGPS“ Systeme. „Local-Area DGPS“ Systeme setzten eine räumliche Nähe der Referenzstation zum Referenzgerät voraus. Es gibt allerdings auch Dienste [3], die über Triangulation mittels eines Referenzstationsnetzwerks eine virtuelle Referenzstation erzeugen und dafür Korrekturdaten aus dem Netzwerk berechnen. Im Allgemeinen gilt jedoch für „Local-Area DPGS“ Systeme, dass der Korrekturdatenstrom nur für kleinere Gebiete gültig ist, um eine ausreichende Genauigkeit zu erzeugen. Daher müssen z.B. für Deutschland eine Vielzahl von Korrekturdatenströmen übertragen werden. „Wide-Area DGPS“ Systeme gehen einen anderen Weg und versuchen über eine Modellbildung Korrekturen zu erzeugen, die über einen weiteren Bereich gültig sind. Hier wird aus einem Referenz-Stations-Netzwerk ein Modell der Atmosphäre berechnet und so die Korrekturdaten in einer Form generiert, die räumlich weit verteilt anwendbar ist. Hier spricht man meist von einer „State Space Representation“ (SSR). Sie reichen vom sehr grob aufgelösten, frei verfügbarem „Satellite-Based-Augmentation-System“ (SBAS) bis hin zu hochgenauen RTK-PPP Lösungen (Real Time Kinematics-Precise Point Positioning), die eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erlauben [4]. In den hier folgenden Untersuchungen wurden Local-Area DGPS und moderne SSR Systeme gleicher Güte verwendet und mit den freien SBAS Systemen verglichen.

2.2 Übertragung ins Fahrzeug

Um zusätzliche Korrekturdaten in einem beliebigen mobilen GPS-Empfänger einsetzen zu können, muss die Strecke zwischen Referenzstation und Empfänger überbrückt werden. In der Entwicklung wird sich hier für gewöhnlich einer mobilen Datenverbindung wie GSM oder UMTS bedient. Dies erschwert eine großflächige Nutzung in Kraftfahrzeugen, da diese meist noch nicht über eine solche Verbindung verfügen oder aber die Kosten relativ hoch sind. Außerdem stellen sich auch datenschutzrechtliche Fragen, wenn jeder Empfänger stets seine Position an einen Server übertragen müsste, um die für seinen Standort gültigen Korrekturen zu bekommen. Die Gültigkeit von Korrekturdaten für „Local-Area DPGS“ Systeme besitzt nur eine geringe regionale Ausdehnung. Daher besteht hierbei zur Übertragung der Korrekturdaten mit mobilen Datenverbindungen praktisch keine relevante Alternative.

Im Gegensatz hierzu bieten „Wide-Area DGPS“ Systeme eine weitere kommerziell interessante Möglichkeit zur Übertragung der Korrekturdaten. Da beispielsweise nur ein Korrekturdatenstrom für Deutschland notwendig ist, könnte dieser sehr effizient mit Hilfe von Rundfunknetzen, z.B. in Form von Digital Audio Broadcasting (DAB), übertagen werden. Primär für die Verbreitung von Audiodaten - sprich Radio - entwickelt, verfügt der Standard über weitere bereits standardisierte Übertragungsmodi. Einer dieser Modi ist die Möglichkeit zur Nutzung des Internet Protokolls. Der große Vorteil von auf Rundfunk ausgelegten Systemen ist die Erreichung einer beliebigen Anzahl an Empfängern bei verschwindenden Grenzkosten und ohne datenschutzrechtliche Bedenken, da eine Übertragung der Position an einen Server nicht notwendig ist.

3 Prototypische DAB Korrekturdaten-Übertragung

In einer Kooperation von Audi mit dem „Lehrstuhl für Informationstechnik mit dem Schwerpunkt Kommunikationselektronik“ (LIKE) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und dem Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) wurde eine prototypische DAB Korrekturdaten-Übertragung aufgebaut [4]. Die Bereitstellung der Korrekturdaten erfolgte z. B. mit Unterstützung der Firma Geo++ aus Garbsen bei Hannover. Abbildung 1 zeigt den Aufbau der umgesetzten Korrekturdatenübertragung mittels DAB. Der linke Block kennzeichnet den Sender (TX), der rechte den Empfänger (RX). Zunächst wird ein Korrekturdatenstrom über das Internet von Anbietern wie z. B. SAPOS (Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung) oder Geo++ abgerufen. Die Übertragung der Daten erfolgt hierbei im weit verbreiteten RTCM Format (Radio Technical Commission for Maritime Services). Mit Hilfe der Software GNSS Surfer1 werden die RTCMDaten anschließend in UDP (User Datagram Protocol) Pakete eingekapselt und an den DAB Content Server weitergeleitet. Der Content Server übernimmt das Multiplexing der IP/UDP Pakete in den Datenstrom des Studentenradios „bit express“2. Anschließend werden die Daten moduliert und mit mehreren hundert Watt Sendeleistung über die Infrastruktur des Studentenradios ausgesendet. Aufgrund der Nutzung des Internet Protokolls erfolgt die Aussendung der Daten im standardisierten IPoverDAB [5] Verfahren.

  1. http://igs.bkg.bund.de/root_ftp/NTRIP/software/GnssSurferV108b2.zip
  2. https://www.bitexpress.de/
  3. www.iis.fraunhofer.de/de/ff/amm/prod/digirundfunk/digirundf/dabdrmmplayer.html

Auf Empfangsseite werden die Daten mit einem kostengünstigen USB-Stick DAB-Empfänger der Firma „Terratec“ empfangen. Auf dem angeschlossenen Laptop erfolgt die Entkapselung der UDP-Pakete aus dem DAB-Datenstrom mit Hilfe des Fraunhofer DAB/DRM Multimedia Players3. Die UDP-Pakete werden danach über eine Netzwerkschnittstelle den GPS Empfängern, z. B. einem handelsüblichen uBlox8 Empfänger, zugänglich gemacht. Die Verzögerungszeit der gesamten DAB-Übertragungskette liegt in der Größenordnung von ca. 2s bei einer geringen Datenrate von nur 10kBit/s für die Korrekturdaten. Die GPS-Empfänger sind dabei für den Empfang der GPS-Signale an die Serienantenne des Fahrzeugs angeschlossen. Zusätzliche Software erlaubt zudem eine gezielte Überwachung des Empfangs und eine Ausgabe im Google Earth „KML“-Format. Somit kann der korrekte Empfang der Korrekturdaten über DAB ständig überwacht und in die spätere Auswertung mit einbezogen werden.

4. Messfahrten

Um den Nutzen von zusätzlichen Korrekturdaten für 1-Frequenz GPS Endgeräte, wie sie momentan in der Automobilbranche verbreitet sind, aufzuzeigen, wurden mehrere Messreihen durchgeführt. Hierzu wurde ein Audi A8 ohne relevante Änderungen zum Serienstand genutzt. Zwei baugleiche GPS-Empfänger wurden an die Serienantenne angeschlossen. Diese GPS-Empfänger unterstützen bereits die Nutzung von SBAS Korrekturdaten, die von geostationären Satelliten ausgestrahlt werden. Zusätzlich erhielt jedoch einer der beiden Empfänger zusätzliche Korrekturdaten, die über Mobilfunk oder DAB übertragen wurden. Zur Bestimmung der Referenzposition diente das RTK-System ITraceRF400 der Firma IMAR, das Positionsangaben mit Abweichungen von wenigen cm zur Verfügung stellen kann. Anhand dieses Aufbaus konnte die Positionsgenauigkeit mit und ohne Korrekturdatenuntersucht werden, wobei als Referenzposition die Positionsangabe des Referenzempfängers diente.

4.1 Messfahrt mit atmosphärischen Korrekturdaten

Hierbei wurde ein 1-Frequenz GNSS Endgerät (uBlox 6) verwendet. Als zusätzliche Korrekturdaten wurden lediglich Code-Korrekturdaten verwendet, da komplexere Korrekturverfahren von diesem Empfänger nicht unterstützt werden. Die Korrekturdatenwurden anhand von atmosphärischen Modellen (SSR) mit Hilfe der Daten von Geo++berechnet und über eine Mobilfunkverbindung übertragen. Es wurden mehrere Szenarien untersucht, wobei sich dieser Artikel auf die Szenarien „Autobahn“ und „Stadt“ beschränkt. Für das Szenario Autobahn wurden in einem Zeitraum von zwei Wochen vier Messfahrten zu unterschiedlichen Tageszeiten unternommen. Für das Szenario „Stadt“ waren dies zwei Messfahrten. Alle gefahrenen Strecken sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Auswertung basiert auf einem Datensatz von knapp 15000 bzw. 4000 Messpunkten zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Daher lassen sich signifikante Aussagen über die Leistungsfähigkeit im Alltagseinsatz treffen. Es wurde hier in Anlehnung an den Ein-Sigma und Zwei-Sigma Wert bei Normalverteilungen, das Circular Error Probable (CEP) für 68% und 95% der Daten, ermittelt. Das heißt, bei einem CEP95 von 10m besitzen 95% der gemessenen Positionen eine Abweichung von weniger als 10m von der Position des Referenzsystems. Zudem wird unterschieden zwischen einem horizontalen Fehler und dem Spurfehler, der für eine spurgenaue Lokalisierung das entscheidende Kriterium ist.

Tabelle 1: Ergebnisse der Messfahrten zu SSR Korrekturdaten

Autobahn


Stadt


Absoluter FehlerSpurfehler (Quer zur Fahrtrichtung)Absoluter Fehler

Spurfehler (Quer zur Fahrtrichtung)

CEP68CEP95CEP68CEP95CEP68CEP95CEP68CEP95
SBAS2.2m4.4m1.5m3.34.2m17.5m2.6m16.7m
SSR1.5m2.7m1.1m2.32.4m15.7m1.5m

14.7m

An den Ergebnissen in Tabelle 1 wird deutlich, dass der absolute Fehler etwa um die Hälfte größer ist, wenn lediglich die SBAS-Korrekturdaten genutzt werden. Für den Fehler quer zur Fahrtrichtung lässt sich ebenso eine deutliche Steigerung erkennen. Die Spurgenauigkeit (ca. 1-1,5m) erreicht man lediglich im 68% Quantil. Die Aussagen über die Autobahnfahrten lassen sich in ähnlicher Weise auf die Stadt übertragen. Es wird beim 68% Wert eine deutliche Reduktion des Fehlers bei Verwendung von SSR-Korrekturen sichtbar. Erwartungsgemäß sind die 95% Werte deutlich größer als auf der Autobahn, da hier mit zahlreichen Mehrwegeeffekten (z. B. durch Reflektionen an Gebäuden) und Abschattungen zu rechnen war. Von einer zuverlässigen Spurgenauigkeit kann beim Szenario „Stadt“ daher nicht gesprochen werden. Hierzu wäre die Nutzung weiterer Verfahren notwendig, um die Effekte durch die Mehrwegeausbreitung zu reduzieren.

4.2 Messfahrt mit DAB-Übertragung

Während in Abschnitt 4.1 die Korrekturdaten über Mobilfunk übertragen wurden, erfolgte hier die Übertagung der Daten mittels DAB. Analog zu den Messfahrten in Abschnitt 4.1 wurden wieder zwei GPS-Endgeräte gleicher Bauart (uBlox 8) miteinander gegen die Referenzsensorik verglichen. Als Datengrundlage dienten 58 Minuten Autobahnfahrt mit ca. 18000 Messpunkten im Großraum Nürnberg. Aufgrund der robusten DAB-Übertragung konnte an nahezu allen Messpunkten ein fehlerfreies DAB-Signal empfangen werden, sodass Korrekturdaten zur Verfügung standen. Als Korrekturdatendienst wurde jedoch der EPS Dienst von SAPOS (Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung) Bayern genutzt. In Tabelle 2 werden die Ergebnisse der Messfahrt in tabellarischer Form aufgezeigt. Wieder werden das 68% Quantil und das 95% Quantil der Verteilung der horizontalen Abweichung zur Referenzsensorik angegeben.

Im Vergleich zu den Ergebnissen aus Kapitel 4.1 fällt auf, dass bereits die Messwerte nur bei Verwendung von SBAS bereits einen geringeren Fehler aufweisen. Aufgrund der unterschiedlichen GPS-Empfänger und der unterschiedlichen Messrouten können die Ergebnisse jedoch nicht direkt verglichen werden. Die prozentuale Reduktion des Fehlers bei Verwendung zusätzlicher Korrekturdaten (SAPOS EPS) ist jedoch mit den Ergebnissen aus Tabelle 1 vergleichbar. Die Genauigkeit im 95% Quantil erzielt eine spurgenaue
Lokalisierung.

Tabelle 2: Ergebnisse der Messfahrt zur DAB Übertragung
Autobahn
absoluter FehlerSpurfehler (Quer zur Fahrtrichtung)
CEP68CEP95CEP68CEP95
SBAS1.9m2.83m1m2.3m
SAPOS EPS1.2m2.18m0.68m1.1m

Abbildung 4 zeigt zusätzlich die empirische Verteilung des Spurfehlers mit und ohne die Verwendung zusätzlicher Korrekturdaten. Hierbei wird die Reduktion des Spurfehlers besonders deutlich. Insbesondere wird das Auftreten großer Spurfehler reduziert, die in der Realität besonders kritisch sind. Allerdings stellt sich auch hier die Frage, in wieweit Effekte durch Mehrwege-Empfang die Genauigkeit negativ beeinflussen. So könnte durch gezielte Betrachtung der Mehrwege-Effekte eine deutliche Steigerung der Genauigkeit möglich sein.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Es wurde ein Konzept entwickelt, um GPS Korrekturdaten über DAB in ein Fahrzeug zu übertragen, um eine differentielle Positionslösung zu ermöglichen. Hierbei bietet sich insbesondere die Nutzung von „Wide-Area DGPS“ Systemen an, die z.B. von der Firma Geo++ angeboten werden. Der Nutzen von Korrekturdaten unter Nutzung relevanter GPSEndgeräte wurde evaluiert und die Reduktion des Fehlers aufgezeigt. Zudem wurde die Übertragung der Korrekturdaten mit DAB prototypisch umgesetzt.
Als besonders signifikant muss die Verbesserung des Spurfehlers (Fehler quer zur Fahrtrichtung) betrachtet werden, der mit 1.1m (CEP95) und entsprechend genauen Karten eine eindeutige Spurzuordnung erlaubt. Mit aktuellerer Hardware (uBlox 8 Empfänger) wurden diese Ergebnisse sogar überboten.
Erwartungsgemäß führt der Einfluss von Mehrwegeausbreitungen in der Stadt zu Fehlern, die nicht durch die Übertragung zusätzlicher Korrekturdaten behoben werden können. Daher befindet sich die Reduktion der Fehler aufgrund von Mehrwegeausbreitung momentan im Fokus der Wissenschaft. Grundsätzlich kann jedoch gesagt werden, dass die Nutzung von DAB mit „Wide-Area DGPS“ Systemen eine interessante Option für eine präzise Fahrzeugortung ist. Dies gilt insbesondere, da es aktuell Pläne zu einer lückenlosen DAB-Versorgung gibt und DAB Empfänger bereits in vielen Fahrzeugen vorhanden sind.

Danksagungen

Wir möchten uns an dieser Stelle beim Fraunhofer IIS aus Erlangen für die Unterstützung beim DAB-Sender und -Empfänger bedanken. Ein zusätzlicher Dank geht an die Firma Geo++ für die testweise Bereitstellung eines SSR Korrekturdatenstroms.

Autor des Artikels:

Dipl.-Inf. Florian Mickler, Audi Electronics Venture GmbH, Gaimersheim