An enhanced RTK protocol for L1 GPS receivers

Abstract

Dünyada GPS alıcılarının çözümlediği bilinen üç frekans vardır. Bunlar L1, L2 ve L5'tir. L1 ve L2 ticari amaçlı olup L5 askeri amaçlar için kullanılmaktadır. Piyasada bulunan ucuz L1 alıcıları, hava koşulları ve benzer etkenler dolayısıyla 1 metre ile 20 metre arası hata ile sonuç vermektedir. Haritacılık sektörü uygulamalarında ise hassas ölçümlemeye ihtiyaç duyulan alanlarda çok daha pahalı olan L1 L2 alıcıları kullanılmaktadır. Bu alıcılara D-GPS adı verilir. Bu alıcılar bir noktada uzun süre bekletilerek gerekli filtrelemeler sonucu 30 cm hassasiyete kadar sonuç verebilmektedir. Daha hassas ölçüme ihtiyaç duyulan durumlarda ise, birden çok ölçümlemenin yapılacağı araziye bir adet sabit referans D-GPS istasyonu kurularak, mevcut bölgedeki anlık ölçüm hatası tespit edilir. Bu hata, yön ve mesafe bilgisi olarak arazide ölçüm yapan diğer (gezici) D-GPS cihazına kablosuz bir data link modülüyle gönderilir. Bu doğrulama bilgisinin protokolü, pahalı L1 L2 D-GPS alıcıları için uygulanan RTCM adlı binary formatlı karmaşık bir protokoldür. RTCM formatındaki bu doğrulama bilgisini edinen gezici cihaz, kendi hatasını bu bilgi ile düzeltir. Bu doğrulama işlemine RTK (Real Time Kinematics) adı verilir. Bu işlem ile 30 cm civarındaki doğruluk 3 cm'ye kadar yükseltilir. Bu çalışmada amaç, sadece çok pahalı L1 L2 D-GPS cihazları için geçerli olan RTK yönteminin çok daha ucuz olan L1 GPS cihazları için de uygulanabileceği ve RTCM formatından daha basit ve anlaşılır bir formata sahip alternatif bir protokol geliştirerek, çok hassas olmasa da ucuz GPS cihazlarının ölçüm hatasını 20~50 cm seviyelerine indirmektir. Gerekli protokolleri yazmak ve deneyleri icra etmek için bir baz GPS donanımı tasarımı yapılacaktır. Çalışma sonucu görülmüştür ki, ucuz GPS alıcıları ile orta hassasiyette konum elde edebilecek bir sistem geliştirerek haritacılık sektöründe düşük maliyetlerle çalışma yapabilecek bir cihaz ve yöntem üretilebilmektedir.

There are three known bands around the world that GPS receivers analyse. They are named as L1, L2 and L5. L1 and L2 are for commercial use while L5 is for military use. Widely available cheap L1 receivers in the market produces a coordinate result with an error of 1 to 20 meters because of weather conditions and the other similar effects. In mapping sector and its applications, where precise and accurate computation is needed, much more expensive L1 L2 band receivers are used. These receivers are named as D-GPS. D-GPS receivers compute its coordinate point with an accuracy of up to 30 cms by waiting on a point for a long time. In cases where more precise measurement is needed, a fixed reference D-GPS station is installed on the land that to be measured for multiple measurements, so the instantaneous measurement error in the current area is determined. This error as direction and distance information, is sent with a wireless data link module to the other (traveling) D-GPS that measures the field. The protocol for this verification information is a complex binary protocol called RTCM, implemented for expensive L1 L2 D-GPS receivers. Having acquired this verification information in RTCM format, the mobile device corrects its own error with this information. This verification process is called RTK (Real Time Kinematics). With this process, the accuracy of about 30 cm is raised to 3 cm. The purpose of this study is to develop an alternative protocol that is simpler and more understandable than the RTCM format that can only be applied to the much cheaper L1 GPS devices, which is the RTK method for very expensive L1 L2 D-GPS devices, to reduce the measurement error to 20 ~ 50 cm levels. In order to code the necessary protocols and perform experiments, a base GPS equipment design will be done. As a result of the study, it is shown that, a device and a method that can work at low cost in the cartography sector can be produced by developing a system that can obtain a position with medium sensitivity with cheap GPS receivers.