Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit den Gegebenheiten der GPS-Navigation. Dazu wird am Anfang die Funktionsweise des GPS-Systems erläutert. Im Anschluss daran wird auf das Datenprotokoll NMEA-0183, welches die Kommunikation zwischen GPS-Empfänger und angeschlossenen Gerät sicherstellt. An Hand dieses Datenprotokolls wird die Entschlüsselung der Daten des GPS-Empfängers mit Hilfe des Mikrocontrollers XC161CJ von Infineon durchgeführt.
Diese Daten dienen dann zur Berechnung eines Kurses zwischen der aktuellen, durch den GPS-Empfänger ermittelten Position und einem vorgegebenen Ziel. Diese Rechnung wird durch die Großkreisberechnung durchgeführt, auf welche auch näher eingegangen wird.
Mit Hilfe dieses errechneten Kurses kann dann durch vergleichen mit dem anliegenden Kurses, welcher von einem integrierten Kompassmodul stammt, eine Steuerinformation erzeugt und zur Verfügung gestellt.
Des Weiteren wurde eine weitere Version des Programms entwickelt, welche neben den eben genannten Eigenschaften noch alle vom GPS zur Verfügung gestellten Daten aufarbeitet und diese in entsprechender Form ebenfalls zur Verfügung stellt.
Alle in dieser Diplomarbeit verwendeten Module und deren Einbindung bzw. Verwendung ist in dieser Arbeit näher erläutert. Dies sind:
- Ein GPS-Empfänger angebunden über RS 232 Schnittstelle.
- Ein Kompassmodul (Arbeitsweise basiert auf dem Magnetfeldlinien der Erde) angebunden über I²C Schnittstelle.
- Display (4x16, zum Anzeigen von Zwischen- und Endergebnissen) angebunden über Daten Schnittstelle (Datenbus (parallel)).
Alle aufgeführten Module wurden mit Hilfe von in C (Programmirrung) in Compiler Keil geschrieben und befinden sich Anhang der Diplomarbeit.
Um die Daten zu nutzen wurde dem Programm noch ein Navigationsprogramm hinzugefügt, welches Daten (Koordinaten) von Punkten der zurückgelegten Strecken (in einem vorgegebenen abstand (z.B. 5m) speichert und nach erreichen des Zieles diese Daten nutzt um dem Rückweg zu bestimmen.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.AUFGABENSTELLUNG UND KURZBESCHREIBUNG8
1.1Aufgabenstellung8
1.2Kurzbeschreibung9
2.GPS10
2.1Allgemeines zu GPS10
2.2Funktionsweise des GPS-Systems11
2.2.1Aufbau des GPS-Systems11
2.2.2Das Weltraumsegment11
2.2.3Das Kontrollsegment13
2.2.4Benutzersegment14
2.3Positionsbestimmung15
2.3.1Zwei- und dreidimensionale Positionsbestimmung16
2.3.2Zeitdifferenzen zwischen Satelliten und Empfängern17
2.4Die […]
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit den Gegebenheiten der GPS-Navigation. Dazu wird am Anfang die Funktionsweise des GPS-Systems erläutert. Im Anschluss daran wird auf das Datenprotokoll NMEA-0183, welches die Kommunikation zwischen GPS-Empfänger und angeschlossenen Gerät sicherstellt. An Hand dieses Datenprotokolls wird die Entschlüsselung der Daten des GPS-Empfängers mit Hilfe des Mikrocontrollers XC161CJ von Infineon durchgeführt.
Diese Daten dienen dann zur Berechnung eines Kurses zwischen der aktuellen, durch den GPS-Empfänger ermittelten Position und einem vorgegebenen Ziel. Diese Rechnung wird durch die Großkreisberechnung durchgeführt, auf welche auch näher eingegangen wird.
Mit Hilfe dieses errechneten Kurses kann dann durch vergleichen mit dem anliegenden Kurses, welcher von einem integrierten Kompassmodul stammt, eine Steuerinformation erzeugt und zur Verfügung gestellt.
Des Weiteren wurde eine weitere Version des Programms entwickelt, welche neben den eben genannten Eigenschaften noch alle vom GPS zur Verfügung gestellten Daten aufarbeitet und diese in entsprechender Form ebenfalls zur Verfügung stellt.
Alle in dieser Diplomarbeit verwendeten Module und deren Einbindung bzw. Verwendung ist in dieser Arbeit näher erläutert. Dies sind:
- Ein GPS-Empfänger angebunden über RS 232 Schnittstelle.
- Ein Kompassmodul (Arbeitsweise basiert auf dem Magnetfeldlinien der Erde) angebunden über I²C Schnittstelle.
- Display (4x16, zum Anzeigen von Zwischen- und Endergebnissen) angebunden über Daten Schnittstelle (Datenbus (parallel)).
Alle aufgeführten Module wurden mit Hilfe von in C (Programmirrung) in Compiler Keil geschrieben und befinden sich Anhang der Diplomarbeit.
Um die Daten zu nutzen wurde dem Programm noch ein Navigationsprogramm hinzugefügt, welches Daten (Koordinaten) von Punkten der zurückgelegten Strecken (in einem vorgegebenen abstand (z.B. 5m) speichert und nach erreichen des Zieles diese Daten nutzt um dem Rückweg zu bestimmen.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.AUFGABENSTELLUNG UND KURZBESCHREIBUNG8
1.1Aufgabenstellung8
1.2Kurzbeschreibung9
2.GPS10
2.1Allgemeines zu GPS10
2.2Funktionsweise des GPS-Systems11
2.2.1Aufbau des GPS-Systems11
2.2.2Das Weltraumsegment11
2.2.3Das Kontrollsegment13
2.2.4Benutzersegment14
2.3Positionsbestimmung15
2.3.1Zwei- und dreidimensionale Positionsbestimmung16
2.3.2Zeitdifferenzen zwischen Satelliten und Empfängern17
2.4Die […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Jens Oehlert
Ortsbestimmung eines Roboters mit Hilfe von GPS
ISBN-10: 3-8324-9933-4
ISBN-13: 978-3-8324-9933-4
Druck Diplomica® GmbH, Hamburg, 2006
Zugl. Helmut Schmidt Universität - Universität der Bundeswehr Hamburg, Hamburg,
Deutschland, Diplomarbeit, 2005
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Printed in Germany
- 3 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
Erklärung über die selbständige Anfertigung der Diplomarbeit gemäß
RaPO §31, Abs. 7
Ich erkläre hiermit,
-
dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbst verfasst habe,
-
dass ich diese Arbeit noch nicht anderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt habe,
-
dass ich keine anderen, als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe und
-
dass ich wörtliche und sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet habe
Neubiberg, 01.12.2005
_________________________
Jens Oehlert
- 5 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
Inhaltsverzeichnis
1
AUFGABENSTELLUNG UND KURZBESCHREIBUNG... 8
1.1
Aufgabenstellung ... 8
1.2
Kurzbeschreibung... 9
2
GPS ... 10
2.1
Allgemeines zu GPS ... 10
2.2
Funktionsweise des GPS-Systems... 11
2.2.1
Aufbau des GPS-Systems
... 11
2.2.2
Das Weltraumsegment
... 11
2.2.3
Das Kontrollsegment
... 13
2.2.4
Benutzersegment
... 14
2.3
Positionsbestimmung ... 15
2.3.1
Zwei- und dreidimensionale Positionsbestimmung
... 16
2.3.2
Zeitdifferenzen zwischen Satelliten und Empfängern
... 17
2.4
Die Trägerfrequenz... 18
2.5
Fehlerquellen bei GPS ... 20
2.5.1
Fehlerquelle SA
... 20
2.5.2
Fehlerquelle Satellitengeometrie
... 21
2.5.3
Satellitenumlaufbahnen
... 22
2.5.4
Mehrwegeeffekt
... 23
2.5.5
Atmosphärische Effekte
... 24
2.5.6
Uhrenungenauigkeit und Rundungsfehler
... 25
2.5.7
Relativistische Effekte
... 25
2.5.8
Differenziales GPS ( DGPS )
... 26
2.5.9
Wide Area Augmentation System (WAAS)
... 26
2.5.10
EGNOS / GALILEO
... 27
2.5.11
Erreichbare Genauigkeiten des GPS-Systems
... 27
2.6
Standard NMEA0183... 29
2.6.1
Wichtigen Datensätze des NMEA0183 Standard
... 30
3
DAS KOORDINATENSYSTEM ... 33
3.1
Geographische Breite... 33
3.2
Geographische Länge... 34
3.3
Umrechnungen Grad, Minute Sekunde... 35
4
DER GROßKREIS ... 35
4.1
Bedeutung des Großkreises ... 35
4.2
Die Großkreisberechnung... 37
- 6 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
4.3
Beispielrechnung Großkreisberechnung ... 38
5
AUSWAHL EINES GPSEMPFÄNGER... 41
5.1
Auswahlkriterien für einen GPSEmpfänger ... 41
5.2
Ausgewählte GPSEmpfänger... 43
6
ENTSCHLÜSSELUNG DES NMEA0183 STANDARDS ... 45
6.1
Entwurf eines Programms zum Plotten der Datensätze der ausgewählten Empfänger ... 45
6.2
C++ Programm zum Plotten des Datenstroms an der USBSchnittstelle... 46
6.3
Entschlüsselung des Datensatzes ... 48
7
DER VERSUCHAUFBAU... 62
7.1
Erstellen des Entwicklungsbords mit den benötigen Komponenten ... 62
7.2
Der Mikrokontroller XC161CJ ... 62
7.3
Die zusätzlichen Komponenten des Expansion Board ... 63
7.3.1
Spannungsstabilisierungsschaltung
... 63
7.3.2
Schaltung zur Ansteuerung eines LCDDisplays
... 64
7.3.3
Der Kompassmodul
... 64
7.3.3.1
Verwendungszweck und Funktionsweise
... 64
7.3.3.2
Anschlüsse
... 65
7.3.3.3
Kalibrierung des Kompassmoduls
... 65
7.3.4
Anschluss der GPSEmpfängers über PS2 an der RS232-Schnittstelle
... 67
8
ENTWICKLUNG DES PROGRAMMS... 68
8.1
Interrupt Service Routine (ISR) ... 69
8.1.1
Bereitgestellte Variablen durch die ISR
... 69
8.1.2
Funktionsweise der ISR
... 72
8.1.3
Funktionsweise des Programms der ISR
... 72
8.1.4
Die Headerdatei "interruptdefs.h"
... 74
8.2
Die Initialisierung der Kompassmoduls ... 74
8.3
Minimale Version des GPS - Navigationsprogramm ... 76
8.3.1
Die Bestandteile der Minimale Version
... 77
8.3.2
Die Initialisierungsdatei "GPSinit"
... 78
8.3.3
Das Minimal Navigationsprogramm
... 79
8.4
Bestandteile der Maximalversion des Navigationsprogramms ... 83
9
VERWENDUNG DES NAVIGATIONSPROGRAMMS ... 87
9.1
Verwendung der Minimale Version des Navigationsprogramms ... 90
Außerdem ist daran zu denken, dass die Zieldaten auch eingegebnen werden. Vom Hauptprogramm aus
kann man die Variable "hin_rueck" setzen. Dabei bedeutet:... 91
9.2
Verwendung der Maximalen Version des Navigationsprogramms ... 91
- 7 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
10
LITERATUR UND QUELLENNACHWEIS ... 92
11
BILDERVERZEICHNIS ... 93
12
ANHANG... 94
12.1
Anhang A Datenblatt des GPS-Empfängers "Holux GM-210"... 94
12.2
Anhang B Datenblatt des GPS-Empfängers "Holux GR-211"... 94
12.3
Anhang C1 Log-Datei 1 ... 95
12.4
Anhang C2 Log-Datei 2 ... 98
12.5
Anhang D Entwicklungsboard mit Komponenten ...101
12.6
Anhang E Ansteuerung für das LCD-Display ...102
12.7
Anhang F Anschlussbelegung des GPS-Empfängers ...104
12.8
Anhang G Kompassmodul Devan CMPS03 ...105
12.9
Anhang H Externe Variablen der Maximalversion des Navigationsprogramms ...105
12.10
Anhang I Externe Variablen der Maximalversion des...107
Navigationsprogramms ...107
12.11
Code ...109
12.11.1
Gemeinsamer Code der Minimal- und Maximalversion
...109
12.11.1.1
interrupt.h
...109
12.11.1.2
interrupt.c (Minimalversion)
...110
12.11.1.3
interrupt.c (Maximalversion)
...111
12.11.1.4
interruptdefs.h
...112
12.11.1.5
Kompass.h
...113
12.11.1.6
Kompass.c
...113
12.11.1.7
GPS_ASC0_init.h
...115
12.11.1.8
GPS_ASC0_init.c
...115
12.11.2
Komponenten / Dateien der minimalen Version
...116
12.11.2.1
GPSstart.h
...116
12.11.2.2
GPSstartIntern.h
...117
12.11.2.3
GPSstart.c
...117
12.11.2.4
main.h
...121
12.11.2.5
main.c
...121
12.11.3
Komponenten / Dateien der maximalen Version
...123
12.11.3.1
GPSstart.h
...123
12.11.3.2
GPSstartIntern.h
...124
12.11.3.3
GPSstart.c
...125
12.11.3.4
GPSsatzRMC.c
...129
12.11.3.5
GPSsatzGGA.c
...130
12.11.3.6
GPSsatzGSA.c
...131
12.11.3.7
GPSbreite.c
...131
12.11.3.8
GPSlaenge.c
...132
12.11.3.9
GPSuhrzeit.c
...133
12.11.3.10
GPSgenauigkeit.c
...133
12.11.3.11
main.h
...134
12.11.3.12
main.c
...134
- 8 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
1
Aufgabenstellung und Kurzbeschreibung
1.1
Aufgabenstellung
Die Aufgabe dieser Diplomarbeit war es, eine Navigationskomponente für einen
autonomen Roboter zu konstruieren.
Dazu musste als erstes ein geeigneter GPSEmpfänger ausgewählt werden. Danach die
Informationen dieses Empfängers entschlüsselt und zur Navigationsberechnung aufbereitet
werden. Damit sollte eine selbständige Bewegung vom Startpunkt zu einem beliebigen
Zielpunkt möglich sein. Dazu sollten Steuerinformationen an den Roboter weitergegeben
werden.
Zusätzlich mussten Informationen der zurückgelegten Strecke gespeichert werden,
damit der Roboter auf dieser Strecke wieder zurück gelangen kann.
- 9 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
1.2
Kurzbeschreibung
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit den Gegebenheiten der GPS-Navigation. Dazu
wird an Anfang die Funktionsweise des GPS-Systems erläutert. Im Anschluss daran wird auf
das Datenprotokoll NMEA-0183, welches die Kommunikation zwischen GPS-Empfänger und
angeschlossenen Geräten sicherstellt. An Hand dieses Datenprotokolls wird die
Entschlüsselung der Daten des GPS-Empfängers mit Hilfe des Mikrocontrollers durchgeführt.
Diese Daten dienen dann zur Berechnung eines Kurses zwischen der aktuellen, durch den
GPS-Empfänger ermittelten Position und einem vorgegebenen Ziel. Diese Rechnung wird
durch die Großkreisberechnung durchgeführt, auf welche auch näher eingegangen wird.
Mit Hilfe dieses errechneten Kurses kann dann durch vergleichen mit dem anliegenden
Kurses, welcher von einem integrierten Kompassmodul stammt, eine Steuerinformation
erzeugt und zur Verfügung gestellt.
Des Weiteren wurde eine weitere Version des Programm entwickelt, welche neben den
eben genannten Eigenschaften noch alle vom GPS zur Verfügung gestellten Daten aufbereitet
und diese in entsprechender Form ebenfalls zur Verfügung stellt.
- 10 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
2
GPS
2.1
Allgemeines zu GPS
Der eigentlich Name des Systems ist NAVSTAR (Navigation System for Timing and
R
anging), bekannt ist dieses System aber nur als GPS (Global Positioning System). Das GPS-
System ist ein vom amerikanischen Verteidigungsministerium (DOD; Department of
Defense) ersonnenes, realisiertes und betriebenes System, welches ursprünglich nur für die
amerikanische Marine vorgesehen war.
Eigentlich besteht das GPSSystem aus (geplant) 24 Satelliten (21 werden benötigt, 3
sind aktiver Ersatz). Heute sind es allerdings meist um die 30 aktiven Satelliten, welche die
Erde in einer nominellen Höhe von 20200 km umkreisen. Unter diesen sind noch Satelliten
der ersten Generation, welche bereits ihre geplante Lebensdauer überschritten haben
GPS-Satelliten senden Signale aus, welche die genaue Ortsbestimmung eines GPS
Empfängers ermöglichen. Die Empfänger können ihre Position ermitteln, wenn sie
feststehend sind, sich auf der Erdoberfläche in der Erdatmosphäre oder in niederen
Umlaufbahnen bewegen. GPS wird sowohl in der Luft-, Land- und Seefahrtnavigation als
auch bei der Landvermessung und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf genaue
Positionsbestimmung ankommt. Das GPS-Signal wird jedem auf oder in der Nähe des
Planeten kostenlos zur Verfügung gestellt, der einen GPS-Empfänger besitzt und eine
uneingeschränkte "Sicht" auf die Satelliten hat. [1] [2]
- 11 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
2.2
Funktionsweise des GPS-Systems
2.2.1
Aufbau des GPS-Systems
Das GPS-System lässt sich in drei grundlegende Segmente unterteilen:
·
Weltraumsegment (Satelliten)
·
Kontrollsegment (Kontrollstationen)
·
Benutzersegment (GPS-Empfänger)
2.2.2
Das Weltraumsegment
Das Weltraumsegment besteht aus mindestens 24 Satelliten. Der erste dieser Satelliten
wurde bereits 1978 in seine Umlauflaufbahn gebracht. Mittlerweile gibt es fünf verschiedene
Typen (Block I, Block II, Block IIA, Block IIR und Block IIF) dieser Satelliten. Zur Zeit
befinden sich ca. 30 in Funktion befindliche Satelliten im Orbit. Von diesen Satelliten haben
einige bereits ihre geplante Lebensdauer überschritten, funktionieren jedoch noch Fehlerfrei
und werden deshalb noch weiter betrieben.
- 12 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
Die Satelliten umkreisen die Erde in einer
Höhe von 20200 km (26560 km vom
Erdmittelpunkt) und mit einer Geschwindigkeit
von 3,9 km/s. Damit erreichen sie eine
Umlaufzeit von 11 Stunden und 58 Minuten um
die Erde.
Die GPSSatellitenbahnen befinden sich
in sechs Ebenen, in denen jeweils vier Satelliten
in gleichen Abständen vorgesehen sind. Die
Inklination
1
der Ebenen beträgt 55°. Die Ebenen
sind in der Äquatorialebene um jeweils 60°
gegeneinander versetzt. Dies bedeutet, dass die
Umlaufbahnen der Satelliten bis 55° nördlicher und 55° südlicher Breite führen. Diese
Anordnung der Satelliten führt dazu, dass man mindestens vier Satelliten auf jeden Punkt der
Welt (Vorraussetzung: freie Sicht zu den Satelliten) hat.
Die nebenstehende Grafik
zeigt den Satelliten BIIR 07 (RN
18) vom 18.10.2001 00:00 Uhr bis
19.10.2001 00:00 Uhr. Der gelbe
Pfeil zeigt die Position des
Satelliten um 00:00 Uhr und der
gelbe Punkt den Satelliten um
21:30 Uhr .Die dazugehörige
,,Aus-leuchtungszone
2
",
in
welcher der Satellit sichtbar ist, ist
hellblau markiert.
Wer sich die Umlaufbahnen der GPSSatelliten (auch anderer Satelliten) plastisch vor
Auge führen möchte, dem sei folgender Link empfohlen:
http://science.nasa.gov/RealTime/JTrack/3D/JTrack3D.html
[1][2][3]
1
Inklination
Neigung zweier Ebenen oder einer Linie und einer Ebene gegeneinander
2
Ausleuchtungszone in dem der Satellit von Empfänger in Bodennähe empfangen werden kann
Abbildung 2-1
Satellitenumlaufbahnen (maßstabsgetreu)
Abbildung 2-2
Satellitenumlauf bahn des Satelliten GPS BIIR07 ( PRN 18 )
- 13 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
2.2.3
Das Kontrollsegment
Die Kontrolle über das
GPS-System liegt vollständig
in der Hand der US-Armee.
Zur
Überwachung
der
Satelliten dient eine "Master
Control Station" auf der
,,Schriever Air Force Base"
(zwanzig Kilometer östlich
von Colorado Springs) sowie
vier weitere Monitorstationen auf Hawaii, den Ascension Islands, Diego Garcia und
Kwajalein (siehe Grafik).
Die passiven Monitorstationen sind nichts weiter als GPS-Empfänger, die alle im
Sichtbereich befindlichen Satelliten verfolgen und auf diese Weise Messdaten der
Satellitensignale sammeln. Die Monitorstationen senden diese Rohdaten an die "Master
Control Station" zur Weiterverarbeitung. Die Stationen Ascension Islands, Diego Garcia und
Kwajalein sind auch Sendestationen für Korrekturdaten (siehe unter 2.5.9 und 2.5.10).
Die Master Control Station ist für den Betrieb des GPS-Systems verantwortlich. Hier
werden die Daten der Monitorstationen 24 Stunden am Tag in Echtzeit ausgewertet und
daraus Informationen über die Uhren und Bahnen der Satelliten gewonnen. Auf diese Weise
können eventuelle Fehlfunktionen schnell festgestellt werden. Aus den Informationen werden
auch neue Ephemeridendaten berechnet. Ein bis zwei mal pro Tag werden diese Daten dann
zusammen mit anderen Kommandos über Sendeantennen der Stationen auf den Ascension
Islands, Diego Garcia oder Kwajalein über ein S-Band Signal (S-Band: 2000 - 4000 MHz) an
die Satelliten zurückgesandt. Die Satelliten des Blocks IIR (die aktuell neuste Version der
GPSSatelliten) sind in der Lage, Signale mit anderen GPS-Satelliten auszutauschen und
können dadurch ihre Bahndaten selbst korrigieren, wodurch sie theoretisch nur alle 180 Tage
eine Verbindung mit den Bodenstationen benötigen.
Bei größeren Abweichungen der Satelliten kann die "Master Control Station" den
betroffenen Satelliten vorrübergehend auf ,,standby" schalten. Damit sendet der Satellit keine
Abbildung 2-3
Master- bzw. Kontrollstationen des GPS - Systems
- 14 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
Signale mehr. Nun kann mit Hilfe von Steuerdüsen die Satellitenbahn korrigiert werden (dies
wird ebenfalls von der "Master Control Station" aus veranlasst und überwacht). Ist dies
erfolgreich abgeschlossen, schaltet die "Master Control Station" den Satelliten wieder zu.
Außerdem kann man zum Kontrollsystem auch noch die Bodenstationen des WAAS
bzw. EGNOS Korrektursystem hinzuziehen (näheres siehe unter 2.5.9 und 2.5.10). [1][2][3]
2.2.4
Benutzersegment
GPS-Satellitenempfänger lassen sich mittlerweile so kompakt bauen, dass sie sogar in
eine Armbanduhr integriert werden können. Die meisten der heute angebotenen Geräte für
den Privatgebrauch haben etwa die Größe eines Mobiltelefons. Sie haben meist mindestens
12 Kanäle, d.h. sie können die Daten von bis zu 12 Satelliten gleichzeitig verarbeiten und
auswerten. Außerdem sind die meisten Geräte in der Lange, die Daten der Korrektor
Satelliten (WAAS, EGNOS (näheres unter Punkt 2.5.9 und 2.5.10)) zu Empfangen und zu
verarbeiten. Geräte im privaten Bereich sind allerdings nur in der Lage, die für die zivile
Nutzung frei gegebene eine Frequenz zu empfangen.
Des Weiteren gibt es noch Empfänger, welche ausschließlich für das amerikanische
Militär vorgesehen sind. Sie besitzen zusätzlich zu den zivilen Geräten die Möglichkeit, ein
zweites von den Satelliten ausgesandtes Signal, welches auf einer anderen Trägerfrequenz
gesendet und zusätzlich noch aufwendig verschlüsselt wird, zu empfangen (siehe unter 2.4).
Dadurch wird die Positionsbestimmung noch genauer, da die Geräte durch die zwei
unterschiedlichen Trägerfrequenzen, welche unterschiedlich durch die Atmosphäre
beeinflusst werden, verschiedene Störungen selber gegen rechnen können. Dies ermöglicht
Genauigkeiten im Zentimeterbereich. [1][2]
- 15 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
2.3
Positionsbestimmung
Stark vereinfacht gesagt sendet jeder Satellit eine Nachricht der Art: ,, Ich bin Satellit
Nr. X. Meine Position ist gerade Y und diese Nachricht wurde zum Zeitpunkt Z versandt."
Zusätzlich zu diesen Informationen senden die Satelliten der neueren Generation auch noch
Informationen über andere Satelliten, die sich in ihren Empfangsbereichen aufhalten.
Die wichtigsten Informationen jedoch sind die genaue Position des Satelliten und der
genaue Zeitpunkt, an dem der Satellit seine Information abschickt. Diese Zeit muss man mit
der Zeit des Empfangens vergleichen. Daraus lassen sich die Laufzeit des Signals und damit
die Entfernung zum Satelliten ermitteln. Werden nun von weiteren Satelliten Messungen
hinzugefügt, so kann die aktuelle Position durch Trilateration
1
bestimmt werden. Mit
wenigstens drei Satelliten kann man seine Position auf der Erdoberfläche bestimmen. Dies
wird als ,,2D position fix" (zweidimensionale Positionsbestimmung) bezeichnet. Mit Hilfe
von vier oder mehr Satelliten kann man eine ,,3D position fix" (dreidimensionale
Positionsbestimmung), als die absolute Position im Raum oder eben zusätzlich die Höhe über
der Erdoberfläche bestimmen. [1] [2] [3][4]
1
Trilateration Entfernungsmessung von drei Punkten aus
- 16 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
2.3.1
Zwei- und dreidimensionale Positionsbestimmung
In diesem Beispiel benötigt
das Signal vom ersten Satelliten
0,07 Sekunden bis zum Empfänger.
Daraus läst sich schließen, dass
unsere Position sich auf einen Kreis
um den Satelliten von 0,07
Sekunden befindet. Nimmt man
noch den zweiten Satelliten hinzu,
so erhält man zwei Schnittpunkte an
den man sich befinden kann. Mit
Hilfe eines dritten Satelliten könnte
man jetzt den richtigen Punkt der
beiden
ermittelten
Punkte
bestimmen. In diesem Beispiel dient die Erde als dritter Satellit. Der Erdradius ist bekannt
und somit zur Berechnung mit herangezogen werden. Allerdings wird dies in der Praxis nicht
gemacht, da die Erde nur näherungsweise eine kugelförmige Form hat. Für eine genaue
Positionsbestimmung jedoch ist dies zu ungenau.
Fügt man nun noch weitere Satelliten hinzu, erhöht sich die Genauigkeit weiter. Ab vier
Satelliten (ohne die Erde weiter als Satellit zu berücksichtigen) kann man eine 3D
Positionsbestimmung vornehmen. Je mehr Satelliten hinzugezogen werden können, desto
genauer wird die Positionsbestimmung, da bestimmte Fehlerquellen (siehe unter 2.5) besser
ausgeglichen werden können. [1]
Abbildung 2-4
Positionsbestimmung mit zwei Satelliten ( 2D position fix )
- 17 -
___________________________________________________________________________
Diplomarbeit
Jens Oehlert
ETTI'02
2.3.2
Zeitdifferenzen zwischen Satelliten und Empfängern
Das wohl größte Problem bei der
Positionsbestimmung ist die mögliche
Abweichung der verwendeten Uhren.
Die
Satelliten
verfügen
über
Atomuhren, welche eine Abweichung
von ± 1 Sekunde pro 1 Million Jahr
haben. Jedoch die Empfänger sind aus
Kostengründen nicht mit so genauen
Uhren ausgerüstet. Dadurch kommt es
zu
einer
nicht
unwesendlichen
Abweichung bei der Ermittlung der
Laufzeit der Satellitensignale. In dem
oberen gezeigten Beispiel ist die
Uhrendifferenz zwischen den Satelliten und dem Empfänger 0,003 Sekunden
1
. Dies führt
dazu, dass wir uns zwar am Punkt A befinden jedoch die Position des Punktes B ermitteln.
Daraus folgt: Je Synchroner die Uhren zueinander sind, desto genauer ist
Positionsbestimmung bzw. desto geringer sind die Abweichungen. Bei einem Uhrenfehler
von
1
/
1000
Sekunden macht der Fehler bei der GPS Navigation 300 km aus (im Beispiel wäre
dies eine Abweichung von 900 km). Dieser Fehler ist natürlich in keiner Weise akzeptabel.
Um einen Fehler von 1 Meter Abweichung zu erreichen, darf der Uhrenfehler maximal einen
Wert von 3 x 10
-12
Sekunden erreichen. Dieses Problem lässt sich auf eine einfache, elegante
und kostengünstige Methode lösen.
1
normalerweise ist diese Toleranz bedeutend niedriger. Allerdings hier zur Veranschaulichung besser geeignet
Abbildung 2-5
Positionsbestimmung mit zwei Satelliten und angenommen
Uhrenfehler
- 18 -
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ETTI'02
Zieht man zusätzlich noch einen
dritten Satelliten hinzu und geht wieder
davon aus, dass der Uhrenfehler 0,003
Sekunden ist, so erhält man drei
Schnittpunkte (Punkte B). Nun ändert
man die Zeit des Empfängers so lange
bis bei der Berechung nur noch
Schnittpunkt (A) ermittelt wird. So erhält
man den Fehler der Empfängeruhr und
kann diesen bei den weiteren
Berechnungen berücksichtigen. Damit
wird die Uhr des Empfängers zu einer
Atomuhr mit der geringen Toleranz der
Satelliten. Aus dieser Rechnung wird
auch ersichtlich, warum man zur
eindeutigen Positionsbestimmung mindestens drei Satelliten benötigt werden. [1]
2.4
Die Trägerfrequenz
Um die Datensignale zu transportieren wird zunächst eine geeignete Trägerfrequenz
benötigt. Die Auswahl dieser Trägerfrequenz ist bestimmten Bedingungen unterworfen:
·
Die Frequenz sollten unter 2 GHz gewählt werden, da Frequenzen darüber
den Einsatz von Richtantennen in der Empfangseinheit erforderlich machen
würden.
·
Ionosphärische Verzögerungen sind in den Frequenzbereichen kleiner
100 MHz und größer 10 GHz enorm hoch.
·
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen weicht bei
Ausbreitung in Medien (also z.B. in Luft) umso stärker von der
Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) ab, je tiefer die Frequenz ist. Dies würde
Abbildung 2-6
Positionsbestimmung mit drei Satelliten
- 19 -
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bei sehr tiefen Frequenzen wiederum die Laufzeitberechnungen nachteilig
beeinflussen.
·
Die PRN - Codes benötigen eine große Bandbreite für die Code-
Modulierung auf die Trägerfrequenz, es musste also ein entsprechender
Bereich hoher Frequenz und mit Möglichkeit zu großer Bandbreite gewählt
werden.
·
Die gewählte Frequenz sollte in einem Bereich liegen, in dem die
Signalausbreitung nicht stark durch Wetterphänomene (Wolken, Regen,
Schnee usw.) gestört wird.
Aus diesen Überlegungen heraus hat sich die Wahl von gleichzeitig zwei Frequenzen
als besonders geeignet herausgestellt, weshalb jeder der GPSSatelliten zwei Trägersignale
im Mikrowellenbereich ausstrahlt, die als L1 und L2
1
bezeichnet werden. Zivile GPS
Empfänger verwenden die L1Frequenz mit 1575,42 MHz. Diese Frequenz trägt sowohl die
Navigationsdaten als auch den SPS-code
2
. Die L2Frequenz, welche auf einer Frequenz von
1227,60 MHz sendet, trägt nur den P-Code
3
und wird nur von Empfängern die für den PPS
4
vorgesehen sind verwendet.
Auf die entsprechenden Frequenzen werden die zu übertragenden Signale mit Hilfe der
Frequenzmodulation aufmoduliert und übertragen.
Über die Modulation werden verschiede Code (C/Acode
5
über L1, Pcode
4
über L2)
übertragen, die von Satellit zu Satellit unterschiedlich jedoch kurrent (über die
Kreuzkorrelation von einander eindeutig unterscheidbar) sind und somit jedem Satellit
eindeutig zugeordnet werden können (dies geschieht über die PRNNummer
6
der Satelliten).
Die Codes dienen der Erweiterung des Spektrums zur Übertragung und machen damit das
Signal gegen Störeinflüsse resistenter. Zusätzlich zu den Codes wird mit 50
bit
/
s
die
Navigationsnachricht mit hineinmoduliert. Diese Nachricht enthält Daten wie die
Satellitenbahnen, Uhrenkorrekturen und andere Systemparameter (z.B. den Status des
Satelliten u.a.), sowie Informationen über andere, im Sichtbereiche des Satelliten befindliche,
1
Die Bezeichnung L weist auf die Frequenz des L-Bandes ( 1000 2000 MHz ) hin
2
SPScode standard positioning code Standard- Positionsbestimmungscode
3
P-Code (precise) sehr langer Pseudozufallscode 1023 kbit Schlüssel
4
PPS precision positioning code (Zweifrequenz Geräte, meist nur für militärische Geräte)
5
C/A-code
(
coarse aquisition, grobe Bestimmung
)
Pseudozufallscode mit 1023 bit Schlüssel
6
PRN
(pseudo random number) Codenummer zu eindeutigen Identifizierung der Satelliten
- 20 -
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Satelliten. Diese Daten werden ständig von jedem Satelliten übermittelt und daraus kann der
GPSEmpfänger sein Datum, die Uhrzeit, die Position der Satelliten und seine eigene
Position ermitteln. [1] [2] [3]
2.5
Fehlerquellen bei GPS
Folgende Fehlerquellen bei GPSNavigation können auftreten:
·
gewollte Fehler durch SA
1
·
durch ungünstige Satellitengeometrie
·
durch die Abweichungen in den Satellitenumlaufbahnen
·
durch Mehrwegeeffekt
·
durch atmosphärische Effekte
·
durch Uhrenungenauigkeit und Rundungsfehler
·
Relativistische Effekte
2.5.1
Fehlerquelle SA
Der größte Faktor bei der Positionsungenauigkeit besteht seit 2.Mai 2000 bis auf
weiteres nicht mehr. An diesem Tag wurde die SA abgeschaltet. Hierbei handelte es sich um
eine künstliche Verfälschung der vom Satelliten übermittelten Uhrzeit im L1 Signal. Dies
führte zu einer ungenauen Positionsbestimmung bei zivilen Geräten von ca. 50m. Zusätzlich
waren die übermittelten Positionsdaten nicht genau, so dass man im der Summation nur auf
eine Genauigkeit von ca. 100 m bei zivilen Geräten kam.
Auf Grund der verstärkten Nutzung des GPS auch in der zivilen See- und Luftfahrt
wurde entschieden, dieses Signal bis auf unbestimmte abzuschalten. Damit ist es möglich auf
Genauigkeiten von 1 5 Meter zu kommen. [1]
1
SA ( selective availability ) künstliche Verfälschung der Uhrenzeit der Satelliten
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2.5.2
Fehlerquelle Satellitengeometrie
Ein weiter Faktor, der die Genauigkeit der Positionsbestimmung beeinflusst ist die
,,Satellitengeometrie". Einfach gesagt bezieht sich die ,,Satellitengeometrie" auf die vom
Empfänger aus gesehene Stellung der gerade empfangen Satelliten zueinander im Raum.
Wenn ein Empfänger beispielsweise gerade vier Satelliten empfängt, diese aber alle aus
einer Richtung (oder sogar auf einer Linie liegen) senden, so ergibt sich daraus eine
,,schlechte Geometrie".
Sind die Satelliten jedoch über den Himmel besser verteilt (angenommen ein Satellit
befindet sich jeweils im Norden, Osten, Westen, Süden) dann kann die Positionsbestimmung
wesendlich genauer werden. Dann spricht man von einer ,,sehr guten Geometrie".
Desto mehr Satelliten empfangen werden umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass
die Satellitengeometrie sehr gut ist.
Abbildung 2-7
günstige Satellitenkonstellation
Abbildung 2-8
ungünstige Satellitenkonstellation
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Auch durch hohe Gebäude oder ähnliche Hindernisse, welche die freie Sicht auf die
Satelliten verhindert und damit einen Empfang einiger Satelliten unmöglich machen, kann zu
einer ,,ungünstigen Satellitengeometrie" führen.
Durch die in den Datensätzen des NMEA0183Protokolls (siehe unter 2.6) spiegelt
sich in den DOPWerten die Satellitengeometrie wieder. Dabei bedeutet ein geringer Wert
eine gute- und ein hoher Wert eine schlechte Geometrie. [1]
2.5.3
Satellitenumlaufbahnen
Obwohl die GPS Satelliten sich in sehr präzisen Umlaufbahnen befinden, kommt es zu
leichten Schwankungen durch die Gravitation der Erde, aber auch durch die Gravitation der
Sonne und dem Mond. Die exakten Bahndaten werden jedoch regelmäßig von den
Bodenstationen kontrolliert und wenn nötig auch korrigiert (siehe unter 2.2.3).
Ist die Satellitenbahn zu stark abweichend von der eigentlichen Bahn, so kann der
Satellit von den Bodenstationen auch als ,,Fehlerhaft" markiert werden. Dann wird dieser bis
zur endgültigen Korrektur bei den meisten Empfänger zur Berechnung der Position nicht
mehr herangezogen.
Dadurch bleibt der für die Positionsbestimmung resultierende Fehler sehr gering. [1]
- 23 -
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2.5.4
Mehrwegeeffekt
Der Mehrwegeeffekt ist ein
Effekt, der durch die Reflektion der
Satellitensignale an Objekten (Häuser,
hohe Berge u.a.) zustande kommt. Die
reflektierten Signale brauchen länger,
um zum Empfänger zu gelangen, als
das direkt empfangene Signal. Der
daraus resultierende Fehler liegt
typischer Weise bei wenigen Metern.
Gute Empfänger können diesen Effekt
allerdings
durch
Verwendung
bestimmter Antennen auf ein geringes
Maß reduzieren. So sind PatchAntennen sehr viel weniger empfindlich als Helix-Antennen.
Bedeutsam ist dieser Fehler vor allem in stark bebauten Regionen. Hier kann die
Position durch diesen Effekt stark verzerrt werden. [1]
Abbildung 2-9 Mehrwegeausbreitung von Signalen durch Reflektion
- 24 -
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2.5.5
Atmosphärische Effekte
Während sich die Radiowellen im
Weltall
mit
Lichtgeschwindigkeit
ausbreiten, breiten sich diese in der
Ionosphäre und der Troposphäre mit
geringerer Geschwindigkeit aus.
So werden in der Ionosphäre durch die
ionisierende Wirkung der Sonne in einer
Höhe von ca. 80 bis 400 km Elektronen und
positive Ionen in großer Zahl gebildet. Diese
konzentrieren sich in vier leitenden
Schichten innerhalb der Ionosphäre. Diese Schichten reflektieren bzw. brechen die
elektromagnetischen Wellen der Navigationssignale. Daraus folgen längere Laufzeiten der
Satellitensignale. Diese Fehler werden durch spezielle Berechnung im Empfänger zu größten
Teil
kompensiert.
Dies
geschieht
dadurch,
dass
man
die
typischen
Geschwindigkeitsabweichungen der Frequenzen während der Ionosphärendurchquerung an
einem Standardtag zu Standardbedingungen kennt und bei den Berechungen mit einbezieht.
Der Troposphärenfehler ist ein weiter Faktor, der durch Brechung die Laufzeit der
Signale verlängert. Ursache dafür sind die durch unterschiedliche Wetterlagen bedingten
unterschiedlichen Wasserdampfkonzentrationen in der Troposphäre. Der hierdurch
verursachte Fehler ist kleiner als der Ionosphärenfehler, lässt sich jedoch nicht vollständig
herausrechnen, sondern nur näherungsweise durch allgemeine Modelle annähern.
Durch die Einführung von WAAS und EGNOS (siehe unter 2.5.9 / 2.5.10) ist es
möglich, ,,Karten" mit dem Einfluss der Atmosphäre auf bestimmte Gebiete zu erstellen und
diese Korrekturdaten an die Empfänger zu senden. [1]
Abbildung 2-10 Beeinflussung der Sphären auf die Satellitensignale
- 25 -
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2.5.6
Uhrenungenauigkeit und Rundungsfehler
Eine weitere Fehlerquelle ist, trotz der Synchronisation der Uhr des Empfängers
während der Positionsbestimmung auf die Zeit der Satelliten, die verbleibende Ungenauigkeit
der Empfänger Uhr. Die verbleibende Uhrenungenauigkeit der Satelliten kann einen Fehler
von ca. 2 Metern ausmachen. Rundungs- und Rechenfehler der Empfänger bewirken etwa 1
Meter Genauigkeit. [1]
2.5.7
Relativistische Effekte
Nach der allgemeinen Relativitätstheorie vergeht die Zeit bei sehr schneller Bewegung
langsamer. Außerdem sagt sie aus, dass die Zeit umso langsamer vergeht, je stärker das
Gravitationsfeld ist.
Diese Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie zusammengefasst und auf das GPS
System übertragen bedeutet, dass die Uhren der Satelliten um 38 Mikrosekunden pro Tag zu
schnell laufen. Damit dies nicht ständig bei den Berechungen berücksichtigt werden muss,
wurden die Uhren der Satelliten so eingestellt, dass sie um 38 Mikrosekunden pro Tag
langsamer laufen. Damit werden die relativistischen Effekte kompensiert. [1]
- 26 -
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2.5.8
Differenziales GPS ( DGPS )
Eine weitere Möglichkeit den Fehler bei der Ermittlung der eigenen Position zu
reduzieren, ist der Einsatz von DGPS.
Bei DGPS wird ein zweiter stationärer GPSEmpfänger zur Korrektur der Messung des
ersten (mobilen) GPS-Empfängers eingesetzt. Die Position des stationären GPS Empfänger
muss sehr genau bekannt sein. Dann kann mit Hilfe eines Langwellensenders (283,5 325,0
MHz) ein Korrektursignal ausgestrahlt werden. Dieses Signal muss nun von einem
zusätzlichen Empfänger aufgenommen und zur Weiterverarbeitung aufbereitet und dem GPS
Empfänger zur Verfügung gestellt werden.
Dieses System wird vor allem meist an den Küsten speziell in Hafenbereichen von den
jeweiligen Küstenschutz zur Verfügung gestellt und erleichtert vor allen Schiffen (welche fast
ausschließlich mit GPS navigieren) die Navigation. [1]
2.5.9
Wide Area Augmentation System (WAAS)
WAAS ist ein System, in dem etwa 25 Bodenstationen, die auf der ganzen Welt verteilt
sind, die GPSSignale überwachen. Diese Bodenstationen fungieren als stationäre GPS
Empfänger, dessen Position sehr genau bekannt ist. Sie sammeln die Daten der Satelliten
werten diese aus und errechnen Korrekturdaten zur Korrektor der Abweichungen der
Satellitenlaufbahnen, Uhrendrift und der Signalverzögerungen, die durch die Ionosphäre und
Troposphäre verursacht werden. Diese ermittelten Daten werden dann über zwei stationäre
Satelliten an die Empfänger übermittelt.
Ein Empfänger der die Daten des WAASSystem empfangen und nutzen kann,
verringert seine Fehler noch einmal deutlich. Voraussetzung ist allerdings, dass der
Empfänger Sichtkontakt zu einen der stationären Korrektursatelliten hat, um dessen Daten zu
empfangen. [1]
- 27 -
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2.5.10
EGNOS / GALILEO
EGNOS (Euro Geostaionary Navigation Overlay Service) ist vergleichbar mit dem
WAASSystem. Allerdings beschränkt sich das Einsatzgebiet auf Europa. Dieses System ist
seit April 2005 verfügbar und der erste Schritt des durch die europäische Raumfahrtbehörde
ESA geplante Navigationssystem GALILEO.
Auch im Asiatischen bereich ist ein ähnliches System mit Federführung der Japaner in
Planung. [1]
2.5.11
Erreichbare Genauigkeiten des GPS-Systems
Fehlerquellen
verursachte maximale Abweichungen
Störungen durch Ionosphäre
± 5 Meter
Schwankungen der Satellitenlaufbahnen
± 2,5 Meter
Uhrenfehler
± 2 Meter
Mehrwegeeffekt
± 1 Meter
Störungen durch die Troposphäre
± 0,5 Meter
Rechnungs- und Rundungsfehler
± 1 Meter
Insgesamt ergibt sich daraus ein Fehler von ± 15 Meter. Mit Korrektor durch Systeme
wie WAAS und EGNOS, kann dieser Fehler auch noch weiter stark reduziert werden und
Genauigkeiten von bis zu einem Meter erreichen.
- 28 -
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Diplomarbeit
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Bei den meisten GPSEmpfängern
wird eine gewisse Genauigkeit angegeben.
Diese Angabe sagt aus, dass 50% aller
Messpunkte sich in dem angegebenen
Radius befinden.
Ein Beispiel:
Wird eine Genauigkeit von 2
angegeben so bedeutet dies, die
Wahrscheinlichkeit liegt bei 50%, dass die
ermittelte Position sich innerhalb eines
Radius von 2m um den Standort befindet.
Außerdem bedeutet dies, dass 95% aller an einem Punkt ermittelter Messwerte in einem
Radius von 2x2m also 4m liegen. Und das 98,9% der Messwerte in einem Radius von
2,55x2m also 5,1m liegen. Die Restlichen 1,1% sind Fehlmessungen.
Dies bedeutet, multipliziert man die angegebene Genauigkeit mit dem Faktor 2,55, so kann
man davon ausgehen, dass in einem Radius mit dem ermittelten Wert sich alle Messpunkte
befinden. [1]
Abbildung 2-11
Genauigkeit der Messung der Satellitendaten
- 29 -
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2.6
Standard NMEA0183
Die NMEA (National Marine Electronics Association) engagiert sich für die
Ausbildung und den Fortschritt der Marine-Elektroindustrie 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.
Mit Hilfe der weitgehenden standardisierten NMEADaten können an fast alle GPS
Empfänger auch andere Geräte angeschlossen werden, die mit diesen Daten
Navigationsprogramm oder andere Komponenten betreiben. Die Daten werden nach dem
RS232 Standard (vom PC als Datenformat der COMSchnittstellen bekannt) ausgegeben.
Wichtige Eigenschaften der Übertragung:
·
Datenrate: 4800 baud
·
Verwendung des ASCII Format für die Daten
·
Daten werden in Form vom Sätzen übertragen
·
Jeder Satz enthält:
Ø
1. Zeichen
=
'$'
Ø
2. und 3. Zeichen
=
Herstellerkennung
Ø
Am Ende
=
'*' + 2-stellige Prüfsumme + CR/LF
Ø
Daten mit Komma getrennt
Ø
Jeder Satz kann bis zu 82 Zeichen enthalten
Weitere Informationen zu dem NMEA0183 Standard findet man unter:
http://www.nacs.de/schiffel/nmea0183/index.html
oder
http://www.nmea.org
[1]
- 30 -
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2.6.1
Wichtigen Datensätze des NMEA0183 Standard
$GPGGA,160923.194,4804.8834,N,01138.7627,E,1,04,5.6,576.6,M,47.5,M,0.0,0000*72
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
1.
Satzerkennung '$', Herstellerkennung 'GP' und der Datensatz GGA (enthält die
wichtigsten Information zur Positionsbestimmung und) Genauigkeit
2.
Uhrzeit in Stunden, Minuten, Sekunden (16h 9min 23,194sec)
3.
Breitengrad in Grad und Minuten ( 48° 4,8834' )
4.
Längengrad in Grad und Minuten ( 11° 38,7627' )
5.
Qualität der Messung:
0 = ungültig
1 = GPS
2 = DGPS
6 = geschätzt nur NMEA-0183 v2.3
6.
Anzahl der erfassten Satelliten
7.
HDOP ( horizontal dilution of precision ) Genauigkeit
8.
Höhe über dem Meer ( in Meter )
9.
Höhe über den Ellipsiod ( im Meter )
10.
Differential GPS age of RTCM data
11.
Differential Reference Station ID
12.
Prüfsumme
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$GPGSA,A,3,28,26,29,07,,,,,,,,,14.8,5.6,13.7*3B
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
1.
Satzerkennung '$', Herstellerkennung 'GP' und der Datensatz GSA (enthält die
Nummern ( PRN Nr. ) der empfangenen Satelliten)
2.
Auto Auswahl 2D oder 3D Bestimmung
3.
Art der Positionsbestimmung:
1 = kein Fix
2 = 2D Fix
3 = 3D Fix
4.
PRN Nummern der Satelliten ( max. 12 )
5.
PDOP ( positional dilution of precision ) Gesamtgenauigkeit der 3D Koordinaten
und der Zeit
6.
HDOP ( horizontal dilution of precision ) horizontale Genauigkeit ( 2D Koordinaten )
7.
VDOP ( vertical dilution of precision ) vertikale Genauigkeit ( Höhe )
8.
Prüfsumme
$GPRMC,160923.194,A,4804.8834,N,01138.7627,E,0.00,256.68,190705,,*05
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
1.
Satzerkennung '$', Herstellerkennung 'GP' und der Datensatz RMC (enthält
allgemeine Angaben zur Position, Geschwindigkeit und Datum)
2.
Uhrzeit in Stunden, Minuten, Sekunden (16h 9min 23,194sec)
3.
Empfängerwarnung A = Daten OK
V = Warnung
4.
Breitengrad in Grad und Minuten ( 48° 4,8834' )
5.
Längengrad in Grad und Minuten ( 11° 38,7627' )
6.
Geschwindigkeit über Grund ( in Knoten )
7.
Kurs in Grad
8.
Datum (TTMMJJ)
9.
Modus ( erst ab NMEA Version 2.3 )
10.
Prüfsumme
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$GPGSV,2,1,08,26,67,174,41,29,54,163,42,09,45,285,00,07,40,104,37*7D
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
1.
Satzerkennung '$', Herstellerkennung 'GP' und der Datensatz GSA (enthält
Angaben zu den Satelliten, die empfangen werden können (max. 4 Satelliten pro Satz )
2.
Anzahl der Datensätze (max. 3 Datensätze GSA für insgesamt 12 Satelliten)
3.
Nummer des Datensatzes
4.
Anzahl der Satelliten in Sicht
5.
Satelliten ID ( erster Satellit )
6.
Position Breite in ganzen Grad (50°)
7.
Position Länge in ganzen Grad (50°)
8.
Signalstärke (0 bis 99)
9.
2. Satellit (Wiederholung der Punkte 5 8)
10.
3. Satellit (Wiederholung der Punkte 5 8)
11.
4. Satellit (Wiederholung der Punkte 5 8)
12.
Prüfsumme
Der NMEA0183Standard hat noch weit aus mehr Sätze definiert, jedoch sind diese
für ein Navigationsmodul für einen Roboter nicht relevant. Daher werde ich mich auf die
oben beschriebenen Sätze beschränken. Mehr Informationen über weitere Datensätzen können
im Internet unter den Adressen:
http://www.nacs.de/schiffel/nmea0183/index.html
oder
http://www.nmea.org
angerufen werden. [1]
- 33 -
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3
Das Koordinatensystem
Koordinatensysteme zur Bestimmung
von Orten auf der Erdoberfläche gab es im
Laufe der Jahrhunderte viele verschiedene. In
der westlichen Welt haben sich zur
Bestimmung der Position der Äquator sowie
der südliche und nördliche Wendekreis des
Krebs und Steinbocks als Bezugspunkt
durchgesetzt. Daraus hat sich im Laufe der Zeit
der noch heute gebräuchliche Beiten- und
Längengrad entwickelt. Der Nullmeridian
1
und
der Äquator sind die Referenzflächen zur
Definition der Breiten und Länge. Da auch
ausschließlich nur dieses System in der GPS
Navigation verwendet wird, gehe ich auf
weitere Projektionsdarstellungen von Koordinaten nicht ein. [1][2]
3.1
Geographische Breite
Die Erde dreht sich in Annäherungsweise 24 Stunden einmal um die eigene Achse.
Diese Achse durchstößt die Erde jeweils am Nord- sowie am Südpol. Genau in der Mitte
zwischen Nord- und Südpol befindet sich der Äquator, welcher senkrecht auf dieser
gedachten Rotationsachse liegt.
Der Äquator wird zur Definition des Breitengrades herangezogen. Ausgehend hiervon
misst man den Winkel in Graden nach Norden und Süden jeweils bis 90 ° und gibt dies als
nördliche bzw. südliche Breite an. . Hierdurch entstehen weitere Breitenkreise mit deren Hilfe
1
Nullmeridian Anfangsmeridian für die Zählung der Längenkreise. Seit 1911 gilt nach internationalen
Vereinbarungen der Längenkreis der Londoner Sternenwarte ,,Greenwich" als Nullmeridian
Abbildung 3-1
geographische Längen- und Breitengrad
- 34 -
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man eine Position auf der Erde immerhin schon auf eine kreisförmige Linie um die Erde
angeben kann.
Die Erde hat einen Radius von ca. 6370 Kilometern und damit einen Umfang von etwa
40000 km. Daraus ergibt sich ein Abstand der ganzzahligen Breitengrade von etwa 111 km.
Ein Grad ist in 60 Bogenminuten und diese wieder jeweils in 60 Bogensekunden aufgeteilt.
Eine Bogenminute, also 1/60 eines Grades umfasst damit 1,8533 km. Daher stammt auch die
Maßeinheit der Seemeile, welche genau einer Bogenminute entspricht. [1][2]
3.2
Geographische Länge
Zusätzlich zu den Breitenkreisen werden noch Längenkreise eingeführt. Dies sind
Kreise die senkrecht auf dem Äquator stehen und durch beide Pole führen. Als
Anfangsmeridian dient der Nullmeridian, welcher durch die Sternwerte von Greenwich
(England) führt.
Es gibt 360 Längsgrade, welche aufgeteilt sind in:
Ø
0° 180° östliche Länge
und
Ø
0° - 180° westliche Länge
Die Längengrade haben gegenüber den Breitengraden nicht immer den gleichen
Abstand. So ist der Abstand in Höhe des Äquators mit ca.111km am Größten an den Polen
mit 0m am kleinsten. Daraus folgt, je höher der Breitengrad desto geringer wird der Abstand
zwischen den jeweiligen Längengraden. [1]
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Erscheinungsjahr
- 2005
- ISBN (eBook)
- 9783832499334
- ISBN (Paperback)
- 9783838699332
- DOI
- 10.3239/9783832499334
- Dateigröße
- 2.4 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Helmut-Schmidt-Universität - Universität der Bundeswehr Hamburg – Elektrotechnik, Technische Informatik
- Erscheinungsdatum
- 2006 (Oktober)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- global positioning system navigation technische informatik elektrotechnik nmea
- Produktsicherheit
- Diplom.de
