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Einführung
GPS, das Global Positioning System ist die Grundlage für alle modernen Navigations - und Ortungssysteme im Bereich der Land- ,Luft, - und Seenavigation.
Es ist ein satellitengestützter Mobilfunkdienst, der in den 70er Jahren vom amerikanischen Verteidigungsministerium für militärische Zwecke aufgebaut wurde und auch heute noch unterhalten wird. Die Leitzentrale "Master Control Station" für das GPS befindet sich in der Schriever Air Force Base (ehemals Falcon AFB), in der Nähe von Colorado Springs.
Das System besteht aus 24 Satelliten, die auf sechs kreisförmigen Bahnen im 24 Stunden Rhythmus in einer Entfernung von rund 20 000km um die Erde kreisen.
Diese Anordnung stellt sicher, daß immer mindestens das Signal von vier Satelliten erfaßt werden kann. Dies stellt die Positionsberechnung mittels Triangulationsprinzip (mind. drei Satelliten) sicher. Hier bei können über gemometrische Berechnungen die Entfernungen zum Satelliten anhand der Signallaufzeit berechnet werden. Da die Postition von mindestens drei Satteliten bekannt ist, kann damit die Position bestimmt werden.
Jeder Satellit sendet 50 mal pro Sekunde drei verschiedene Signale: Den Pseude-Zufalls-Code (zur Positionsbestimmung), das Almanach-Signal (Satellitenstandort) und das Zeitkorrektur-Signal (Zeitbestimmung).
Der Pseudo-Zufalls-Code wird auf zwei unterschiedlichen Frequenzen ausgesendet. Der eine ist für die militärische Nutzung, der zweite für die zivile Nutzung vorgesehen. Für die zivile Nutzung wurde das Signal bis Mai 2000 mit einem künstlichen Timing-Fehler versehen, der die Genauigkeit der Positionsbestimmung auf ca. 100 m beschränkte. Am 2.Mai 2000 um 5:05 Uhr wurde die Signalverschleierung - selective availability - kurz SA" dann abgeschaltet.
Mit mathematischen Funktionen im Empfängerteil von hochwertigen GPS Receivern konnte der Timingfehler in den Jahren bis 2000 jedoch auch korrigiert werden, so daß Genauigkeiten von 20 bis 30 Metern machbar waren. Heute ist die Genauigkeit der Positionsbestimmung durch die Aufhebung der `Signalverschleierung(SA)` für die zivile Nutzung mit 5-25 Metern Abweichung , je nach verwendetem GPS-Empfänger, für die einfache zivile Nutzung mehr als ausreichend. Je nach Stellung der Satelliten am Himmel ist die Qualität des GPS-Signals jedoch auch stark zeit- und ortsabhängig.
Für die Güte der Satellitengeometrie wird der DOP-Wert angegeben. H-DOP für den horizontalen Wert und V-DOP für den vertikalen Wert(dieser ist jedoch im Bereich Strassennavigation nicht weiter von Bedeutung. So sind HDOP-Werte unter 4 sehr gut, über 8 jedoch schlecht. Die HDOP Werte werden schlechter, wenn sich die empfangenen Satelliten hoch am Himmel befinden. VDOP Werte hingegen sind eher schlechter, wenn sich die Satelliten sehr nahe am Horizont befinden. Die HDOP und VDOP Werte werden im NMEA-Satz $GPGSA ausgegeben.
GPS-Signale werden in einem sehr hohen Frequenzbereich (~ 1,5 GHZ ) ausgesendet, um die weiten Distanzen problemlos zurückzulegen. Nachteil der hohen Frequenzen ist die leichte Abschirmbarkeit der Signale bei fehlender Sichtverbindung zum Himmel z.B. in Gebäuden. Zur Nutzung von GPS-Signalen in Gebäuden gibt es mittlerweile Spezialantennen die einen Empfang in Gebäuden ermöglichen. Deshalb sollte beim Aufbau eigener präziser GPS-Anwendungen grundsätzlich vor allem auf eine hohe Qualität der Antenne geachtet werden("Jedes GPS-Anwendung ist so gut wie seine Antenne" - Joe Wynders/GPS-Systems for High Precision/2004).
Um das GPS Signal für die Navigation verwenden zu können, benötigt man das passende Kartenmaterial, das in digitaler vektorisierter Form vorliegen muß. Die Vektorform wird benötigt, um mittels mathematischer Funktionen eine Routenberechnung durchführen zu können.
Die Positionmarkierungen des Kartenmaterials werden so mit dem empfangenen Signal abgeglichen und die Route zu einem definierten Zielpunkt kann berechnet werden.
Zukünftig wird vor allem GALILEO, ein GPS-System der europäischen Gemeinschaft, das mittlerweile veraltete GPS-System der Amerikaner revolutionieren und der bestehenden Abhängigkeit der EU vorbeugen. Die Inbetriebnahme ist für 2008 geplant.
GPS-Module sind inzwischen auch recht preiswert mit RS232 Schnittstelle für Mikrocontroller erhältlich.
Wieviel Satelliten sind notwendig?
Es reichen drei Satelliten, damit daraus die genaue Position und Höhe bestimmt werden kann. Dies setzt jedoch eine genaue Zeitvorgabe voraus. In der Praxis haben aber die Mehrzahl der GPS-Empfänger keine Uhr, die genau genug ist, um daraus die Laufzeiten korrekt berechnen zu können. Deshalb wird meistens das Signal eines vierten Satelliten herangezogen um die Position möglichst genau zu bestimmen. 3 Satelliten reichen jedoch stets aus um die genaue 2D-Position zu ermitteln.
Aber unsere Erde ist dreidimensional, braucht man dann nicht doch vier Satelliten?
Theoretisch ja, in der Praxis nein! Man kann in der Praxis auch mit drei Satelliten eine Ortsbestimmung erhalten, aber wie erwähnt nur eine zweidimensionale Position. Zweidimensional bedeutet, dass sich die zu bestimmende Position auf der Erdoberfläche befinden muss. Der für die Berechnung notwendige vierte Satellit wäre der Erdmittelpunkt und die zu diesem Satelliten bestimmte Entfernung wäre die Entfernung der Erdoberfläche vom Erdmittelpunkt (6360 km). Somit hat man wieder vier gemessene Pseudoentfernungen aus denen die tatsächliche Position bestimmt wird. Aber eben mit der Einschränkung, dass der Empfänger immer davon ausgeht, dass man sich direkt auf der Erdoberfläche befindet. Erdoberfläche meint in diesem Fall das Erdgeoid, also Meereshöhe. Ist das nicht der Fall (ist man z.B. auf einem Berg), kommt es zu Fehlern, also Ungenauigkeiten bei der Bestimmung, da die Laufzeiten von den Satellitensignalen nicht stimmen.
Typen von GPS-Satelliten
Man unterscheidet fünf Klassen von GPS-Satelliten: Block I, Block II, Block IIA, Block IIF und Block IIR-Satelliten.
Block I
Zwischen 1978 und 1985 wurden von Kalifornien elf Block I-Satelliten (Masse 845 kg) gestartet, von denen heute keiner mehr in Betrieb ist, von denen jedoch einige, obwohl nur für 4,5 Jahre konzipiert, mehr als 10 Jahre in Betrieb waren.
Block II
Die Konstellation der Block II-Satelliten unterscheidet sich durch die Inklination der Bahnebenen von 55 von der der Block I-Satelliten (63 ). Des weiteren waren sämtliche Signale der Block I-Satelliten zivilen Nutzern zugänglich, die der Block II-Satelliten jedoch nur eingeschränkt. Der erste Block II-Satellit kostete an die $ 50 Mio., wog mehr als 1.500 kg und wurde 1989 von Cape Canaveral gestartet. Block II-Satelliten sind für 7,5 Jahre ausgelegt und erreichen eine durchschnittliche Betriebsdauer von 6 Jahren.
Block IIA
Der erste Block IIA-Satellit (A : advanced) wurde 1990 in die Umlaufbahn geschossen.
Block IIR
Die Block IIR-Satelliten (R.replacement) mit einer angestrebten Betriebsdauer von 10 Jahren befinden sich noch in Entwicklung (1992) und werden vorraussichtlich Wasserstoff-Maser an Bord haben. Diese Atomuhren sind mindestens um eine Größenordnung genauer als die an Bord der Block II-Satelliten befindlichen Atomuhren. Satelliten vom Typ Block IIR wiegen mehr als 2.000 kg, kosten jedoch nur die Hälfte wie solche vom Typ II. Block IIR-Satelliten sollen mit Hilfe eines Space Shuttle in die Umlaufbahn gebracht werden, wobei jeder Shuttle bis zu drei Satelliten in die Umlaufbahn bringen könnte, was eine schnelle Vervollständigung der Satellitenkonstellation ermöglicht.
Block IIF
Die nächste Generation von Satelliten, die vom Typ IIF (F: follow on) werden zwischen 2000 und 2010 gestartet werden, ausgelegt für einen Betrieb von mindestens 10 Jahren.
NMEA-0183 Datenprotokoll
Um GPS Daten an Endgeräte wie Pocket PC´s, Microcontroller weiterzugeben, bedient man sich vorwiegend des sogenannten MNEA Protokolles. Mit Hilfe der weitestgehend standardisierten NMEA-Daten gelingt es sehr leicht, die Daten praktisch jedes GPS-Geräts mit einem Navigations- und Kartenprogramm auf dem PC, Laptop oder Handheld zu verwenden. Sogenannte GPS-Mäuse (GPS-Empfänger ohne Display nur mit serieller Schnittstelle) kommunizieren ausschliesslich auf diese Art mit Ihrer Aussenwelt. In der Seefahrt werden Kursplotter und ähnliches mit Hilfe von NMEA-Datensätzen mit Positionsdaten versorgt.
NMEA steht für National Marine Electronics Association (Nationale Vereinigung für Marineelektronik). Diese Vereinigung engagiert sich für die Ausbildung und den Fortschritt der Marine-Elektronikindustrie und dem Markt, den diese bedient. Es handelt sich dabei um eine nicht auf Profit ausgelegte Vereinigung von Herstellern, Vertreibern, Ausbildungsinstitutionen und anderen mit Interesse an diesem Markt (frei aus "NMEA News").
Das Protokoll NMEA-0183
Die NMEA hat nun unter anderem den Standard NMEA-1083 definiert, um einen Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten aus der Marineelektronik zu ermöglichen. Die NMEA-0180,0182 und 0183 Standards (die ersten beiden sind nicht mehr von Bedeutung) sehen pro "Netz" ein Sendegerät und diverse Empfangsgeräte vor. Der Sender soll Daten nach dem RS-232-Standard (vom PC als Datenformat der COM-Schnittstellen bekannt) ausgeben. Die Datenrate beträgt 4800 baud (ca. 600 bytes/Sekunde) und es ist in diesem Standard kein Stecker oder ähnliches definiert. Die Anschlussart bleibt also dem Hersteller überlassen, weswegen alle Geräte unterschiedliche Stecker benötigen.
Die Einschränkung, dass es nur einen Sender geben darf sorgt dafür, dass nicht wild durcheinandergequatscht wird. Sollen die Daten von mehreren Geräten zusammengefasst werden, braucht man mindestens ein Gerät, dass auch als Empfänger arbeitet und alle erhaltenen Daten in einen neues "Netz" wieder kombiniert einspeist.
Die Daten werden im ASCII-Format (American Standard Code for Information Interchange, Amerikanischer Standard Code für Informationsaustausch) übertragen. Dabei sind alle druckbaren Zeichen sowie Carriage-Return (CR, Waagenrücklauf) und Line-Feed (LF, Neue Zeile) erlaubt und die Daten werden in der Form von Sätzen übertragen. Jeder dieser Sätze beginnt mir dem Zeichen "$", einer zwei Zeichen langen Senderkennung, einer drei Zeichen langen Satzkennung und dann folgt eine Reihe von Datensätzen, die mit Kommas unterteilt werden. Schliesslich wird der Satz mit einer optionalen Prüfsumme und einer CR/LF abgeschlossen. Jeder Satz kann inklusive des führenden "$" und den beiden CR/LF bis zu 82 Zeichen enthalten. Ist ein Datenfeld in einem Satz zwar vorgesehen aber nicht verfügbar, so wird er einfach weggelassen, das dazugehörige Komma zur Trennung der Datensätze wird aber ohne Leerzeichen beibehalten. Durch Zählen der Kommas kann ein Empfänger dann aus jeden Satz die entsprechenden Informationen richtig zuordnen.
Die meist optionale Prüfsumme besteht aus einem "*" und zwei Hexadezimalzahlen, die sich durch ein (bitweise) exklusiv-oder (1+1=0, 1+0=1, 0+0=0) aller Zeichen zwischen dem "$" und dem "*" berechnen. Bei manchen Sätzen ist die Prüfsumme notwendig.
Der Standard erlaubt weiterhin einzelnen Herstellern eigene (proprietäre) Satzformate. Diese fangen mit "$P" an, gefolgt von der drei Buchstaben langen Herstellerkennung. Anschliessend folgen die Daten.
Einige gängige Senderkennung sind:
GP GPS Empfänger LC Loran-C Empfänger (älteres Positionsbestimmungssystem) OM Omega Navigations Empfänger (altes Radionavigationssystem; ausser Betrieb) II Integrated Instrumentation (z.B. AutoHelm Seatalk System; Autopiloten)
Die Datensätze der unterschiedlichen Geräte können sehr viele verschiedene Informationen beinhalten, darunter Position, Geschwindigkeit, Richtung, Wassertiefe, Wassertemperatur, Wegpunkte, Windgeschwindigkeit usw.
Nachfolgend sollen beispielhaft die Daten, die ein Garmin etrex Vista ausgibt näher beschrieben werden. Ein praktisches Programm um sich unter anderem NMEA-0183 Daten anzusehen ist Visual-GPS.
Wichtig ist, dass das Datenformat des GPS auf NMEA umgestellt wird (heisst beim Vista genau: NMEA In/NMEA Out). Die Daten werden dann einmal alle zwei Sekunden über die Schnittstelle ausgegeben. Viele PC-Navigations- und Kartenprogramme mit Anschlussmöglichkeit für GPS-Empfänger erwarten im übrigen auch das NMEA-Format zur Navigation. Funktioniert das Zusammenspiel zwischen GPS und einem PC-Programm nicht, sollte man also sowohl kontrollieren, ob man den GPS an der richtigen seriellen Schnittstelle (COM1 oder COM2) angeschlossen hat, als auch überprüfen, ob das Ausgabeformat am GPS auf NMEA eingestellt ist.
Ein kompletter Block Daten sieht dann beispielsweise folgendermassen aus:
$GPRMC,191410,A,4735.5634,N,00739.3538,E,0.0,0.0,181102,0.4,E,A*19 $GPRMB,A,9.99,L,,Exit,4726.8323,N,00820.4822,E,29.212,107.2,,V,A*69 $GPGGA,191410,4735.5634,N,00739.3538,E,1,04,4.4,351.5,M,48.0,M,,*45 $GPGSA,A,3,,,,15,17,18,23,,,,,,4.7,4.4,1.5*3F $GPGSV,2,1,08,02,59,282,00,03,42,287,00,06,16,094,00,15,80,090,48*79 $GPGLL,4735.5634,N,00739.3538,E,191410,A,A*4A $GPBOD,221.9,T,221.5,M,Exit,*6B $GPVTG,0.0,T,359.6,M,0.0,N,0.0,K*47 $PGRME,24.7,M,23.5,M,34.1,M*1D $PGRMZ,1012,f*36 $PGRMM,WGS 84*06 $HCHDG,170.4,,,0.4,E*03 $GPRTE,1,1,c,*37
Wenn die Navigation mit einer Route aktiviert wurde, können noch weitere Sätze hinzukommen, die die Route beschreiben. Interessant ist auch, dass anscheinend je nach leicht Softwareversion unterschiedliche Datensätze ausgegeben werden.
Nachfolgend sind noch einige Datensätze im einzelnen aufgeschlüsselt: Der GPRMC-Datensatz (RMC = recommended minimum sentence C, empfohlener Minimumdatensatz) ist eine Empfehlung für das Minimum, was ein GPS-Empfänger ausgeben soll.
$GPRMC,191410,A,4735.5634,N,00739.3538,E,0.0,0.0,181102,0.4,E,A*19
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| | | | | | | | | |
| | | | | | | | | Prüfsumme
| | | | | | | | |
| | | | | | | | Modus (A,D,E,N,S)
| | | | | | | |
| | | | | | | magnetische
| | | | | | | Deklination 0.4° E
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| | | | | | Datum: 18.11.02
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| | | | | wahrer Kurs (ohne Bewegung 0)
| | | | |
| | | | Geschwindigkeit über Grund (Knoten)
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| | | 007° 39.3538' östliche Länge
| | |
| | 47° 35.5634' nördliche Breite
| |
| Empfängerwarnung, A = Daten OK, V = Warnung
|
Uhrzeit der Positionsbestimmung: 19:14:10 UTC-Zeit
Das Datenfeld Modus ist erst in NMEA Version 2.3 eingeführt worden und kann sein: A = Autonom; D = Differentiell; E = geschätzt (Estimated); N = ungültig (Not valid); S = Simulator
Der GPGGA-Datensatz enthält die wichtigsten Informationen zur GPS-Position und Genauigkeit.
$GPGGA,191410,4735.5634,N,00739.3538,E,1,04,4.4,351.5,M,48.0,M,,*45
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
| | | | | | | |
| | | | | | | Höhe Geoid minus
| | | | | | | Höhe Ellipsoid (WGS84)
| | | | | | | in Metern (48.0,M)
| | | | | | |
| | | | | | Höhe über Meer (über Geoid)
| | | | | | in Metern (351.5,M)
| | | | | |
| | | | | HDOP (horizontal dilution
| | | | | of precision) Genauigkeit
| | | | |
| | | | Anzahl der erfassten Satelliten
| | | |
| | | Qualität der Messung
| | | (0 = ungültig)
| | | (1 = GPS)
| | | (2 = DGPS)
| | | (6 = geschätzt nur NMEA-0183 2.3)
| | |
| | Längengrad
| |
| Breitengrad
|
Uhrzeit
Der GPGSA-Datensatz (SA=satellites active, aktive Satelliten) enthält Informationen über die PRN-Nummern der Satelliten, deren Signale zur Positionsbestimmung verwendet werden.
$GPGSA,A,3,,,,15,17,18,23,,,,,,4.7,4.4,1.5*3F
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| | | | | VDOP (vertikale Genauigkeit)
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| | | | HDOP (horizontale Genauigkeit)
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| | | PDOP (Genauigkeit)
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| | PRN-Nummern von maximal 12 Satelliten
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| Art der Positionsbestimmung (3 = 3D-fix)
| (2 = 2D-fix)
| (1 = kein Fix)
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Auto-Auswahl 2D oder 3D Bestimmung
Der GPGSV-Datensatz (SV=satellites in view, sichtbare Satelliten) enthält Informationen über Satelliten, die zur Zeit möglicherweise empfangen werden können und Informationen zu deren Position, Signalstärke usw. Da pro Satz nur die Informationen von vier Satelliten übertragen werden können (Beschränkung auf 82 Zeichen), kann es bis zu drei solche Datensätze geben.
$GPGSV,2,1,08,02,59,282,00,03,42,287,00,06,16,094,00,15,80,090,48*79
Der GPGLL-Datensatz ist ein Überbleibsel aus der Zeit, als es nur LORAN-C als Navigationssystem gab und enthält die geographische Position. Das GPS-Gerät emuliert sozusagen den LORAN-C Empfänger.
$GPGLL,4735.5634,N,00739.3538,E,191410,A,A*4A
Der GPBOD-Datensatz gibt Informationen zur Richtung vom Startpunk zum Zielpunkt an. Der Kurs wird als wahrer (T=true) und magnetischer (M=magnetic) Kurs zum benannten Zielpunkt (hier 'Exit', da keiner angegeben ist) ausgegeben.
$GPBOD,221.9,T,221.5,M,Exit,*6B
Der GPVTG-Datensatz enthält Daten zur Bewegungsgeschwindigkeit und Richtung.
$GPVTG,0.0,T,359.6,M,0.0,N,0.0,K*47
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| | | Geschwindigkeit über Grund in km/h (K)
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| | Geschwindigkeit über Grund in Knoten (N)
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| Kurs (magnetisch, M)
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Kurs (wahr, T)
Die folgenden drei Datensätze sind Garmin-eigene Datensätze, was die Kürzel P (proprietary) und GRM (Garmin).
Der PGRME-Datensatz enthält den geschätzen Fehler der horizontalen und vertikalen Position. Die Angaben sind jeweils in Meter. Der erste Wert ist der horizontale, der zweite der vertikale und der dritte ein sphärischer Fehler (Kugelradius einer "Fehlerkugel").
$PGRME,24.7,M,23.5,M,34.1,M*1D
Der PGRMZ-Datensatz enthält die Höhe in Fuss.
$PGRMZ,1012,f*36
Der PGRMM-Datensatz enthält das verwendete horizontale Datum. Zu beachten ist, dass die Positionsangaben aus den Navigationsdatensätzen sich auf das hier angegebene Datum beziehen.
$PGRMM,WGS 84*06
Der HCHDG-Datensatz enthält Angaben vom Magnetkompass, den nur wenige GPS-Geräte besitzen (vista, summit, GPS76s). Es sind Daten zur Richtung (170.4°) und Deklination (auch als 'deviation' bezeichnet; Abweichung von magnetisch Nord zu wahrem Nord, siehe auch hier).
$HCHDG,170.4,,,0.4,E*03
Der GPRTE-Datensatz schliesslich enthält Angaben zur programmierten Route. Zum Zeitpunkt des angebenen Datenblocks war keine Route definiert, ansonsten würde der Satz wesentlich mehr Informationen enthalten.
$GPRTE,1,1,c,*37
Andere GPS-Geräte enthalten teilweise andere herstellerspezifische Datensätze, die für die Position wichtigsten sind jedoch immer enthalten.
Oft verwendeter Chipsatz SIRF
Ein er am häufigsten eingesetzten Chipsätze für GPS-Empfänger stammt von der Firma SiRF Technology, Inc., ein Hersteller von GPS Chip-Sätzen. Diese Firma verfolgt mit Nachdruck ihr Ziel, die Vorteile GPS-basierter Standortinformations-Technologie auf eine breite Palette von Massen- Consumerprodukten und -applikationen anzuwenden. SiRF GPS-Lösungen zeichnen sich durch eine Reihe herausragender Merkmale in technisch kritischen Bereichen aus. SiRF hat über 40 Patente für diese entscheidend wichtigen und innovativen Bereiche angemeldet. SiRF hat die gesamte Komplexität, die GPS mit sich bringt in seine SiRFstar Architektur integriert. Dies erleichtert das Design von Produkten auf Basis der SiRF GPS Chip-Sätze erheblich. Die verschiedenen Architekturen sind für unterschiedliche Gruppen GPS-basierender Geräte ausgelegt. Die SiRF GPS Technologien sind als Chip-Sätze sowie als IP Core verfügbar. Sie unterstützen vollständige Software Entwicklungsumgebungen. Beiden Architekturen liegen die gleichen Eigenschaften zugrunde die SiRF vorallem für den Einsatz in Consumer-Produkten prädestinieren.
--Bernd 15:39, 13. Dez 2005 (CET)
Quellen
- http://www.kowoma.de/gps/zusatzerklaerungen/NMEA.htm
- http://netscience.univie.ac.at/nets/gps/content/huebscher/satellites/node15.html
- http://www.sirf.com/netscience
Siehe auch
Weblinks