Wie funktioniert GPS?

Was ist GPS?

Derzeitig gibt es 30 Satelliten im Besitz der US-amerikanischen Armee, welche die Erde auf Umlaufbahnen von 20,200 km Höhe umkreisen und eine 100 % weltweite Deckung bieten (24 gilt als das Minimum für den vollständigen globalen Service erforderlich). Die kostenlosen Signale von diesen Satelliten können mithilfe verschiedener Methoden zur Bestimmung einer Reihe an Messparametern für Bewegung und Position genutzt werden.
 

Um die eigene Position (Länge, Breite und Höhe) zu berechnen, misst ein GPS-Empfänger die verschiedenen Verzögerungen in der Lichtgeschwindigkeit (299.792 km / s) von Signalen von 4 oder mehr Satelliten. Die Entfernung zu jedem Satelliten wird berechnet, und dann wird unter Verwendung der Trilateration die 3D-Position der GPS-Antenne berechnet.
 

Jeder Satellit sendet Nachrichten, die die folgende Information enthalten:

• Die Uhrzeit, zu der die Nachricht gesendet wurde
• Die genaue Umlaufbahninformation, bekannt als Ephemeride
• Ungefähre Umlaufbahnen aller GPS-Satelliten, bekannt als Almanach
• Allgemeiner Satellitenstatus usw.
   

Die Übertragung dieser Informationen dauert 12,5 Minuten. Dies bedeutet, dass VBOX-Produkte, die neu sind, eine Weile nicht verwendet wurden oder deren Standort sich seit der letzten Verwendung verschoben hat, möglicherweise so lange brauchen, um eine genaue Standortfixierung zu erhalten.

Hier ist ein Beispiel einer 24-GPS-Satellitenkonstellation, die sich bewegt, während sich die Erde dreht:
 

By Paulsava - Own work, CC BY-SA 4.0

Die in den VBOX-Einheiten zum Einsatz kommenden GPS-Empfänger berechnen zudem die Dopplerverschiebung der Trägerfrequenz jeder Satellitenübertragung, um eine exakte Messung der Geschwindigkeit der GPS-Antenne auf X-, Y- und Z-Ebene aufzubauen. X entspricht Nord/Süd, Y entspricht Ost/West und Z gibt die Vertikalgeschwindigkeit an.
 

Die X- und Y-Geschwindigkeiten werden kombiniert, um die Daten zu der Geschwindigkeit „Kurs über dem Grund“ sowie der Fahrtrichtung zu ermitteln.

Die Kanäle für Geschwindigkeit und Fahrtrichtung sind die exakten Kanäle, von denen die meisten VBOX-Daten abgeleitet werden: Geschwindigkeit, Fahrtrichtung, Beschleunigungen, Kurvenradius, Abweichung, Bremsweg usw.

Die weniger genauen Positionskanäle Längengrad, Breitengrad und Höhe werden nur für die Rückverfolgung des Fahrzeugpfads verwendet.

GPS-Begriffe

• Pseudoentfernung - Die Entfernung zwischen dem Satelliten und dem Empfänger.
• GNSS - Globales Navigationssatellitensystem (GPS ist eines davon, andere umfassen das russische GLONASS-, das europäische GALILEO- und das chinesische BeiDou-System).
• Almanach - Ungefähre Umlaufbahnen aller bekannten Satelliten.
• Ephemeride - Präzise Umlaufbahninformationen.

Wie genau ist GPS?

Geschwindigkeit

Die Nutzung von GPS für Automobiltests ist mittlerweile weit verbreitet und RACELOGIC ist seit über einem Jahrzehnt ein Marktführer und Innovationsmotor in diesem Bereich. GPS-Systeme haben die Genauigkeit und die Zweckmäßigkeit von Tests, Entwicklung und Validierung in der Automobilbranche revolutioniert. Warum und wie kann GPS so effektiv sein?
 

Ein häufiges Vorurteil besagt, dass die über GPS gemessene Geschwindigkeit als Funktion der Position über die Zeit berechnet würde. Wenn das so wäre, wäre die GPS-Geschwindigkeit nahezu unbrauchbar, da die GPS-Position auf genauen Messungen der Entfernung des Empfängers zum Satelliten basiert und somit dem Einfluss einer Reihe an Faktoren, wie zum Beispiel der das Signal verzögernden atmosphärischen Interferenz, unterliegt.

Glücklicherweise wird die Geschwindigkeit nicht so gemessen: Stattdessen wird die Dopplerverschiebung in den von den Satelliten kommenden Signalen erfasst, was zu einer unglaublich genauen Messung der Geschwindigkeit führt.
 

Wenn Sie sieben Satelliten verfolgen, ist das so als würden sieben Radarmesspistolen der Polizei auf Sie gerichtet sein: Die Messung erfolgt unter Berücksichtigung aller Satelliten.
 

 

Weitere Faktoren von entscheidender Bedeutung für die Ermittlung hilfreicher Geschwindigkeitsmessungen für Fahrzeugtests sind die Abtastrate, das Frequenzgang, Latenz und Rauschen. Weitere Erklärungen finden Sie unter „GPS-Faktoren“.

Distance (Abstand)

GPS-Satelliten sind mit einer Atomuhr ausgestattet, welche eine Timing-Stabilität von weniger als ein Millionstel Sekunden sicherstellt. Durch Integration der über den Dopplereffekt abgeleiteten Geschwindigkeit mit diesem Niveau der Zeitsignalzuverlässigkeit wird eine außerordentlich genaue Distanzmessung erreicht.   Im Laufe der Jahre haben wir eine Reihe von Tests durchgeführt, um unsere Messalgorithmen für Anwendungen in der Fahrzeugprüfung zu überprüfen und zu verbessern.

Einer dieser Tests besteht darin, zwei reflektierende Streifen auf der Straße in einem bekannten Abstand anzuordnen. Mit einem Lasersensor, der mit dem Triggereingang einer VBOX verbunden ist, fährt das Fahrzeug dann mehrmals zwischen diesen beiden Punkten entlang, um anschließend die Entfernungen zu vergleichen. Bei solchen Tests liegt die Genauigkeit der VBOX 3i bei 1000 m stets innerhalb von 3 cm, was etwa der Messunsicherheit entspricht, die aufgrund der leichten Auslenkung des Fahrzeugs während der Fahrt entsteht.

Position

Die Positionsgenauigkeit von GPS unterliegt der Ionosphäreninterferenz, die dazu führt, dass die Länge des Satellitensignals auf seiner Reise zur Erdoberfläche abweicht. Das bedeutet, dass die Genauigkeit je nach Qualität des Empfängers um mehrere Meter abweichen kann.

VBOX-Datenlogger werden mit hochwertigen GPS-Empfängern ausgestattet, die eine bessere Positionsgenauigkeit bieten als solche, die in Mobiltelefonen und Satellitennavigationssystemen zu finden sind. Indem neben den US-amerikanischen Standard-GPS-Satelliten weitere zusätzliche Signale genutzt werden, kann die Genauigkeit noch weiter verbessert werden.  Die kostenlosen SBAS-Dienste steigern die Positionsgenauigkeit eines hochwertigen Empfängers ohne Nutzung einer Basisstation auf 1 m.

Indem man einen weiteren GPS-Empfänger an einer festen Position hinzufügt, kann die Mehrzahl aller Fehler jedoch errechnet und aus dem Endergebnis entfernt werden. Das ist die Aufgabe einer Basisstation: Da sie ortsfest bleibt, kann sie Korrekturnachrichten an eine sich in Bewegung befindliche VBOX senden, was zu einer starken Verbesserung der Positionsgenauigkeit führt.

Durch Berücksichtigung der Signale der russischen GLONASS-Satellitenkonstellation und durch Nutzung eines Echtzeitkinematikalgorithmus (RTK), erreicht die VBOX 3i Doppelantennen RTK mithilfe einer angemessenen Basisstation eine Positionsgenauigkeit von +/- 2 cm.

Die linke Abbildung stellt ein Streudiagramm einer Messung dar, die über einen Zeitraum von 24 Stunden durchgeführt wurde und zeigt, wie genau RTK + GLONASS wirklich ist:  Normales GPS ist rot dargestellt und RTK blau. Der Vorteil der Nutzung beider Konstellationen besteht darin, dass nahezu doppelt so viele Messungen zur Nutzung zur Verfügung stehen. Außerdem arbeiten sie mit zwei leicht unterschiedlichen Frequenzen. Hierdurch können komplexe Algorithmen in den GPS-Empfängern alle größeren Fehler, die normalerweise mit der Positionsbestimmung verbunden sind, unterbinden, was zu dem auf dem Markt erhältlichen GPS-Empfänger mit der höchsten Genauigkeit führt. Sehen Sie sich die Vorführung in diesem Video an.

 

Fahrdynamik

Durch den Einsatz mehrerer Antennensysteme, ist es jetzt möglich, Parameter der Fahrzeugkörperlage zu messen. Wenn sie in einer Linie längs des Fahrzeugdachs angeordnet werden, kann die Dualantennenanordnung zum Erfassen des Schräglaufwinkels und des Nickwinkels genutzt werden. Wenn sie dagegen quer über das Dach angeordnet werden, kann damit der Wankwinkel aufgezeichnet werden.
 

Das funktioniert durch Eingabe des Antennenabstands in die VBOX. Mithilfe einer RTK-Verbindung, die zwischen den beiden Antennen kommuniziert, ergibt sich eine äußerst präzise Winkelmessung, die durch Vergleich des Fahrtrichtungswerts der Primärantenne mit der relativen Position der anderen erzielt wird.
 

VBOX-Datenlogger für mehrere Antennen kommen nicht nur in der Automobilbranche zum Einsatz, sondern auch in marinen Anwendungen, wo sie sich optimal zur Messung von Trimm, Krängung und Lee des Schiffs eignen.
 

GPS-Faktoren

Die zur Ermittlung brauchbarer Geschwindigkeitsmessungen für Fahrzeugtests entscheidenden Faktoren sind Abtastrate, Frequenzgang, Latenz und Rauschen.