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Wie funktioniert GPS?

3Derzeitig gibt es 24 Satelliten im Besitz der US-amerikanischen Armee, welche die Erde auf Umlaufbahnen von 20 km Höhe umkreisen und eine 100 % weltweite Deckung bieten. Die kostenlosen Signale von diesen Satelliten können mithilfe verschiedener Methoden zur Bestimmung einer Reihe an Messparametern für Bewegung und Position genutzt werden.

 

Zur Messung von Längengrad, Breitengrad und Höhe messen die GPS-Empfänger die verschiedenen Verzögerungen der Signale von mindestens 4 Satelliten. Der Abstand zu jedem Satelliten wird berechnet, um dann über Triangulation die 3D-Position der GPS-Antenne zu berechnen.

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.

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.

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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“.

 

VBOX Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeitsgenauigkeit aller VBOX-Geräte beträgt, 0,1 km/h im Durchschnitt über 4 Proben. Diese Angabe gilt für die 2D-Kurs bei Bodengeschwindigkeit.

Die Vertikalgeschwindigkeit ist schwerer zu ermitteln und erzielt als solche eine Genauigkeit von 0,2 km/h gemittelt über 4 Messungen.

Diese Genauigkeitsangaben gelten, wenn die VBOX auf offenem Gelände eingesetzt wird und die Antenne so angeordnet ist, dass Mehrwegsignalrauschen vermieden wird.

 

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.

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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.

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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. 

 

Relative Position – die Lösung für bewegte Objekte

Im Bereich der Automobiltests und insbesondere bei der FAS/ADAS-Entwicklung ist es oftmals erforderlich, den Abstand zwischen sich bewegenden Fahrzeugen zu kennen. Das kann auf einer Teststrecke durch Nutzung mehrerer VBOX-Einheiten und einer Basisstation erreicht werden. Hierbei ist der Bereich, in dem die Tests durchgeführt werden können, jedoch durch die Reichweite der Telemetriemodems, die die Korrekturdaten aussenden, begrenzt.

 

In dieser Situation ist eine hohe relative Positionsgenauigkeit (der Abstand zwischen dem Subjekt und den Zielfahrzeugen im Gegensatz zu der aktuellen Position beider auf der Erdoberfläche) erforderlich. Durch die Konfiguration einer der beiden VBOX-3i-RTK-Dualantennen mit einer Sonderversion der Firmware, ermöglicht Moving Base, dass Anwendungen wie zum Beispiel Auffahrwarnsysteme, adaptive Abstandsregeltempomaten, Totwinkelerkennung und Notbremsungen in der Umgebung getestet und validiert werden können, in der sie tatsächlich eingesetzt werden - auf der Straße mit anderen Fahrern und Objekten am Straßenrand. Das sorgt nicht nur für eine realistische Testumgebung, sondern birgt auch das Potenzial, die Entwicklungsdauer zu kürzen und bietet einen bislang unerreichten Zweckmäßigkeit für Testabteilungen.

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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.

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GPS-Faktoren

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

Abtastrate

Die Anzahl der pro Sekunde durchgeführten Messungen ist für Fahrzeugtests von höchster Bedeutung. Die gängigste Aktualisierungsrate für GPS ist einmal pro Sekunde, was sich gut zur Navigation eignet, jedoch für die Messung von Geschwindigkeit, Bremsweg, Beschleunigung, Rundenzeit oder Spurlage keinen Nutzen bringt. Die Mindestrate für derartige Tests ist 5 Hz, um gewisse Details erkennen zu können, während 20 Hz normalerweise als Mindestanforderung für eine dezente Fahrzeugtestlösung mit GPS betrachtet wird. Hochwertige GPS-Systeme können 100 mal pro Sekunde aktualisieren. Solche Systeme sind angemessen für Spezialanwendungen wie zum Beispiel Bremstests und hochdynamische Fahrmanöver.

Latenz

Dies ist die Verzögerung zwischen einer Veränderung der Fahrzeugbewegung und der Änderung in der Datenausgabe des GPS und ist ein völlig anderer Parameter als der Frequenzgang. Die Latenz ist nur von Bedeutung, wenn Sie gleichzeitig auch andere Parameter messen oder wenn Sie den Ausgang des GPS-Empfängers für Steuerungszwecke nutzen möchten.

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Oben: Vergleich der Geschwindigkeit eines handelsüblichen 1 Hz-GPS-Empfängers (blau) und eines hochwertigen 20 Hz-Empfängers (rot)

 

Frequenzgang

Dieser Parameter gibt an, wie rasch die Messung auf eine Änderung der Fahrzeugbewegung reagieren kann. Beim Einsetzen einer ABS-gestützten Stillstandsbremsung zum Beispiel ist die Rate der Beschleunigungsänderung (Stoßbelastung) sehr hoch. Zur exakten Messung von Abstand und Geschwindigkeit, muss das GPS in der Lage sein, diese Änderungen höchst genau zu verfolgen.

 

Zur Veranschaulichung sind im Folgenden drei Stillstandsbremsungen zu sehen, die bei einer hohen, mittleren und niedrigen Frequenzgangeinstellung des GPS-Empfängers ausgeführt wurden. Die blaue Spur ist die (IMU-korrigierte) Referenzgeschwindigkeit des Fahrzeugs und die rote Spur ist die durch das GPS gemessene Geschwindigkeit. Sie können sehen, dass das Über- bzw. Unterschwingen der Geschwindigkeit bei höherem Frequenzgang kleiner ausfällt.

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Rauschen

Je schneller Sie die Geschwindigkeit abtasten, desto stärker verrauscht das Signal. Bei der Filterung der Geschwindigkeitsdaten zur Entfernung von Rauschen muss darauf geachtet werden, dass dieser Vorgang keinen schlechten Frequenzgang verursacht. Durch Einbringen einer IMU und eines Kalman-Filters können Sie beide Ziele erreichen: einen verbesserten Frequenzgang und weniger Rauschen.

Kommerziell erhältliche GPS-Empfänger

Der standardmäßige GPS-Empfänger für den Einsatz in Satellitennavigationsgeräten und Mobiltelefonen ist sehr klein und sehr billig. Diese Geräte aktualisieren ihre Geschwindigkeit und Position mithilfe einer sehr einfachen und kleinen Antenne einmal pro Sekunde und bieten eine Genauigkeit von 3 bis 5 Metern bei 95 % CEP. Selbst bei diesem unteren Marktsegment ist die Geschwindigkeit normalerweise mit Werten von 0,2 bis 0,5 km/h immer noch recht genau. Während eine Aktualisierungsrate von einmal pro Sekunde (1 Hz) für keinerlei Hochgeschwindigkeitsanalysen für Fahrzeuge ausreicht, haben wir die Einstellungen eines der besten handelsüblichen Empfänger so optimiert, dass er Ausgabedaten von 10 Hz erzielt.

Hochwertige Empfänger

Hochwertige GPS-Empfänger setzen qualitativ wesentlich bessere Komponenten ein als handelsübliche GPS-Empfänger. Außerdem nutzen sie leistungsstarke Prozessoren und patentierte Techniken zur Verbesserung der Positionsgenauigkeit und der Aktualisierungsraten. Sie sind wesentlich größer als handelsübliche GPS-Empfänger und können bis zu 100 mal teurer sein.

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Das 24-Stunden-Streudiagramm links zeigt einen handelsüblichen Empfänger in rot, einen nicht-unterstützten hochwertigen Empfänger in blau, die SBAS-gestützten Korrekturdaten in grün, die mittels Unterstützung durch eine 20 cm-Basisstation korrigierten Daten in lila, und das 2 cm-RTK-gestützte System in gelb ist kaum noch auszumachen!

Sie mögen sich fragen, was so besonders an den GPS-Empfängern ist, die wir in unseren VBOX-Produkten nutzen? Die Antwort lautet, dass wir nicht nur die für die verschiedenen Produkte besten GPS-Empfänger gewählt haben, sondern wir haben auch mit den Herstellern dieser GPS-Empfänger an der Optimierung für unsere spezifischen Anforderungen zusammengearbeitet. So können Sie sich sicher sein, dass Sie die beste verfügbare Leistung bekommen.

 

 

 

 

 

 

Siehe auch: 

Wie funktioniert RTK (Real Time Kinetic)?

Wie funktioniert DGPS (Differentielles GPS)?

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