Ανάπτυξη ενός γεωδαιτικού δέκτη GNSS υψηλής ακρίβειας με τη χρήση ΟΕΜ προϊόντων, τεχνολογίας τρισδιάστατου εκτυπωτή και λογισμικού για smartphones

Abstract

The present doctoral dissertation, “Development of a high-precision GNSS geodetic receiver using OEM components, 3D printing technology and smartphone software”, is structured in six chapters and four appendices. The subject and objectives of this thesis, as well as its originality, are briefly outlined in Chapter 1. The primary goal was to create two receivers, one as a permanent reference station and one as a rover. Chapter 2 investigates recent 3D printing processes in depth, with focus on the FFF/FDM technique, which was used to create the enclosures of the receivers developed in the framework of this thesis. Chapter 3 thoroughly covers all stages of the receiver's development as a permanent reference station. The third chapter describes all the different electronic components that comprise the receiver, as well as their connections. Simultaneously, it thoroughly specifies the steps of design and additive manufacturing of the components that comprise the receiver's housing, as well as the processes of assembly of the electronic components within the housing. The receiver management software development is also described. In addition to this chapter, the receiver's anticipated production cost is mentioned, and its technical attributes are compared to those of a commercial, third-party manufacturer receiver. Finally, Chapter 3 explains how to install and use the receiver as a permanent reference station. The organization of Chapter 4 is identical to that of Chapter 3, and it examines the stages of development of the rover receiver. The quality of the raw and derived GNSS data for the two receivers created in this thesis is examined in Chapter 5. Using a zero-baseline configuration, the receiver's raw data as a permanent station is compared with the corresponding commercial GNSS receiver using appropriate software for quality control and calibration. Chapter 5 also includes simple differences error estimates for all receiver supported GNSS systems, as well as matching carrier frequencies for phase measurements. Chapter 5 continues with the quality control stages of the mobile GNSS receiver, which include the quality control of the extracted raw data for a set period, receiver calibration according to the international standard ISO 17123-8, and further investigation of the reliability of the NRTK technique at selected reference sites. The investigation is conducted by comparing the derived NRTK position of the specified reference sites from the rover receiver developed for this dissertation to the matching NRTK positions of two other commercial mobile receivers. In chapter 6, the conclusions drawn from the preparation of this thesis are summarized. Annex A includes all the electromechanical components and consumables used for the development of the receivers. Annex B contains the source code on which the functionality of the receivers is based. Appendix C includes the wiring diagram of the electronic components of the rover receiver motherboard. Finally, appendix D includes the ISO 17123-8 certificate of the rover GNSS receiver.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Ανάπτυξη ενός γεωδαιτικού δέκτη GNSS υψηλής ακρίβειας με τη χρήση OEM προϊόντων, τεχνολογίας τρισδιάστατου εκτυπωτή και λογισμικού για smartphones» διαρθρώνεται σε έξι κεφάλαια και τέσσερα παραρτήματα. Στο κεφάλαιο 1, περιγράφονται συνοπτικά το αντικείμενο και οι στόχοι της παρούσας διατριβής, καθώς και η πρωτοτυπία της. Κεντρικός στόχος, ήταν η ανάπτυξη ενός δέκτη ως μόνιμου σταθμού αναφοράς και ενός κινητού δέκτη. Το κεφάλαιο 2, παρέχει μια ολοκληρωμένη διερεύνηση των σύγχρονων τεχνικών επιτραπέζιας τρισδιάστατης εκτύπωσης με έμφαση στην τεχνική FFF/FDM, στην οποία και βασίστηκε η παραγωγή του εξωτερικού περιβλήματος των δεκτών που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Το κεφάλαιο 3 εξετάζει σχολαστικά όλα τα στάδια ανάπτυξης του δέκτη ως μόνιμου σταθμού αναφοράς. Αρχικά παρουσιάζεται το σύνολο των επιμέρους ηλεκτρονικών εξαρτημάτων που απαρτίζουν το δέκτη, αλλά και τη διασύνδεση αυτών. Ακολούθως παρατίθενται ενδελεχώς τα στάδια σχεδιασμού και προσθετικής κατασκευής των εξαρτημάτων που απαρτίζουν το περίβλημα του δέκτη, καθώς και τα στάδια συναρμολόγησης των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, εντός του περιβλήματος. Παρουσιάζεται, επίσης, τη διαδικασία ανάπτυξης του λογισμικού διαχείρισης του δέκτη. Επιπρόσθετα στο κεφάλαιο αυτό, παρατίθεται το εκτιμώμενο κόστος κατασκευής του δέκτη και συγκρίνονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά του με τα αντίστοιχα εμπορικού δέκτη, τρίτου κατασκευαστή. Τέλος το κεφάλαιο 3, περιγράφει τη διαδικασία εγκατάστασης και λειτουργίας του δέκτη ως μόνιμου σταθμού αναφοράς. Το κεφάλαιο 4, έχει αντίστοιχη διάρθρωση με το κεφάλαιο 3, εξετάζοντας τα στάδια ανάπτυξης του κινητού δέκτη. Το κεφάλαιο 5 επικεντρώνεται στην αξιολόγηση της ποιότητας των πρωτογενών και των παραγόμενων δεδομένων GNSS για τους δυο δέκτες που πραγματεύεται η παρούσα διατριβή. Ο ποιοτικός έλεγχος και η βαθμονόμηση του δέκτη ως μόνιμου σταθμού αναφοράς γίνεται με τη βοήθεια διάταξης μηδενικής βάσης με τα πρωτογενή του δεδομένα να συγκρίνονται με τα αντίστοιχα εμπορικού δέκτη GNSS, με τη βοήθεια κατάλληλων λογισμικών. Επιπρόσθετα στο κεφάλαιο 5, παρατίθενται οι εκτιμήσεις των σφαλμάτων των απλών διαφορών για όλα τα υποστηριζόμενα από τους δέκτες συστήματα GNSS, και τις αντίστοιχες φέρουσες συχνότητες για τις παρατηρήσεις των φάσεων. Το κεφάλαιο 5 συνεχίζει με τα στάδια του ποιοτικού ελέγχου του κινητού δέκτη GNSS, τα οποία περιλαμβάνουν τον ποιοτικό έλεγχο των εξαγόμενων πρωτογενών δεδομένων για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, τη βαθμονόμηση του δέκτη κατά το διεθνές πρότυπο ISO 17123-8, καθώς και την περαιτέρω διερεύνηση της αξιοπιστίας της τεχνικής NRTK, σε επιλεγμένες τοποθεσίες αναφοράς. Η διερεύνηση, γίνεται με τη βοήθεια της σύγκρισης της εξαγόμενης θέσης NRTK των επιλεγμένων σημείων αναφοράς από τον κινητό δέκτη που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της διατριβής, με τις αντίστοιχες θέσεις NRTK δυο επιπρόσθετων εμπορικών κινητών δεκτών. Στο κεφάλαιο 6, παρατίθενται συνοπτικά τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την εκπόνηση της παρούσας διατριβής. Το παράρτημα Α, περιλαμβάνει το σύνολο των ηλεκτρομηχανικών εξαρτημάτων και αναλωσίμων που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη των δεκτών. Το παράρτημα Β, εμπεριέχει τον πηγαίο κώδικα στον οποίο βασίζεται η λειτουργικότητα των δεκτών. Το παράρτημα Γ, περιλαμβάνει το διάγραμμα της συνδεσμολογίας των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων της μητρικής πλακέτας του κινητού δέκτη. Τέλος το παράρτημα Δ, περιλαμβάνει το πιστοποιητικό ISO 17123-8, του κινητού δέκτη.