GPS-Empfänger Handbuch

GPS-Empfänger
Handbuch
Jörn Weber
Jena, im Jahre 2009
2. bearbeitete Version
GPS-Empfänger Handbuch
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Vorwort:
Dieses Buch soll die Welt der GPS-Empfänger darstellen, erläutern und systematisieren. Die oft mit
dem GPS-Empfänger im Zusammenhang stehenden Geodaten, wie Landkarten und Ähnliches, sind
kein Gegenstand dieses Buches. Hierbei begrenze ich das dem Leser abverlangte Niveau an
technischen Kenntnissen nicht. Gleichwohl werde ich versuchen, mich allgemein verständlich auszudrücken.
Ich habe mich entschieden dieses Buch öffentlich zu schreiben, da der Kreis der Interessenten an
diesem Thema zurzeit noch sehr klein ist. Eine reguläre Veröffentlichung des Buches in gedruckter
Form würde der raschen Entwicklung zudem nicht gerecht werden.
Sollte es jemand wünschen oder der Meinung sein, dass ein bestimmtes Gerät in diesem Buch über
dem vom Autor vorgesehenen Rahmen hinaus vorgestellt werden sollte, so möge er mich konsultieren.
Inhaltliche Anregungen zu diesem Buch sind jederzeit willkommen.
Danksagung:
Ich danke der Community von http://www.naviuser.at für die Unterstützung bei der Erstellung
dieses Buches. Mein besonderer Dank gilt Andreas Lammel für das Bereitstellen des Servers und
Hans Helmcke und Fritz Mössinger für das Redigieren dieses Buches.
Bildquellen:
Bei allen Bildern ohne nähere Angaben liegen die Urheberrechte bei Jörn Weber. Alle Bilder der
Gerät von QStarz und Variotek GmbH mit freundlicher Genehmigung der Variotek GbmH,
Bodelschwinghstr. 12, 32130 Enger, vertreten durch Karim Kabier.
Urheberrechte:
Alle Rechte an diesem Buch liegen bei Jörn Weber, Lobdeburgweg 7, 07747 Jena, Deutschland.
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Dieses Buch darf ohne schriftliche Zustimmung des Autors weder gedruckt, noch in irgendeiner
elektronischen Form veröffentlicht werden. Insbesondere die Veröffentlichung im Internet ist ohne
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Das Buch darf ausdrücklich zur eigenen und ausschließlich privaten Verwendung von jedermann
gedruckt werden. Eine Weitergabe der Ausdrucke, egal in welcher Form ist verboten.
Handelsmarken:
Alle erwähnten Handelsmarken gehören den jeweiligen Herstellern und werden ausschließlich zu
publizistischen Zwecken erwähnt.
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Inhaltsverzeichnis:
1. Technologie
1.1 Allgemein
1.2 Systemgenauigkeit
1.3 SBAS
1.4 AGPS
1.5 DGPS
1.6 Kanäle und Satelliten
1.7 Multipath und die Empfangsempfindlichkeit der Empfänger
1.8 Dead Reckoning
1.9 Dopplereffekt-Messung für Trackwinkel und Geschwindigkeit
2. GPS-Chips
2.1 Kleine Geschichte der GPS Chips
2.2 SiRFStar 3
2.3 Atmel/u-blox
2.4 Mediatek (MTK)
2.5 Skytraq
2.6 MStar
2.7 Nemerix
2.8 ST Microelectronics
2.9 Sony
2.10 Atheros
2.11 Maxim
3. GPS-Module
3.1 Allgemein
3.2 Schnittstelle der GPS-Empfänger
4. GPS-Empfänger
4.1 Allgemein
4.2 GPS-Empfänger mit Kabelanschluss
4.2.1 NL-302U
4.2.2 VT-200
4.2.3 NL-402U
4.3 GPS-Empfänger mit Bluetooth Interface
4.3.1 VT-BT-202
4.3.2 BT-Q890
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5. GPS-Logger
5.1 Allgemein
5.2 GPS-Logger mit Kabelanschluss
5.2.1 GT31
5.3 GPS-Logger mit Bluetooth Interface
5.3.1 WBT 201
5.3.2 WBT 202
5.3.3 BT Q1000(P)(X)
5.3.4 BT Q1200
5.3.5 BT Q1300
5.4 GPS-Logger mit Display
5.4.1 MG 950D
5.4.2 BT Q2000
5.4.3 Locosys BGT31
6. GPS-Tracker
6.1 Allgemein
7. Stromversorgung von GPS-Empfänger
7.1 Allgemein
7.2 Akkumulatoren
7.3 USB-Stromversorgung
7.4 Powerpacks
8. Software für GPS-Empfänger
8.1 GPS Babel
8.2 GPS Trackanalyse
8.3 NMEA Tools
8.4 RTKLib
8.5 BT747
8.6 AVGPS
9. Formate und Protokolle
9.1 GPS Exchange Format
9.2 Comma Separated Value Format
9.3 NMEA 0183 Format
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1. Technologie
1.1 Allgemein
Ein GPS-Empfänger benötigt bestimmte Vorarbeiten, um seine Position bestimmen zu können. Eine
Grundvoraussetzung hierbei ist die Kenntnis der exakten Uhrzeit. Diese beschafft sich der GPSEmpfänger in grober Form vom ersten empfangenen Satelliten. In grober Form deshalb, weil er erst
einmal nicht den durch Laufzeit zwischen Satellit und Empfänger entstehenden Laufzeitfehler
korrigieren kann. Als Zeitbasis für das GPS-System wird die GPS-Zeit verwendet, sie entspricht der
UTC von 1980. Die seit 1980 in die UTC eingeschobenen Schaltsekunden werden nicht berücksichtigt. Daher weichen UTC und GPS-Zeit inzwischen mehr als ein Dutzend Sekunden voneinander ab. Nachdem der GPS-Empfänger sich die Uhrzeit beschafft hat, füllt er seinen Almanach mit
den groben Bahndaten, den Zustandsdaten und den Korrekturwerten für die Uhren der NavstarSatelliten. Die Daten hierfür entnimmt er dem Datenstrom des ersten empfangenen Satelliten.
Sobald der Almanach vollständig ist, stellt der Empfänger fest, welche Satelliten empfangen werden
können und bestimmt daraus grob die östliche bzw. westliche Hemisphäre und die südliche bzw
nördliche Halbkugel, auf der sich der Empfänger befindet. Parallel dazu werden die präzisen
Bahndaten der Satelliten von einem oder mehreren Satelliten aus in die Ephemeriden–Tabelle des
GPS-Empfängers geladen.
Sobald der Empfänger die Daten von mindestens 3 Satelliten besitzt, sind die Vorarbeiten abgeschlossen und der Empfänger beginnt mithilfe einer Iteration eine erst grobe Positionsbestimmung.
Diese Annäherung von einer groben Position zu einer immer genaueren Position ist notwendig, weil
der Empfänger nicht die genaue Uhrzeit kennt. Um die genaue Uhrzeit zu ermitteln, benötigt der
Empfänger die Entfernung zwischen der eigenen Position und den Satelliten, aber gerade diese
muss ja erst einmal ermittelt werden. Die eigene Position bestimmt der Empfänger aus der Laufzeitdifferenz zwischen der Aussendung des GPS-Signals und dessen Empfang. Dazu enthält jedes GPSSignal codiert den Zeitpunkt seiner Aussendung. Die Laufzeitdifferenz kann man mithilfe der Ausbreitungsgeschwindigkeit für elektromagnetische Wellen in eine Entfernung umrechnen. Kennt man
die Entfernung zu drei Satelliten, so kann man die eigene Position auf der Erdoberfläche mit einem
mathematischen Verfahren berechnen. Als mathematisches Verfahren wird hierfür die Trilateration
verwendet. Speziell auf die GPS-Navigation bezogen, spricht man hierbei von einem
Pseudoranging-Verfahren. Nachdem die Position des Empfängers grob feststeht, korrigiert der GPSEmpfänger seine interne Uhr, anhand der von den Satelliten gesendeten Uhrzeit und der Laufzeit
der Zeitsignale. Mit der jetzt korrigierten internen Uhr wird erneut die eigene Position berechnet.
Diese Iteration wird so lange fortgesetzt, bis keine Verbesserung der Genauigkeit der Position mehr
erzielt werden kann. Wie lange die Iteration läuft, hängt davon ab, wie viele der maximal 32
möglichen Satelliten sichtbar sind.
Auf Teile dieses aufwendigen Verfahrens, auch Kaltstart genannt, kann im normalen Betrieb verzichtet werden, da der Empfänger den Almanach 180 Tage speichert, bevor er ihn für ungültig
erklärt. So müssen bei einem Neustart des Empfängers nur die Ephemeriden aktualisiert werden.
Dieser verkürzte Start des Empfängers wird Warmstart genannt. Falls der Empfang des GPS-Signals
nur kurzzeitig, zum Beispiel in einem Tunnel, unterbrochen war, wird von einem Heißstart
gesprochen, da in diesem Fall auch die Ephemeriden nicht aktualisiert werden müssen.
Die Daten werden im Almanach üblicherweise im YUMA-Format gespeichert. Den Almanach kann
man sich nachträglich beim NAVCEN beschaffen:
www.navcen.uscg.gov/archives/gps/{Jahr}/ALMANACS/YUMA/{Nr.}.ALM
Das Jahr ist vierstellig anzugeben und der Tag im Jahr dreistellig
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Im Almanach enthaltene Daten im YUMA-Format:
ID
PRN Code des jeweiligen Satelliten
Health
Status des Satelliten 000=Satellit nutzbar
Eccentricity
Exzentrizität der Satellitenbahn
Time of Applicability
Zeitpunkt für den die Daten berechnet
worden sind
Orbital Inclination
Neigung der Bahn zum Äquator hin
Rate of Right Ascension
Änderungsrate der Rektaszension
SQRT(A)
Wurzel aus der großen Halbachse der
Satellitenbahn
Right Ascension at Time of Almanac
Rektaszension
Argument of Perigee
Winkel bei dem der Satellit den größten
Abstand zur Erde besitzt.
Mean Anomaly
Mittlere Anomalie aus der Keplerschen
Gleichung
Af0
Fehler der Satellitenuhr
Af1
Drift der Satellitenuhr
week
GPS Woche
1.2 Systemgenauigkeit
Die minimale Genauigkeit des Weltraumsegmentes ist durch ein Gesetz der USA (10 U.S.C.
2281(b)) im SPS Performance Standard definiert und beträgt 4 Meter. Als maximale Fehler wird 10
Meter angegeben. Das bedeutet, dass 95 % aller Messungen in einem Kreis von 7,8 Metern liegen,
wenn ein idealer Empfang mit einem Idealen Empfänger vorausgesetzt wird.
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Folgende Fehlerquellen beeinflussen die Genauigkeit der Positionsbestimmung:
1.
2.
3.
4.
Uhrenfehler der Satelliten
Bahnfehler der Satelliten
Ionosphäre
Troposphäre
Zu den möglichen Fehlerquellen gibt es eine genaue Beschreibung und Dokumentation im GPS
Performance Standards des NAVCEN:
http://www.navcen.uscg.gov/gps/geninfo/2008SPSPerformanceStandardFINAL.pdf
Die Genauigkeit der GPS-Empfänger kann man in 3 Kategorien einteilen:
1. Zivile Einfrequenzempfänger
2. Militärische Zweifrequenzempfänger
3. Geodätische Zweifrequenzempfänger
Militärische Zweifrequenzempfänger verwenden gegenüber dem zivilen Einfrequenzempfänger
eine zweite Funkfrequenz, um durch die Ionosphäre und Atmosphäre verursachte Fehler zu berechnen und zu kompensieren.
Geodätische Empfänger verwenden Messverfahren zur Bestimmung der Position, die auf der Phaseverschiebung des Funksignals der Satelliten beruhen.
1.3 SBAS - Satellite Based Augmentation System
Um die Genauigkeit des GPS Empfangs zu verbessern, wurden Zusatzsysteme aufgebaut, welche
hauptsächlich die Ionosphärenfehler beim GPS-Empfang beseitigen sollen. Hierzu senden mehre
geostationäre Satelliten permanent die von Referenzstationen vermessenen Korrekturwerte für den
Fehler der Ionosphäre aus. Die Ionosphäre wird hierbei als ein Gitter mit 5° mal 5° großen Maschen
abgebildet.
Folgende SBAS-Systeme existieren oder sind geplant:
WAAS
EGNOS
MSAS
GAGAN
SDMC
OmniSTAR
für Amerika
für Europa
für Japan
für Indien
Für Russland
weltweiter kommerzieller Dienst
Folgende Fehler können mit SBAS-Systemen ausgeglichen werden:
Fehler der Satellitenuhren
Fehler der Satellitenbahnen
Ionosphärische Fehler basierend auf einem Datengitter von 5° x 5°
Fehler durch Betriebsstörungen einzelner Satelliten
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In Summe kommt man durch Zuhilfenahme eines SBAS-Systems auf eine Genauigkeit von 2 Metern. Der Nachteil der SBAS-Systeme ist, dass man sie schon in mittleren Breiten nur schlecht empfangen kann. Der Hintergrund ist, dass die Satelliten eine geostationäre Position besitzen und somit
in mittleren Breiten nur in geringen Winkel über dem Horizont stehen. Das SBAS-System ist somit
in Europa erst südlich der Alpen auch am Boden sinnvoll einsetzbar. Für Luftfahrzeuge und
Seeschiffe spielt der geringe Winkel der Satelliten über dem Horizont keine Rolle.
Die SBAS-Daten kann man nicht nur über Satelliten empfangen, sondern auch über das Internet zu
Auswertungszwecken beziehen. Der Zugang zu diesen Daten des SISNET ist kostenfrei, erfordert
aber eine Registrierung. Die erforderliche Software ist ebenfalls kostenfrei.
http://www.egnos-pro.esa.int/sisnet/index.html
Man sieht über das SISNET sehr schön, welche Navstar Satelliten gerade aktiv sind und welche
momentan gewartet werden.
1.4 AGPS Assisted GPS
AGPS ist der Sammelbegriff für unterstützte GPS-Systeme. Die Unterstützung bezieht sich auf die
externe Versorgung des GPS-Empfängers mit Daten für den Almanach und/oder die EphemeridenSpeicher. Der Hauptvorteil dieser Technologie ist, dass der Empfänger die Almanache und die Ephemeriden nicht von den Satelliten herunterladen muss. Hierdurch verkürzt sich die Zeit bis zur Auffindung der ersten Position extrem. Auch bei später im Wald oder in Straßenschluchten auftauchenden Satelliten müssen Almanach und Ephemeriden nicht mehr vom Satelliten eingelesen werden und der Satellit steht sofort zur Berechnung der Position zur Verfügung. Hierdurch erhöht
AGPS zusätzlich die Verfügbarkeit und Robustheit der Positionsbestimmung.
Zwei Verfahren sind zur externen Versorgung des GPS-Empfängers mit Daten möglich. Beim Online–AGPS wird der Empfänger immer bei Bedarf über eine Mobilfunkverbindung mit Daten versorgt. Der Vorteil dieser Methode ist die Aktualität der Daten und ihre permanente Verfügbarkeit.
Der Nachteil dieser Methode sind die hohen Online-Kosten. Das Offline–AGPS ist eine alternative
Methode zur Versorgung eines GPS–Empfängers mit externen Daten. Hierbei wird der Empfänger
kurzzeitig über einen Computer an das Internet angeschlossen und so von einem Server mit vorausberechneten Daten versorgt. Der Vorteil dieses Verfahrens sind die geringen Kosten. Der Nachteil
dieses Verfahrens ist, dass die Daten nicht überall verfügbar sind und mit der Zeit veralten. Aus diesem Grund wird das Offline–AGPS hauptsächlich für GPS-Logger und PDA eingesetzt, während
das Online–AGPS für Handys verwendet wird. In der neuesten Version des AGPS berechnet ein
leistungsfähiger Prozessor selber den Almanach und die Ephemeriden voraus. Voraussetzung hierfür
ist aber, dass der GPS-Chip mit einer leistungsfähigen CPU gekoppelt wird.
Achtung! Es gibt viele GPS-Chips am Markt, die theoretisch AGPS unterstützen, aber es
praktisch nicht verwenden können, da Ihnen der dafür erforderliche Speicher fehlt.
1.5 DGPS – Differential GPS
DGPS wird bisher nur in geodätischen Empfängern verwendet. Das DGPS beruht auf dem Prinzip,
dass eine exakt vermessene Referenzstation den Fehler des GPS-Systems ermittelt und die Fehlerkorrekturwerte dann an den Rover vor Ort überträgt. Der Rover vor Ort korrigiert dann, mittels der
Fehlerkorrekturdaten der Referenzstation, die eigene Positionsermittlung. DGPS wird im
Consumer-Bereich von den Chips Antaris4, u-blox 5 und Skytraq Venus 634FLPx untertützt.
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1.6 Kanäle und Satelliten
Unter Kanäle versteht man bei einem GPS-Empfänger parallel zur Verfügung stehende unabhängige
Rechenwerke. In jedem Kanal wird in der Regel der Datenstrom eines Satelliten verarbeitet. Bei
neueren GPS-Chips ist es auch üblich, dass mehre Kanäle für die Verarbeitung des Datenstromes
eines Satelliten verwendet werden. Nicht nur für die Verarbeitung der Datenströme von Satelliten
sind Kanäle erforderlich, sondern auch für die Suche nach neu aufgetauchten Satelliten wird jeweils
mindestens ein Kanal benötigt. Das SBAS erfordert ebenfalls Kanäle. Bei momentan 32 möglichen
Navstar-Satelliten sind im günstigsten Fall 15 gleichzeitig sichtbar. Mit dem noch zusätzlich erforderlichen sechzehnten Kanal für die Suche nach neuen Satelliten ist dann ein GPS-Empfänger mit
16 Kanälen vollkommen ausgelastet. Das SBAS erfordert 3 Kanäle für die momentan 3 möglichen
SBAS-Satelliten und gegebenenfalls einen vierten Suchkanal. Es sind also mindestens 20 Kanäle
erforderlich, damit ein GPS-Chipsatz mit ausreichender Geschwindigkeit seine Aufgaben erledigen
kann. Moderne Chipsätze besitzen aber deutlich mehr Kanäle, damit die Datenströme der NavstarSatelliten zeitversetzt unabhängig voneinander verarbeitet werden können. Durch diese massive
Parallelisierung der Berechnungen lässt sich die Sampling-Rate für die Berechnung der Position
erhöhen. Die neueren MTK-Chips sind mit Ihren 66 Kanälen daher in der Lage, die Position 5-mal
pro Sekunde zu berechnen. Man spricht dann von einer Sampling-Rate von 5 Hz. Allerdings sind
viele Kanäle alleine auch kein Allheilmittel. Man kann auch bei einem Empfänger mit 16 Kanälen
jeden Kanal mit sehr vielen Korrelatoren ausstatten, um die Sampling-Rate zu erhöhen. Ein Beispiel
hierfür ist der Antaris 4 Chips von u-blox/Atmel. Hat der Chip erst einmal einen soliden Fix
gefunden kann er auch ohne zeitversetzt arbeitende Kanäle eine Sampling-Rate von 4 Hz erreichen.
Selbst 10 Hz wären theoretisch machbar. Praktisch scheitert das aber an der Rechenkapazität des
Chips, da die Positionsbestimmungen nacheinander, und nicht zeitversetzt unabhängig voneinander,
ablaufen.
1.7 Multipath und die Empfangsempfindlichkeit der Empfänger
Ein GPS Empfänger soll eine möglichst hohe Empfangsempfindlichkeit besitzen. Diese wird in
dBm gemessen. Hintergrund ist die geringe Sendeleistung der Navstar Satelliten von nur 20 Watt.
Erst ab einer Empfangsempfindlichkeit von -180 dBm ist der Empfänger in der Lage das GPS-Signal auch in Gebäuden zu empfangen. Der Vergrößerung der Empfangsempfindlichkeit steht hierbei
zum einen das Eigenrauschen der elektronischen Bauelemente, zum anderen aber auch der Mehrwegeempfang des GPS-Signals entgegen. Der Mehrwegeempfang des GPS-Signals wird auch Multipath-Empfang genannt. Die Ursache für den Mehrwegeempfang sind Reflexionen durch Gebäude
und Geländeerhebungen.
1.8 Dead Reckoning
Hoch entwickelte GPS-Chips bieten die Möglichkeit, mit Hilfe von Kreiseln, Gyro genannt, die
letzte bekannte GPS-Position auch bei schlechtem oder unterbrochenem GPS-Empfang (wie zum
Beispiel in Tunneln) fortzuschreiben. Diese GPS-Chips besitzen für den Kreisel eine spezielle
externe elektrische Schnittstelle. Mit der aus der Seefahrt abgeleiteten Technologie der
Koppelnavigation, dead reckoning genannt, kann der GPS-Empfänger kurzzeitig auch ohne GPSSignal die Position hinreichend genau bestimmen.
Stellen Sie sich einen langen dunklen Tunnel vor, in den Sie hineinfahren und eine Abzweigung
finden wollen, ohne dass ein GPS-Signal vorhanden ist. Wenn Sie wissen, wie viel Zeit seit der Einfahrt in den Tunneleingang vergangen ist und wie schnell sie fahren, können sie den Punkt, an dem
Sie die Abzweigung erreichen, berechnen. Die Geschwindigkeit kann man aus dem Tachosignal eiGPS-Empfänger Handbuch
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nes Fahrzeuges entnehmen. Die Zeit wird mit der internen Uhr des GPS-Empfängers gemessen.
Multipliziert man die vergangene Zeit, seit der Einfahrt in den Tunnel, mit der Geschwindigkeit, erhält man die ab dem Tunneleingang zurückgelegte Strecke als Ergebnis. In Kenntnis dieser Strecke
kann der GPS-Chip dann bezogen auf die letzte bekannte GPS-Position ihre aktuelle Position
berechnen. Nach Passieren der Abzweigung und einer damit eventuell verbundenen Richtungsänderung wird es noch schwieriger einen bestimmten Punkt zu finden, denn es wird die Information benötigt, welchen Weg Sie an der Abzweigung genommen haben. Die Information über eine Richtungsänderung lässt sich aus einem Kreisel gewinnen. Der Kreisel teilt dem GPS-Chip dazu jede
Richtungsänderung mit. Vom Punkt der Richtungsänderung an kann dann erneut wieder die Positionsberechnung anhand von Geschwindigkeit und Zeit erfolgen.
Es gibt inzwischen GPS-Chips, die im Falle, dass keine Geschwindigkeitsinformation vom
Fahrzeugtacho zur Verfügung steht, die letzte bekannte Durschnittsgeschwindigkeit des Empfängers
als Ersatz für die fehlende Geschwindigkeitsinformation verwenden.
1.9 Dopplereffekt-Messung für Trackwinkel und Geschwindigkeit
Die meisten GPS-Empfänger berechnen mithilfe der Pseudoranges nicht nur die Position, sondern
werten auch die Frequenzverschiebung aus, welche durch die Bewegung der Satelliten und des
Empfängers entsteht (Dopplereffekt). Diese zusätzliche Auswertung des Dopplereffekts ist mit einer
wesentlich höheren Geschwindigkeit möglich, als die Positionsberechnung durch die Pseudoranges.
Der Grund hierfür ist, dass der Inhalt des GPS-Signals für die Messung des Dopplereffekts nicht
decodiert werden muss.
Die zusätzliche Auswertung dient zur zuverlässigen und schnellen Ermittlung der Frage, ob sich der
Empfänger bewegt und wenn ja, wie schnell und in welche Richtung er sich bewegt. Die Information, ob sich der Empfänger bewegt, wird sowohl für interne Funktionen, wie zum Beispiel das Static
Navigation Feature, als auch für externe Anwendungen verwendet. Die Empfänger stellen diese Informationen über den NMEA-0183 Datensatz $GPVTG oder über die herstellerspezifischen binären
Protokolle externer Anwendungen zur Verfügung. In der Regel bestehen die Informationen aus der
Horizontalgeschwindigkeit und dem Trackwinkel. Über die herstellerspezifischen binären Protokolle ist oft auch die Vertikalgeschwindigkeit aus der Doppler-Messung für externe Anwendungen
verfügbar.
2. GPS-Chips
2.1 Kleine Geschichte der GPS-Chips
Die ersten GPS-Empfänger waren auf mehrere Chips verteilt. Aus diesem Grund spricht man heute
noch oft von GPS-Chipsätzen. Im Consumer-Bereich waren Garmins MultiTrac 8 die ersten brauchbaren GPS-Chips. Später folgten die Phasetrac-Chipsätze von Garmin. Die Firma SiRF stieg mit ihrem SiRFStar 2 Chip in den Consumer-Bereich ein. Garmin hat inzwischen die Herstellung eigener
GPS-Chips eingestellt. SiRF hingegen lies dem wenig erfolgreichen und mit Mängeln behafteten
SiRFStar 2 Chip eine nächste Generation von Chips, den SiRFStar 3, folgen. Dieser wurde dann
zum erfolgreichsten GPS-Chip. Auch Garmin verwendet ihn für einen Teil seiner Geräte. Die
Schweizer Firma u-blox begann Ihrer Karriere im Consumer-Bereich, indem sie erst Chips von
SiRF und später dann von Atmel mit Ihrem Know How veredelte. Inzwischen stellt u-blox eigene
Chips her. Die Chips der Firma Mediatek wurden bekannt, als Garmin sie für seine etrex Baureihe
einsetzte. Zwei Chip - Generationen später gehört der Hersteller aus Fernost zusammen mit SiRF
und u-blox/Atmel zu den Marktführern unter den Herstellern von GPS-Chips. Die Chips von
Mediatek werden, wegen ihres günstigen Preises, häufig in Consumer-Geräten eingebaut, während
u-blox/Atmel mehr die Industriekunden beliefert. Die relativ teuren aber gut erprobten SiRFStar 3
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Chips von SiRF sind heute in Geräten für die verschiedensten Anwendungen zu finden, jedoch läuft
die Zeit dieser GPS-Chips langsam ab, da sie mit nur 20 Kanälen langsam an ihre Grenzen
kommen. SiRF plant die SiRFStar 3 Chips durch die neuen SiRFPrima zu ersetzen.
2.2 SiRFStar 3
Der SiRFStar 3 ist der erfolgreichste Chip der vergangenen Jahre. Er besitzt 20 Kanäle und eine
Empfangsempfindlichkeit von -159 dBm. Allerdings benötigt er bis zum ersten Fix unter
schwierigen Empfangsbedingungen recht viel Zeit. Die Unterstützung für SBAS ist für diesen Chip
eine Selbstverständlichkeit. Einige Versionen dieses Chips unterstützen auch AGPS. SiRF nennt
dieses Technologie SiRFInstantFix. Inzwischen hat SiRF für Geräte mit leistungsfähigen
Prozessoren eine neue Generation von AGPS entwickelt. Diese SiRFInstantFix 2 genannte
Technologie, benötigt nicht mehr zwingend den Zugriff auf das Internet, um mit vorausberechneten
Almanach- und Ephemeriden-Daten arbeiten zu können. Ein leistungsfähiger Prozessor in einem
PDA oder PNA kann dies jetzt auch erledigen. Außerdem wird bei Bedarf ein dead reckoning
System unterstützt, das auch SiRFDiRect genannt wird. Die Chips von SiRF können neben dem
standardisierten NMEA 0183-Protokoll die Daten auch über das SiRF-eigene Binary-Protokoll
ausgeben. Zur Konfiguration seiner Chips liefert SiRF das Tool SiRFDemo mit. Eine Besonderheit
des SiRFStar 3 Chipsatzes ist das Static Navigation Feature. Ist dieses Feature aktiviert, wird bei
einer Geschwindigkeit unter 4 km/h keine Position mehr an die Schnittstellen gesendet. Dieses
Feature ist bei der Anwendung in Fahrzeugen nützlich, da es eine ständige Bewegung der Landkarte
im Stand unterdrückt. Die meisten GPS-Geräte beherrschen aber inzwischen diese Funktion selber
und sind nicht mehr auf das Static Navigation Feature des Chips angewiesen.
Die Firma SiRF ist inzwischen aufgrund wirtschaftlicher Schwierigkeiten mit der Firma CSR
verschmolzen. Die sich hieraus ergebenden Folgen bleiben es abzuwarten.
Link zum Hersteller: http://www.sirf.com
2.3 Atmel/u-blox
Die Firma u-blox aus der Schweiz stellt zusammen mit der Firma Atmel den Antaris 4 Chip mit 16
Kanälen und einer Empfangsempfindlichkeit von -158 dBm her. Den eigentlichen Chip liefert
Atmel. Dieser Chip wäre aber ohne das Know How und die Firmware von u-blox unbedeutend.
Neben u-blox stellt auch Locosys in Taiwan offizielle Module für diesen Chip her. Der Antaris Chip
zeichnet sich durch seine sehr gute Konfigurierbarkeit, seine hohen Samplingrate von 4 Hz und
einen guten Support durch den Schweizer Hersteller aus. Dieser Chip unterstützt ebenfalls SBAS.
Eine Chip-Variante mit dead reckoning ist ebenfalls erhältlich. Mit SuperSense bezeichnet u-blox
ein eigenes Verfahren zur Erkennung und Unterdrückung des Multipath-Empfangs. Weiterhin stellt
u-blox mit diesen Chips auch GPS-Module für geodätische Zwecke her. Die LEA 4T genannte
Module des Atmel-Chips könne die Rohdaten des GPS-Empfängers mit einer Samplingrate von
10 Hz liefern. Allerdings wird diese Chip-Variante aus Kostengründen nicht in Consumer-Geräten
verbaut. Ähnlich verhält es sich mit den AGPS-tauglichen Versionen des Antaris 4. Zur extensiven
Konfiguration des Chips stellt der Hersteller die U-Center Software zur Verfügung.
Inzwischen hat u-blox einen neuen Chip entwickelt, der mit u-blox 5 bezeichnet wird. Dieser Chip
besitzt 50 Kanäle, eine Samplingfrequenz von 4 Hz und Empfangsempfindlichkeit von -160 dBm.
Neu hinzugekommen ist die vollständige Unterstützung von AGPS in einer Online- und einer Offline-Variante. Mit der als „Kickstart“ bezeichneten Technologie hat u-blox das Startverhalten des
Empfängers (Time to first fix) weiter verbessert. Hierbei wird der herkömmliche Kristall-Oszillator
durch einen Oszillator mit Temperaturkompensation ersetzt. Insbesondere im Outdoor-Bereich erreicht der Empfänger hierdurch schneller einen stabilen Zustand.
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Inzwischen arbeitet u-blox bereits an der nächsten Generation ihrer GPS-Chips, dem u-blox 6 Chip.
In diesem Chip sollen zukünftig schon Funktionen intergeriert werden, welche bisher nur mit
externer Software realisiert werden konnten. Beispiel: Geotagging fon Fotos in Kameras.
Link zum Hersteller: http://www.u-blox.de
2.4 Mediatek (MTK)
Mediatek fertig inzwischen 4 Generationen Ihres für den Massenmarkt bestimmten GPS-Chips. Dabei erstaunt die hohe Innovationsrate dieses Herstellers. Innerhalb von 3 Jahren wurde Mediatek
vom Noname-Hersteller zum Frontrunner im Massenmarkt. Der aktuelle Chip MTK 3329 mit
66 Kanälen und -165 dBm Empfangsempfindlichkeit unterstützt AGPS und SBAS, zeichnet sich
aber insbesondere auch durch seine hohe Samplingrate aus. Mit dem MTK3328 hat Mediatek eine
Variante des MTK 3329 im Angebot, welche die Integration des Chips in Komplettlösungen anderer
Hersteller ermöglicht. Damit ist Mediatek zum Marktführer im High Speed Bereich geworden. Lediglich im Low Speed Bereich hat Mediatek noch nicht die anderen Mitbewerber überholt, da der
MTK 3329 noch nicht die Genauigkeit eines SiRFStar 3 bei der Messung des Dopplereffektes besitzt. Aufgrund der weiten Verbreitung dieses preiswerten Chips im Massenmarkt gibt es auch entsprechend leistungsfähige Zusatz-Chips, wie zum Beispiel Logger – Chips, für den MTK 3329. Der
Vorgänger des MTK 3329 war der MTK 3318 mit einer Empfangsempfindlichkeit von -158 dBm.
Bei der ersten Firmware-Version dieses Chips wurden nur 32 der vorhandenen 51 Kanäle
verwendet. Diese Generation des MTK-Chips ist in den GPS-Empfängern der etrex H Reihe von
Garmin zu finden. Leider ist diese Baureihe mit einigen Kinderkrankheiten behaftet. Unter
schwierigen Empfangsbedingungen läuft sich der Chip fest und liefert eine ungenaue Position.
Diese Fehler wurde in der nachfolgenden Firmware-Version beseitigt und alle 51 vorhanden Kanäle
freigegeben. Der MTK 3318 war schon von Anfang an auf eine Samplingrate von 5 Hz ausgelegt,
jedoch wurde dieses erst mit der dritten Firmware-Generation freigegeben. Bei der aktuellen vierten
Firmware-Generation kam mit dem MTK 3329 Chip die Unterstützung für AGPS hinzu.
Link zum Hersteller: http://www.mtk.com.tw
2.5 Skytraq
Skytraq teilt seine Chips in Chipfalmilien ein. Die GPS-Chips von Skytraq sind hauptsächlich in
Handys zu finden. Alle GPS-Chips von Skytraq unterstützen SBAS und können auch mit dem
Binary-Protokoll von Skytraq betrieben werden.
Die älteren Venus 5 Chips mit 44 Kanälen und -158 dBm Empfangsempfindlichkeit wurde in zwei
Versionen gefertigt. Die Version Venus 521 besitzt im Gegensatz zur Version Venus 522 einen
internen Flash-Speicher und ist somit tauglich für das AGPS.
Die neueren Venus 6 Chips mit 65 Kanälen gibt es bisher in vier Ausführungen. Die Venus 6T
Ausführung besitzt eine Empfangsempfindlichkeit von -158 dBm und ist nicht AGPS-fähig. Eine
weitere Variante der Venus 6xx Reihe ist der Venus 624 Chip. Er besitzt eine Eingangsempfindlichkeit von -158 dBm, eine Samplingrate von 1 Hz und unterstützt AGPS. Die Version Venus 634FLPx besitzt eine Empfangsempfindlichkeit von -160 dBm und ist eine Low Power Version
(23 mA bzw. 28 mA) mit Support für AGPS und 10 Hz Samplingrate. Dieser Chip ist auch in der
Lage, die für geodätische Empfänger erforderlichen, Rohdaten zu liefern. Der Venus 634LPx Chip
unterscheidet sich vom Venus 634FLPx durch das Fehlen des Flash RAM und unterstützt somit
nicht AGPS. Die Empfangsempfindlichkeit des Venus 634LPx beträgt -161 dBm. Die Venus
6xx Chips sind mit einem temperaturstabilisierten Oszillator ausgestattet.
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Link zum Hersteller: http://www.skytraq.com.tw
2.6 MStar Semiconductors
Der MStar Chip ist ein relativ unspektakulärer Industriechip mit 48 Kanälen, SBAS-Support und einer Empfangsempfindlichkeit von -161 dBm. Er wird hauptsächlich im industriellen Umfeld genutzt, ist aber auch im Niedrigpreissegment bei Consumer-Produkten zu finden.
Link zum Hersteller: http://www.mstarsemi.com.tw
2.7 Nemerix
Der Nemerix ist im eigentlichen Sinne kein eigenständiger Chip. Der Hersteller dieses Chips besitzt
keine eigene Halbleiterproduktion, sondern produziert ausschließlich eine Chip Technologie, die er
an Halbleiterhersteller in unterschiedlichen Konfigurationen verkauft. Deshalb kann man diesem
virtuellen Chip auch nicht spezielle Features zuordnen. Er kann alles und nichts beinhalten. Man
sollte sich deshalb jede einzelne Anwendung genau anschauen und prüfen, aus welchen Bausteinen
sie im Einzelnen besteht. Leider ist der Nemerix inzwischen in wirtschaftliche Schwierigkeiten
geraten, sodass man ihn eventuell zukünftig als historischen Chipsatz einordnen muss.
Link zum Hersteller: http://www.nemerix.com
2.8 ST Microelectronics
ST Microelectronics ist der Hersteller von kompletten Chipsatz-Lösungen für Navigationssysteme.
Die Chips enthalten neben dem GPS-Empfänger, auch einen Universalprozessor und einen Grafikprozessor. Es existieren zwei Plattformen: Der neuere Cartesio Chipsatz bestehend aus den Chips
STA2062 und STA5620 sowie der ältere Teseo Chipsatz bestehend aus STA2058 und STA5620.
Der Cartesio enthält eine ARM926 CPU und der Teseo eine ARM7 CPU. Neben CPU und GPSEmpfänger enthält der Chipsatz auch alle notwendigen Schnittstellen für USB, UART, Display usw.
Link zum Hersteller: http://www.st.com
2.9 Sony
Sony stellt einen für die Fototechnik konzipierten GPS Chip mit der Typenbezeichnung CXD 2951
her. Dieser Chip besitzt 12 Kanäle, unterstützt SBAS und hat eine Empfangsempfindlichkeit von
-152 dBm.
2.10 Atheros Communications
Atheros Communications stellt neben dem älteren uN3010 auch den neueren AR1511 Chip mit
44 Kanälen und AGPS-Unterstützung her. Dieser wenig verbreite Chip besitzt eine Eingangsempfindlichkeit von -160 dBm und unterstützt SBAS. Er ist hauptsächlich für PDAs konzipiert und
wird mit einem entsprechenden SDK ausgeliefert.
Link zum Hersteller: http://www.atheros.com
2.11 Maxim
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Auch die Firma Maxim besitzt ein eigenes Konzept für einen GPS-Chipsatz. Alldings habe ich den
MAX2769 in der Praxis noch nicht gesehen. Nähere Information zu diesem Chipsatz finden Sie auf
der Homepag des Herstellers:
http://www.maxim-ic.com/solutions/gps/parts.mvp/scpk/1086/pl_pk/0
3. GPS-Module
3.1 Allgemeines
GPS-Chips werden oft zusammen mit weiteren Bauelementen auf einer Trägerplatine vormontiert.
Sie werden vom Hersteller des endgültigen Empfängers dann zusammen mit weiteren Bauteilen,
wie Antenne, Akkumulator und Display in das Gehäuse eingebaut.
Hochfrequenzteil
Flashspeicher
Steckverbinder
GPS-Chip
Speicherkondensator
Patchantenne
GPS-Modul NL-551EUSB mit ublox 5 Chip
Um den eigentlichen GPS-Chip herum werden hierzu Oszillator, Quarz, Bandpass-Filter, Antennenverstärker und der Spannungsregler angeordnet. Bei komplexeren Modulen ist es auch üblich Interface-Chips, Flash-Speicher, Doppelschichtkondensator und Mikroprozessoren mit auf den Modulen
anzuordnen. Teilweise wird auf der Rückseite der Module sogar die Antenne montiert. Die Produktion der Module erfolgt entweder bei autonomen Firmen in Taiwan, wie zum Beispiel Locosys
Technology oder Transystem Inc. oder gleich beim Hersteller der GPS Chips, wie zum Beispiel bei
GPS-Empfänger Handbuch
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u-blox. Oszillator und Quarz werden als lokale Zeitbasis verwendet. Der Doppelschichtkondensator
sorgt dafür, dass die Almanach-Daten des GPS-Chips erhalten bleiben.
Externe GPS-Antenne MK-76 von Sanav
Als Antenne werden im Wesentlichen zwei Bauformen verwendet. Die Patchantenne wird in der
Form eines Chips hergestellt und lässt sich sehr gut auf Leiterplatten montieren. Benötigt man eine
gesonderte Antenne, wird oft auch eine Helixantenne verwendet. Der Antenne sich anschließende
Bandpässe und Vorverstärker sorgen für die erforderliche Empfangsempfindlichkeit und einen
möglichst hohen Signal-Rausch-Abstand. Weiterhin unterscheidet man zwischen passiven und
aktiven Antennen. Externe Antennen werden praktisch immer als aktive Antenne ausgeführt, um die
Dämpfungsverluste des Kabels auszugleichen.
GPS Modul mit Antaris 4 Chip von QCOM Technology Inc.
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Blockschaltbild eines GPS-Moduls :
Antenne
Oszillator
Quarz
Doppelschichtkondensator
Bandpass
Vorverstärker
Bluetooth
Interface
NMEA
Daten
USB
Interface
NMEA
Daten
GPS Chip
Bandpass
Flash
Speicher
Spannungsregler
Prozessor
3.2 Schnittstellen der GPSEmpfänger
Historisch bedingt wird zur Ausgabe der GPS-Informationen an externe Geräte eine serielle
Schnittstelle RS 232 verwendet. Diese Schnittstelle verwendet 8 Datenbits, kein Paritätsbit und ein
Stopbit. Die Standardgeschwindigkeit für die serielle Schnittstelle beträgt 4800 bps. Viele GPSEmpfänger unterstützen auch wesentlich höhere Schnittstellengeschwindigkeiten. Die höheren
Schnittstellengeschwindigkeiten sind insbesondere für die Ausgabe der GPS-Daten mit hohen
Taktraten erforderlich. Die Taktrate, mit der ein Empfänger die GPS-Daten ausgibt, wird auch
Samplingfrequenz genannt und in Hertz angegeben. Moderne Empfänger erreichen
Samplingfrequenzen von 5 Hz.
Inzwischen ist die RS 232 durch andere Schnittstellen virtuell ersetzt worden. Kabelgebundene
Geräte verwenden in der Regel die USB-Schnittstelle. Bei Verwendung der USB-Schnittstelle gibt
der GPS-Chip zwar die Daten noch über eine serielle Schnittstelle aus, jedoch werden dieses sofort
im GPS-Empfänger von einer UART-USB Bridge in das USB-Protokoll umgesetzt. Im Computer
emuliert dann ein Treiber die serielle Schnittstelle für die Anwendersoftware. Durch diese virtuelle
serielle Schnittstelle im Computer ist Kompatibilität der Schnittstelle zu allen Programmen
gewährleistet. Es werden heute in der Regel UART-USB Bridge zweier Hersteller, Prolific und
Silicon Labs, verwendet. Sollte der originale, dem GPS-Gerät beiliegende, Datenträger verloren
gegangen sein, kann man sich von der Homepage des Herstellers der UART-USB Bridge einen
generischen Treiber besorgen.
Bei GPS-Empfängern mit drahtloser Schnittstelle wird das Bluetooth-Verfahren verwendet. Die
serielle Schnittstelle des GPS-Chips wird dazu im GPS-Empfänger in das Bluetooth-Profil SPP
(Serial Port Protocol) umgesetzt. Im Computer wird durch den Bluetooth-Manager ebenfalls eine
virtuelle serielle Schnittstelle für die Bluetooth-Verbindung emuliert. Bei Bluetooth-Verbindungen
ist zu beachten, dass diese durch eine PIN geschützt sind. Es ist ratsam diesen Schutz auch zu
verwenden, um zum Beispiel bei größeren Veranstaltungen eine gegenseitige Beeinflussung der
einzelnen Anwendungen zu vermeiden.
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4. GPS-Empfänger
4.1 Allgemeines
Die GPS-Empfänger bestehen im Wesentlichen aus dem GPS-Modul, den Anzeigeelementen (Display oder LED), Bedienelementen (Schalter und Knöpfe), gegebenenfalls einem Akkumulator und
dem Gehäuse. Nachdem im vorhergehenden Abschnitt schon die GPS-Module erläutert wurden,
hier noch ein paar Anmerkungen zu den restlichen Bauteilen des GPS-Empfängers.
Die Anzeigeelemente sind das schwächste Glied in Sachen Temperaturbeständigkeit. Die LCD-Displays sind extrem kälteempfindlich. Nur sehr gute Modelle arbeiten noch bis zu Temperaturen von
-15 °C. Normale LED-Anzeigen überstehen Fröste bis zu -30 °C.
Bei den Bedienelementen sollte man darauf achten, dass sie möglichst nicht die Wetterfestigkeit des
Gehäuses schwächen. Ordentliche Schalter sind mit Gummimanschetten versehen. Ähnliches gilt
für die elektrischen Schnittstellen. Die Buchsen sollten aus nicht korrodierendem Material ausgeführt sein. Die Gehäuse werden in 8 Klassen bezüglich der Wasserfestigkeit eingeteilt:
IPx0
Kein Schutz
IPx1
Schutz gegen Tropfwasser
IPx2
Schutz gegen Sprühwasser
IPx4
Schutz gegen Spritzwasser
IPx5
Schutz gegen Strahlwasser
IPx6
Schutz gegen starkes Strahlwasser
IPx7
Schutz gegen zeitweiliges (30 Minuten) Untertauchen bis zu einem Meter
IPx8
Schutz gegen dauerhaftes Untertauchen
Leider gegeben viele Hersteller aus Kostengründen keine Schutzklasse für Ihre GPS-Empfänger an.
Allerdings sollte man, auch dann wenn eine Schutzklasse für die Wasserfestigkeit angegeben ist, auf
dem Meer zusätzlich eine wasserdichte Hülle (z.B. ein Aquapack) oder Ähnliches verwenden, da
die Geräte trotz höchster Schutzklassen nicht unbedingt seewasserfest sind.
Beispeil eines GPS-Empängers von Transystem Inc., wie er in den Geräten von Qstarz verbaut wird.
Flash-Speicher
Hochfrequenzteil
GPS-Modul
GPSChip
Speicherkondensator
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Schiebeschalter
USB-Buchse
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Kontakte für Akkumulator
UART-USB Brücke
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Leutchtdioden
Antenne
Taster
Chip für Akkumulatormanagement
Im Folgenden werden Empfänger besprochen, die für ihre jeweilige Geräteklasse nach Meinung des
Autors typisch sind. Allerdings sollte man sich vor einem eventuellen Kauf noch mal beim
Hersteller über die aktuellen Gerätedaten informieren, da diese sehr schnell veralten.
4.2 GPS-Empfänger mit Kabelanschluss
4.2.1 NL-302U
Der Navilock NL-302U ist ein sehr einfacher Empfänger aber wegen seines SiRFStar3 Chipsatzes
solider GPS-Empfänger aus dem unteren Preissegment. Dieses Gerät unterstützt weder SBAS noch
AGPS. Wenn man ein Gerät in dieser Preisklasse kauft, sollte man aber trotzdem darauf achten,
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dass ein Magnethaftfuß integriert ist. Bei diesem preiswerten Empfänger muss man allerdings auch
Abstriche bei der Zeit bis zum ersten Fix in Kauf nehmen.
4.2.2 VT-200
Bessere kabelgebundene Empfänger, wie der VT200 von Variotek, besitzen neben dem Magnethaftfuß einen zusätzlichen Saughalter für Fensterscheiben und eine Antirutschmatte auf der Geräteunterseite. Außerdem sind sie wasserdicht und somit für die Verwendung auf Sportbooten im Süßwasserbereich geeignet. Im Inneren des VT200 werkelt ein MTK 3318 mit SBAS-Support. Den ersten Fix findet dieser Empfänger deutlich schneller als der NL-302U
4.2.3 NL-402U
Der Stand der Dinge ist bei den kabelgebundenen GPS-Empfängern der Navilock NL-402U. Dieser
Empfänger enthält einen u-blox 5 Chip und unterstützt SBAS und AGPS. Die AGPS-Unterstützung
führt zu einem deutlich schnelleren Fix als beim VT200 oder gar beim NL-302U. Ein Magnethaftfuß und die Antirutschbeschichtung sind eine Selbstverständlichkeit.
4.3 GPS-Empfänger mit Bluetooth Interface
4.3.1 VT-BT-202
Dieser Bluetooth Empfänger im unteren Preissegment basiert auf dem Venus 522 Chip von Skytraq.
Er unterstützt SBAS aber nicht AGPS. Eine USB-Schnittstelle ist ebenfalls nicht vorhanden. Der
Akkumulator ist kompatibel zu dem BL-5C des Nokia Handy 3650. Geladen wird der Akku über
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einen mitgelieferten KFZ-Adapter mit Rundstecker für den GPS-Empfänger. Ein 220 V-Netzteil
fehlt in dieser Preisklasse, da dieses Gerät ausschließlich für den KFZ-Einsatz vorgesehen ist.
4.3.2 BT-Q890 Nano
Mit nur 21 Gramm ist der BT-Q890 Nano in Form eines Schlüsselanhängers zwar der leichteste
GPS-Empfänger am Markt, Markt, sowie der technisch am weitest entwickelte Empfänger am Markt.
Er unterstützt sowohl SBAS als auch eine Samplingrate von 5 Hz. Ein Magnethaftfuß oder eine Antirutschbeschichtung ist bei diesem Empfänger nicht erforderlich. Man trägt das Gerät einfach am
Schlüsselbund. Das Design des Gerätes ist wie ein Anhänger für eine Schmuckkette gestaltet und
somit zu Anzug und Schlips kompatibel. Man vermutet bei seinem Anblick kaum, dass sich in diesem Schmuckstück ein GPS-Empfänger befindet. Geladen werden kann dieser Empfänger über
einen mitgelieferten KFZ-Adapter oder ein 220 V-Steckernetzteil.
5. GPS-Logger
5.1 Allgemein
GPS Logger bestehen aus einem GPS-Modul, einem Datenrekorder-Modul, einem Prozessor und
einem internen oder externen Flash-Speicher. Bei einigen höher entwickelten Modellen sind auch
Displays vorhanden. Die GPS-Logger mit Display stellen im besten Fall schon echte Handhelds dar,
die weit mehr können als nur Daten aufzeichnen.
5.2 GPS-Logger mit Kabelanschluss
5.2.1 GT31 Genie
Der GT31 von Locosys in Taiwan ist der kleine Bruder des später noch zu besprechenden BGT31
mit Bluetooth-Interface. Er basiert auf dem bewährten SiRFStar 3 Chipsatz und besitzt einen extrem
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leistungsfähigen Hauptprozessor. Es wird zwar SBAS aber leider nicht AGPS unterstützt. Oft wird
das Bluetooth-Interface bei Loggern nicht nur aus Kostengründen eingespart, sondern auch um die
autonome Laufzeit der Batterie zu verbessern. Der GT31 ist ein klassisches Beispiel für solch einen
Logger. Da er mit einer SD-Speicherkarte als Trackspeicher arbeiten kann, muss er nur selten
Kontakt mit einem PC haben. So kann man dieses Gerät dazu nutzen, größere Segeltörns aber auch
wochenlange Gebirgstouren aufzuzeichnen, um sie dann zu Hause auszuwerten. Wer allerdings
unterwegens die Daten mit einem Handy oder PDA auslesen will, ist mit einem Bluethooth
Interface besser bedient, als mit einem USB-Anschluss.
5.3 GPS Logger mit Bluetooth Interface
5.3.1 WBT201
Der WBT201 war einer der ersten Bluetooth-Logger am Markt und erfreut sich wegen seiner robusten und zugleich kleinen Bauweise immer noch großer Beliebtheit. Im Inneren des des WBT201 arbeitet ein Antaris 4 GPS-Chip mit SBAS-Unterstützung. AGPS wird bei diesem GPS-Logger nicht
unterstützt. Leider kann der Datenrekorder des WBT201 die Daten des Antaris 4 Chip, wegen des
schwachen Prozessors, nicht mit vollen 4 Hz aufzeichnen. Des Weiteren werden nur Position, Höhe
und Zeitmarke für die Trackpunkte aufgezeichnet. Die Daten über die Empfangsqualität während
der Datenaufzeichnung gehen leider unwiederbringlich verloren, obwohl sie eigentlich am Ausgang
des GPS-Moduls vorhanden sind. Auch lassen sich die Daten nicht auswählen, welche der
Datenrekorder aufzeichnen soll. Schade, dass der Hersteller dieses ansonsten sehr gute Gerät nicht
weiter entwickelt und das Gerät somit nur noch Mittelmaß ist. Es ist Speicherkapazität für 131000
Trackpunkte vorhanden. Das Gehäuse schaut robust aus, ist aber nicht bezüglich Wasserfestigkeit
klassifiziert. Die USB-Buchse ist zwar mit einer Gummi-Abdeckung versehen, diese reisst aber sehr
leicht ab. In eine Pfütze möchte man dieses Gerät nicht fallen lassen.
5.3.2 WBT202
Inzwischen wurde der WBT 201 durch den WBT 202 abgelöst. Der WBT 202 besitzt jetzt einen ublox 5 Chip und zeichnet die Tracks und wegpunkte auf einer SD_Karte auf. Leider ist auch dieses
gerät nicht AGP-tauglich. Ebenfalls wurde die Schwäche des Vorgängers bezüglich Aufzeichnung
der Qualitätsdaten nicht beseitigt.
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5.3.3 BT-Q1000(P)(X)
Der Hersteller QStarz liefert ein Beispiel für gut gepflegte Hardware. Inzwischen ist die dritte Generation des Universal-Loggers BT-Q1000 am Markt. Allen Versionen ist ein MTK-Chip mit
SBAS-Unterstützung und eine Speicherkapazität von 200000 Trackpunkten gemeinsam. Ebenso
wird für alle Geräteversionen ein zum Nokia Handy 3650 kompatibler Akku BL-5C verwendet. Die
erste Generation und die zweite Generation waren mit dem MTK 3318 Chip von Mediatek mit
-158 dBm Empfangsempfindlichkeit und 51 Kanälen ausgestattet. Mit der zweiten Generation, dem
BT-Q1000(P) Platinum, kam zusätzlich der Support für die Samplingrate von 5 Hz hinzu. Mit der
dritten aktuellen Generation und der Verwendung des MTK 3329 Chips von Mediatek kam die Unterstützung von AGPS und eine Empfangsempfindlichkeit von -165 dBm und die Verwendung von
66 Kanälen hinzu. Allen Versionen ist gemeinsam, dass der Datenrekorder völlig flexibel konfigurierbar ist und die Daten mit der vollen 5 Hz Samplingrate des GPS-Moduls aufgezeichnet werden
können. Alle Versionen des besitzen außerdem einen Knopf zum Generieren von Trackpunkten, was
den BT-Q1000 auch zum idealen Foto-Logger macht. Eine weitere Besonderheit dieses Gerätes ist
es, dass man nicht zwingend auf die Software des Geräteherstellers angewiesen ist. Aufgrund seines
hohen Verbreitungsgrades ist im Internet für dieses Gerät auch Software von unabhängigen Programmierern verfügbar.
Das Gehäuse dieses Empfängers ist zwar robust aber leider nicht wasserfest, so dass man sich mit
einem Aquapack oder ähnlichen behelfen muss.
Erfreulich an diesem Gerät ist der mechanische Ausschalter, so dass im Ruhezustand kein Strom
verbraucht wird. Der Umschalter dient gleichzeitig dazu, den Logger getrennt vom seriellen
Interface ein- und ausschalten zu können.
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Momentan ist damit der BT-Q1000X der leistungsfähigste Logger in Sachen Empfangsempfindlichkeit, Konfigurierbarkeit und Samplingrate am Markt. Nur bei der Ausgabe des ausschließlich für
Geospiele wichtigen Trackwinkels bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten wird er noch von SiRFStar-basierten Loggern übertroffen.
5.3.4 BT-Q1200 ultra
Neben dem Universal-Loggern existieren auch weitere Klassen von Loggern für spezielle Anwendungszwecke. Der BT-Q1200 von QStarz ist ein typisches Beispiel für einem Logger der für die
Outdoor-Anwendung optimiert wurde. Er besitzt zusätzlich eine Solarzelle, welche die autonome
Betriebsdauer des Akkus auf ca. 48 Stunden vergrößert. Außerdem ist das Gehäuse deutlich
robuster als beim BT-Q1000 gebaut. Es ist wetterfest, aber auch nicht wasserfest. Das GPS-Modul
basiert auf dem 51-Kanal MTK 3318 Chip, unterstützt SBAS und 5 Hz Samplingrate. AGPS wird
bei diesem Gerät nicht unterstützt. Es ist Speicherkapazität für 200000 Trackpunkte vorhanden.
5.3.5 BT-Q1300 Nano
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Eine weitere Klasse von GPS-Loggern bilden die Miniaturgeräte. Das die Miniaturisierung nicht
zwingen zu technisch schlechteren Geräten führen muss, zeigt dieses Gerät von QStarz deutlich.
Sein GPS-Modul ist baugleich zu dem des BT-Q1000X. Lediglich die Antenne und der Akkumulator wurden verkleinert. Heraus kam dabei ein Gerät, das als Schlüsselanhänger kleiner ist als eine
Streichholzschachtel. Außerdem ist sein Design so gestaltet, dass es selbst als Anhänger für eine
Schmuckkette durchgehen könnte. In allen anderen Parametern, wie Unterstützung von AGPS,
SBAS, Konfigurierbarkeit, 66 Kanälen und eine Samplingrate von 5 Hz gleicht dieser Empfänger
dem großen Bruder BT-Q1000X. Mit nur 21 Gramm Gesamtgewicht ist dieses Gerät auch hervorragend für den Modellbau geeignet. Es ist Speicherkapazität für 200000 Trackpunkte vorhanden. Der
Akku ist bei diesem Gerät nicht auswechselbar.
5.4 GPS Logger mit Display
5.4.1 MG950D
Ein Beispiel dafür, wie man einen Logger nicht gestalten soll, ist der MG950D von MainNav. Dieses Gerät ist eigentlich für die Verwendung auf dem Fahrrad gedacht. Wozu benötigt man da eine
Positionsanzeige? Überflüssig die beiden Zahlen, dachten sich wohl die Ingenieure! Oder waren es
die Kaufleute? Dass diese beiden Zahlenreihen aber im Notfall Leben retten können übersahen sie.
Somit ist der MG950D, der einzige dem Verfasser bekannte Display-Logger welcher seine eigene
aktuelle Position nicht anzeigt, und kann deshalb nur als teurer Fahrradtacho verwendet werden.
Ansonsten ist dieses Gerät mit einem GPS-Modul auf Basis des SiRFStar 3 Chips ausgestattet. Das
Gehäuse ist wasserfest entsprechend IPx6 und vorbildlich gefertigt. Der Akku mit einer Kapazität
von 850 mA/h ist hinter einer verschraubten und abgedichteten Platte untergebracht. Die USBBuchse ist mit einer Gummiabdeckung versehen. Die Tasten werden durch eine Gummimembrane
geschützt. Die Speicherkapazität des Loggers beträgt 130000 Trackpunkte.
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5.4.2 BT-Q2000 Explore
Der BT-Q2000 von QStarz ist ein Gerät der Kategorie „Einschalten, Zeitzone bekannt geben und
funktioniert“ Bei diesem Gerät muss und kann auch nichts eingestellt werden. Das Gerät ist äußerst
robust gebaut. Einen Tauchversuch im Wasserfass bei einem Meter Tiefe überstand das Gerät
schadlos. Ich gehe daher davon aus, dass man dieses Gerät durchaus auch mal in eine Pfütze fallen
lassen kann. Alle Tasten sind mit einer Gummimembrane geschützt und die USB-Schnittstelle ist
mit einem Gummistopfen versehen. Das Batteriefach ist mit einer Klappe und darunterliegender
Gummidichtung verschraubt. Der verwendete Akku ist ein schon von anderen GPS-Empfängern bekannter und zum Nokia Handy 3650 kompatibler BL-5C. Der mit einem SiRFStar 3 Chip ausgestattete GPS-Logger kann 260000 Trackpunkte speichern. Es werden im Display die Werte für Position,
Geschwindigkeit, Höhe, Uhrzeit, Durchschnittsgeschwindigkeit und zurückgelegte Strecke angezeigt.
Mit dem Gerät werden mitgeliefert: Steckernetzteil, Kabel, Oberarmgurt, Gürteltasche und
Fahrradhalterung. Neben dem üblichen Travel Rekorder hat QStarz noch ein Trackanalyse-Programm für Sportzwecke beigelegt. Wer ein reines Sportgerät ohne technische Spielereien sucht, ist
mit diesem Gerät bestens bedient.
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5.4.3 BGT31 Genie
Der BGT31 von Locosys ist der große Bruder des schon erwähnten GT31. Er besitzt gegenüber diesen eine zusätzliche Bluetooth-Schnittstelle. Das Gerät ist mit einem SiRFStar 3 ausgestattet, welcher SBAS unterstützt. Es existieren zwei Logspeicher. Ein Log wird direkt auf eine SD-Karte entweder im NMEA 0183 Format oder im SiRF-Binary Format geschrieben und ist praktisch nur
durch die Größe der SD-Karte begrenzt. Das zweite Log wird als Track mit maximal 23000 Trackpunkten in den internen Arbeitsspeicher des Gerätes geschrieben, kann aber bei Bedarf auch auf die
SD-Karte gespeichert werden. Das interne Log dient hauptsächlich zum Wiederauffinden des zurückgelegten Weges. Das Gerät ermöglicht weiterhin die Navigation mit Routen und Wegpunkten,
ganz so, wie man es von den Handhelds von Garmin und Magellan gewöhnt ist. Hierzu können
20 Routen und 10000 Wegpunkte gespeichert werden. Die unzähligen Auswertungsmöglichkeiten
im Display des Loggers lassen fast keine Wünsche mehr offen. Für Speed- und Kitesurfer besitzt
das Gerät noch zusätzlich eine spezielle Funktion, welche die Durchschnittsgeschwindigkeit für
eine vordefinierte Strecke per Dopplereffekt extrem genau misst. Die Firmware des Gerätes lässt
sich durch ein mitgeliefertes Programm aktualisieren. Für das Entladen der Tracks aus dem Gerät
und für das Beladen des Gerätes mit Wegpunkten und Routen steht ein separates Tool zu Verfügung.
Zur professionellen Trackanalyse kann ein im Internet erhältliches Tool mit dem Namen Realspeed
von Intellimass http://www.intellimass.com/RealSpeed/ verwendet werden. Das Gehäuse ist nach
IPx7 spezifiziert und getestet. Bei der häufigen Nutzung auf dem Meer sollte jedoch zum Schutz gegen das Salzwasser zusätzlich ein Aquapack verwendet werden. Weiterhin sind im Gehäuseboden
des Gerätes zwei Muttern eingelassen, welche eine massive Befestigung des Gerätes am Fahrrad
ermöglichen.
Zu dem Gerät sind eine Armhalterung und eine Fahrradhalterung optional erhältlich. Ein Ladegerät
und KFZ-Adapter wird selbstverständlich mitgeliefert.
Als Fazit kann man sagen, dass dieses Gerät der bisher beste GPS-Logger ohne Kartendarstellung
ist, den ich bisher kennengelernt habe. Er ist genauso robust gebaut wie die kartenlosen Geräte von
Garmin, besitzt aber eine deutlich besser ausgestattete Firmware und einen SD-Kartenslot.
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6. GPS-Tracker
Eine Kombination aus einem GPS-Empfänger und einem GSM/UTMS-Modul wir als GPS-Tracker
bezeichnet. Mit dem GPS-Tracker kann man die Position des GPS-Empfängers über das Internet
verfolgen. Als Übertragungsmedium wird entweder ein SMS-Dienst oder ein GRPS-Dienst
verwendet. Die Einsatzmöglichkeiten eines GPS-Trackers sind vielfältig. Neben dem
Diebstalschutz und der Verfolgung von beweglichen Objekten im Internet ist auf eine Verwendung
als Notrufgerät möglich. Je nach Einsatzzweck ist für den Tracker eine Kooperation mit einem
Internet basierten Dienst erforderlich, welcher den Stanford des Trackers in einer Karte oder in
einem Luftbild im Internet darstellt. In der Regel wird Google Maps zur Darstellung des Standortes
verwendet.
Beispiel eine GPS-Tracker, der P-Locator von Variotek.
7. Stromversorgung
7.1 Allgemein
GPS-Empfänger werden mit Kleinspannungen von maximal 5 V versorgt. Neuere Chips und Module benötigen nur 1,8 V. Bei der Stromversorgung der Module ist darauf zu achten, dass diese möglichst frei von Störeinstrahlungen erfolgt. Eine Möglichkeit, die Störeinstrahlung über die Stromquelle zu minimieren, ist die Pufferung der Stromversorgung durch einen Akkumulator. Eine andere
Möglichkeit ist die Verwendung eines Stromversorgungskabels mit Entstörfilter.
7.2 Akkumulatoren
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Nokia BL 5C kompatibler Akkumulator HX N3650B-G von Helix.
Die Auswahl der Akkumulatoren für einen GPS-Empfänger hängt stark von seinem Verwendungszweck ab. NiMH-Standardakkumulatoren sind preiswert und lassen sich problemlos austauschen,
dafür sind sie aber schwer und kälteempfindlich. Bei einer Verwendung in einem Fahrzeug sind daher NiMH-Akkumulatoren völlig ausreichend. Man sollte aber bedenken, dass normale NiMHAkkumulatoren einer erheblichen Selbstentladung unterliegen. Moderne Akkumulatoren, wie zum
Beispiel die Eneloop von Sanyo, kennen diesen Effekt nicht mehr, da ihrem Elektrolyt im
Herstellungsprozess das Wasser entzogen wurde. Gleichzeitig sinkt durch den Entzug des Wassers
auch die Kälteanfälligkeit dieser Akkumulatoren. Nähere Informationen zur Pflege von NiMHAkkumulatoren findet man auf der Homepage von Friedrich Mössinger: http://www.accu-select.de
Aufgrund des aufwendigeren Herstellungsprozesses sind diese Akkumulatoren allerdings auch
teurer. Lithium-Ionen-Akkumulatoren hingegen sind leicht und frostbeständig, dafür aber teurer und
weniger gut standardisiert als NiMH-Standardakkumulatoren. Um diesen Widerspruch aufzulösen,
werden für GPS-Empfänger oft Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet, welche kompatibel zu
weitverbreiteten Handys sind. Das hat den Vorteil, dass sich die Ersatz-Akkumulatoren
kostengünstig und einfach beschaffen lassen. Der Akkumulator im Format des BL-5C von Nokia
scheint sich bei den GPS-Empfängern und Loggern momentan als Standard durchzusetzen. Für
dieses Format gibt es preiswerte alternative Anbieter, wie zum Beispiel Helix.
7.3 USB-Stromversorgung
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Hochleistungssteckernetzteil des Varitotek Power Pack VT-PP-320 mit 1 A Ausgangsleistung bei sehr geringer
Baugröße
Viele GPS-Empfänger können auch über den USB-Anschluss gespeist werden. Hierbei ist zu beachten, dass der USB-Ausgang im ungünstigsten Fall nur eine Stromstärke von 100 mA (USB1.1) liefern muss. Für höhere Stromstärken bis 500 mA (USB 2.0) oder bis 900 mA (USB 3.0) ist es erforderlich, dass der GPS-Empfänger hierzu eine Freigabe beim speisenden Gerät anfordern und dieses
die höhere Stromstärke dann freigeben muss. Praktisch heißt das, nicht jedes Gerät kann von jeder
USB-Buchse aus gespeist werden. Achten Sie bei der Beschaffung von USB-Netzteilen auf eine
möglichst hohe Stromstärke am USB-Ausgang. Einfache USB-Netzteile können nur 100 mA liefern
und werden dabei schon erheblich warm. Ordentliche USB-Netzteile liefern 1000 mA, ohne warm
zu werden, und sind nicht größer als ein üblicher Stecker. Sehr gute USB-Netzteile liefern
2000 mA. Der Hintergrund ist, das man mit einem einfachen Netzteil mit 100 mA Ausgangsstrom
ca 10 Stunden benötigt, um einen üblichen BL-5C Akkumulator zu laden. Mit einem Netzteil das
einen Ausgangsstrom von 500 mA liefert benötigt man nur 2 Stunden um denselben Akkumulator
aufzuladen.
Des Weiteren sollte man darauf achten, dass die USB-Kabel einen Entstörfilter in Form eines Ferritkerns besitzen. Zu erkennen sind diese Kabel an einen Zylinder, der kurz vor dem GPS-seitigen Stecker angeordnet ist.
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USB-Kabel mit Entstörfilter
7.4 Powerpacks
Powerpack von Variotek
Wenn die Kapazität der internen Akkumulatoren nicht ausreicht, kann man Powerpacks zur Verlängerung der autonomen Laufzeit von mobilen Geräten verwenden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass
die Powerpacks nicht dazu konzipiert sind, die internen Akkumulatoren der Geräte aufzuladen. Sie
stellen lediglich die externe Speisung der elektrischen Kleingräte sicher. Der Hintergrund ist, dass
die Zellspannung der Akkumulatoren in einem Powerpack denselben oder nur einen leicht höheren
Wert aufweist, als der interne Akkumulator. Dieses ist erforderlich, um die Powerpacks selber auch
über USB-Anschlüsse speisen zu können. Moderne Powerpacks besitzen eine Kapazität von mindestens 15 Wh. Einen ansonsten von einem BL-5C gespeisten GPS-Empfänger, kann man damit
circa weitere 4,5 Stunden speisen. Bei der Beschaffung des Powerpacks sollte man neben der
möglichst hohen Kapazität, auch auf eine möglichst große Vielfalt an Adaptern achten.
Das Powerpack von Variotek VT-PP-320 soll hier als Beispiel dienen. Es besitzt eine Kapazität von
18,5 Wh und ist kleiner als eine Zigarettenschachtel. Es wird selber über ein USB-Netzteil geladen,
welches einen Ausgangstrom von 1000 mA besitzt und nicht größer ist als ein kleiner Netzstecker.
Wegen dem USB-Ausgang des Netzsteckers kann man das originale USB-Netzteil des zu ladenden
Gerätes zu Hause lassen und das USB-Netzteil des Powerpacks zum Laden des Kleingerätes verwenden. Das Powerpack wird in circa 4 Stunden geladen. Es ist mit seinem Ausgangsstrom von
500 mA in der Lage jedes Kleingerät nach USB 2.0 Standard zu speisen.
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8. Software für GPS-Empfänger
8.1 GPS Babel
GPS Babel ist das universelle Werkzeug, wenn es darum geht, die Daten eines GPS-Gerätes oder einer GPS-Software in ein passendes Format zu bringen. Dazu kann GPS Babel sowohl die Formate
fast aller GPS-Anwendungen lesen und schreiben, als auch viele GPS Logger selber entladen. Beim
Kauf eines GPS-Loggers sollte man daher darauf achten, dass das jeweilige Gerät zu GPS Babel
kompatibel ist. GPS Babel unterstützt momentan folgende Geräte beim Entladen von Tracks und
Wegpunkten direkt:
- Alle MTK basierte GPS-Logger unabhängig vom Hersteller
- Alle Skytraq basierte GPS-Logger unabhängig vom Hersteller
- Alle GPS Logger von Wintec GPS
- Alle GPS Logger von Locosys
- Globalsat DG100 und BT 335
- SiRF3-Basierte Logger von Wonde Proud \ XAiOX iTrackU
- Die Handhelds von Garmin, Magellan und Bräuninger
GPS Babel kann kostenfrei im Internet von http://www.gpsbabel.org/ bezogen werden. GPS Babel
ist für Windows-PC, Macintosh und Linux verfügbar, die Windows-Version enthält auch ein
grafisches Frontend.
8.2 GPS Trackanalyse
GPS Trackanalyse von Dietmar Domin (aka „Blackwilli“) ist das Tool zur Nachbearbeitung von
Tracks schlechthin. Neben der Konvertierung und Fehlerbereinigung von Tracks ist es
hauptsächlich zur Analyse, Nachbearbeitung, Archivierung und grafischen Darstellung von Tracks
konzipiert. Hierzu können die Tracks aus vielen verschiedenen Formaten importiert und dabei von
Trackpunkten mit schlechter Qualität gesäubert werden. Anschließend können eventuelle
Fehlerstellen in den Höhendaten gesucht und mit Hilfe von Höhenmodellen korrigiert werden. Der
so vorbereitete Track kann jetzt in einer Pseudo-3D-Ansicht, in einem 2D-Diagramm, einer
Steigungsanalyse-Tabelle oder Steigungsdiagramm dargestellt werden. Weiterhin können dem
Track Bilder anhand der Uhrzeit der Aufnahme zugeordnet und entsprechend archiviert werden.
Aus diesen, dem Track zugeordneten Fotos, lässt sich anschließend eine Diashow oder eine
Exportdatei für Goggle Earth generieren. GPS Trackanalyse ist hier erhältlich: http://www.gpsfreeware.de/
8.3 NMEA Tools
Die NMEA Tools von K. Kowano ermöglichen die Analyse eines NMEA-Datenstroms, die Konvertierung eines NMEA-Datenstroms in das KMZ-Format von Google, das Generieren eines zufälligen
NMEA-Datenstroms, das Erstellen einer Statistik zur Genauigkeit und Zuverlässigkeit eines GPSEmpfängers anhand seines NMEA-Datenstroms sowie wie das Konfigurieren von Loggern auf
Basis der MTK-Chips. Weiterhin können die Höhendaten von Tracks im NMEA-Format oder im
MTK *.csv Format mit sehr genauen Höhenmodel EGM2008 korrigiert werden. Die Tools sind im
Internet unter http://homepage2.nifty.com/k8/gps/ erhältlich.
8.4 RTKLib
GPS-Empfänger Handbuch
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RTKLib ist ein Werkzeugkasten zur Echtzeitkorrektur von GPS-Daten. Mithilfe dieser
Werkzeugsammlung kann die Position auf wenige Zentimeter genau bestimmt werden.
Voraussetzung hierfür ist ein geeigneter Empfänger (wie zum Beispiel der Skytraq Venus 634
FLPx), eine geeignet kalibrierbare Antenne und der Zugang zu einem Echtzeitkorrekturdienst. Eine
auf wenige Zentimeter genaue Vermessung von Strecken ist auch ohne Echtzeitkorrekturdienst
möglich. http://gpspp.sakura.ne.jp/rtklib/rtklib.htm
8.5 BT747
Speziell für GPS-Logger welche auf dem MTK-Chip beruhen, wurde die Software BT747
entwickelt von Mario De Weerd Sie ist qualitativ der mitgelierften orignal Software eines jeden
Loggers deutlich überlegen, da sie vielfältigere Einstellungs- und Bearbeitungsmöglichkeiten bietet.
Die BT747 Software kann hier herunter geladen werden: http://www.bt747.org/de
8.6 BT747
Für die Logger von wintec wirless eletronics hat Andreas Vogel ein Programm entwickelt, welches
das mitgelieferte Programm ersetzen kann. Es ist ebenfalls leistungsfähiger als das zum Logger
mitgelieferte Programm
9. Formate und Protokolle
9.1 GPS Exchange Format
Das GPS Exchange Format ist eigentlich kein Format der GPS-Empfänger selber, sondern das Standard-Dateiformat der zu den Empfängern gehörenden GPS-Software. Deswegen wird es hier nur
am Rande erwähnt. Das GPS Exchange Format ist ähnlich wie HTML aufgebaut und eine Erweiterung der Extensible Markup Language (XML). Im Wesentlichen können vier Formen von Daten
gleichzeitig oder separat in einer Datei gespeichert werden:
- Wegpunkte
- Routen
- Tracks
- Erweiterungen
Es existieren bisher zwei Versionen des GPS Exchange Format. Während die erste Version von Dan
Forster nur zu jedem Weg-, Track- oder Routenpunkt die Koordinanten und die Höhe enthielt, ist in
der aktuellen Version 1.1 zu jedem Punkt die Speicherung zusätzlicher Informationen möglich. Das
Schema des GPS Exchange Formates und die Dokumentation können von der TopografixHomepage bezogen werden:
http://www.topografix.com/gpx.asp
9.2 Comma Separated Value Format CSV
Das Comma Separated Value Format ist ein 2005 durch die Internet Society im RFC 4180 standardisiertes allgemeines Datenaustauschformat. Es sind im Wesentlichen drei Vorgaben für die Daten
definiert:
1. Ein Datensatz ist jeweils in einer Zeile enthalten, welche mit einem Wagenrücklauf- und ZeilenGPS-Empfänger Handbuch
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vorschub-Zeichen endet.
2. Jedes Datenfeld innerhalb einer Zeile ist mit einem Komma abgetrennt.
3. Jedes Datenfeld darf nur ASCII-Textzeichen enthalten.
Weitere Informationen zu diesem Format sind auf der Homepage der IETF erhältlich:
http://tools.ietf.org/html/rfc4180
9.3 NMEA 0183 Format
Das hauptsächlich von GPS-Empfängern für die Ausgabe von GPS-Daten verwendete Datenformat
wurde, entsprechend des ersten Hauptverwendungszweckes, von der National Marine Electronics
Association (NMEA) 1983 für Navigationsgeräte standardisiert.
GPS-Empfänger Handbuch
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Als elektrische Schnittstelle wird die RS422 oder RS232 mit den folgenden Parametern empfohlen:
Symbolrate: 4800 baud
Daten Bits: 8 (es dürfen aber nur 7 Bits genutzt werden, das höherwertigste Bit ist immer 0)
kein Parity Bit
Stop Bits: 1
kein Handshake
Tatsächlich wird heute aber oft von diesen Vorgaben abgewichen. Jeder versendete Datensatz
besteht aus maximal 80 Zeichen, die mit einem Wagenrücklauf und Zeilenvorschub abgeschlossen
werden. Der Anfang eines Datensatzes wird durch ein Dollar-Symbol gekennzeichnet gefolgt von
dem Gerätekennzeichen und dem Datensatzkennzeichen. Jedes Datenfeld des Datensatzes wird
durch ein Komma abgetrennt. Am Ende des Datensatzes kann optional ein Asterisk-Symbol und
eine hexadezimale Prüfziffer folgen. Die Prüfziffer wird durch eine XOR Verknüpfung der ASCIIWerte der zwischen Dollar- und Asterisk-Symbol befindlichen Zeichen berechnet. Alle in diesem
Standard verwendeten Positionsangaben bezüglich Länge und Breite beruhen auf dem World
Geographic System 1984 (WGS84). Alle Gradangaben sind im folgenden Format anzugeben:
XXYY.ZZZZ = XX° YY' (ZZZZ x 0.006)"
Für die Angabe der Uhrzeit sind zwei verschiedene Formate möglich:
HHMMSS
HH Stunden im 24-Stunden Format
MM Minuten
SS Sekunden
oder
HHMMSS.FFF
HH
MM
SS
FFF
Stunden im 24-Stunden Format
Minuten
Sekunden
Millisekunden
Als Gerätekennzeichen wird beim GPS das GP verwendet. Private Erweiterungen der Datensätze
durch einzelne Hersteller beginnen mit einem P gefolgt von einem Herstellercode. Der Herstellercode kann einer Tabelle der NMEA entnommen werden. Diese Tabelle ist im Internet hier erhältlich:
http://nmea.org/pub/2000/NMEA0183MFGCodes.pdf
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Hier eine Auflistung der wichtigsten Datensätze:
$GPDTM - Datum Reference
$GPDTM,AA,BB,llll,C,2222,D,3333,EEEE*99
AA
BB
1111
C
2222
d
3333
EEEE
99
Code des verwendeten Map Datum
Subcode des verwendeten Map Datum
Offset für die Breite gegenüber WGS84
Halbkugel für die Breite
Offset für die Länge gegenüber WGS84
Hemisphäre für die Länge
Offset für die Höhe in Meter
Name des Map Datum
Prüfziffer
$GPGBS - GPS Satellite Fault Detection
$GBGBS,112233,11,22,33,44,55,66,77*99
112233
11
22
33
44
55
66
77
99
Uhrzeit 11:22:33 UTC Zeitpunkt der Positionsbestimmung
Voraussichtlicher Fehler in der Breite
Voraussichtlicher Fehler in der Länge
Voraussichtlicher Fehler in der Höhe
PRN des Satelliten mit der größten Abweichung
Fehlerwarscheinlichkeit des Satelliten mit der größten Abweichung
Geschätzter Einfluß des Satelliten mit der größten Abweichung
auf den Gesamtfehler in Meter
Standardabweichung des geschätzten Einfluss des Satelliten
mit der größten Abweichung auf den Gesamtfehler
Prüfziffer
$GPGGA - Global Positioning System Fix Data
GGA,112233,4455.666,X,7788.999,Y,Z,VV,1.1,222.3,E,44.5,E,6.7,8888 *99
112233
4455.666
X
7788.999
Y
Z
VV
1.1
222.3
E
44.5
E
6.7
8888
99
Uhrzeit 11:22:33 UTC
Breite 44° 55,666'
Halbkugel N=Nord S=Süd
Länge 77° 88,999'
Hemisphäre E=Ost W=West
Art der Positionsberechnung
0 = nicht vorhanden
1 = GPS
2 = DGPS
Anzahl der sichtbaren Satelliten
Güte der horizontalen Position (HDOP)
Höhe über dem mittleren Meeresspiegel (Höhe über MSL)
Einheit für die Höhe M=Meter F = Fuß
Geoidhöhe (Höhe des Meeresspiegels über dem WGS84 Ellipsoid)
Einheit für die Höhe M=Meter F = Fuß
Zeit seit dem letzten Update der DGPS Daten
Code der verwendeten DGPS-Station
Prüfziffer
GPS-Empfänger Handbuch
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$GPGLL - Geographic Position - Latitude/Longitude
$GPGLL,4455.666,X,7788.999,Y,112233,Z,F*99
4455.666
X
7788.999
Y
112233
Z
F
99
Breite 44° 55,666'
Halbkugel N=Nord S=Süd
Länge 77° 88,999'
Hemisphäre E=Ost W=West
Uhrzeit 11:22:33 UTC zum Zeitpunkt der Positionsbestimmung
Empfangsstatus A=fehlerfrei V=fehlerhaft
Modus-Indikator ab Version 2.3 des Standards
A = Autonomer Betrieb
D = Differential GPS
E = Postion geschätzt durch Koppelnavigation
M = Manual Positionseingabe
S = Simulation der Position
N = ungültig
Prüfziffer
$GPGRS - GPS Range Residuals
$GPGRS,112233,X,01,02,03,04,05,06,07,08,09,10,11,12*99
112233
X
01 bis 12
99
Uhrzeit 11:22:33 UTC Zeitpunkt der Positionsbestimmung
0=Restwerte berechnet mit $GPGGA
1=Restwerte berechnet im Anschluss an die Berechnung
der Werte des $GPGGA
Restwerte der einzelnen Satellitenstrecken in der gleichen
Reihenfolge wie beim $GPGSA
Prüfziffer
$GPGSA - GPS DOP and active satellites
$GPGSA,A,B,01,02,03,04,05,06,07,08,09,10,11,12,P,H,V*99
A
B
01 bis 12
P
H
V
99
Auswahlmodus für Fix
A=Automatische Auswahl zwischen 2D und 3D Fix
M=Manuelle Auswahl zwischen 2D und 3D Fix
Art des Fix
1=kein Fix
2=2D Fix
3=3D Fix
Identifikatoren der für den Fix verwendeten Satelliten
Güte der Position (PDOP)
Güte der horizontalen Position (HDOP)
Güte der vertikalen Position (VDOP)
Prüfziffer
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$GPGST - GNSS Pseudorange Error Statistics
$GPGST,112233,1,2,3,4,5,6,7*99
112233
1
2
3
4
5
6
7
99
Uhrzeit 11:22:33 UTC Zeitpunkt der Positionsbestimmung
Quadratisches Mittel der Standardabweichung der Position nach
Auswertung der Pseudoranges einschließlich der der Korrekturen
durch ein eventuell vorhandenes SBAS System.
Standardabweichung der großen Halbachse der Fehlerellipse
Standardabweichung der kleinen Halbachse der Fehlerellipse
Ausrichtung der großen Halbachse der Fehlerellipse gegenüber Nord
Standardabweichung der Breite
Standardabweichung der Länge
Standardabweichung der Höhe
Prüfziffer
$GPGSV - Satellites in view
$GPGSV,N,X,Y,1,2,3,4,...*99
N
X
Y
1
2
3
4
99
Gesamtanzahl von $GPGSV Datensätzen zu einer Position
Aktuelle Nummer des $GPGSV Datensatzes
Anzahl der sichtbaren Satelliten
PRN-Nummer des jeweiligen Satelliten
Winkel über Horizont des jeweiligen Satelliten in Grad
Himmelsrichtung des jeweiligen Satelliten in Grad
Signal-Rauschabstand in Dezibel des jeweiligen Satelliten
Prüfziffer
Die Positionen 1 bis 4 können in jedem Datensatz bis zu 4 mal enthalten sein.
$GPRMC = Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data
$GPRMC,112233,Z,4455.666,X,7788.999,Y,0.0,44.4,221133,5.5,V*99
112233
Z
4455.666
X
7788.999
Y
0.0
44.4
221133
5.5
V
99
Uhrzeit 11:22:33 UTC zum Zeitpunkt der Positionsbestimmung
Empfangsstatus A=fehlerfrei V=fehlerhaft
Breite 44° 55,666'
Halbkugel N=Nord S=Süd
Länge 77° 88,999'
Hemisphäre E=Ost W=West
Geschwindigkeit über Grund in Knoten
Trackwinkel in Grad
UTC Datum 22.11.33
Winkel zwischen magnetischem und geografischem Nordpol (Missweisung)
Hemisphäre E=Ost W=West für die Missweisung
Prüfziffer
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$GPVTG - Track made good and Ground speed
$GPVTG,44.4,T,a,b,0.00,N,1.11,K*99
44.4
T
a
b
0.00
N
1.11
K
99
Trackwinkel in Grad
Fester Text „T“
nicht verwendet
nicht verwendet
Geschwindigkeit über Grund in Knoten
Fester Text „N“
Geschwindigkeit über Grund in Kilometer pro Stunde
Fester Text „K“
Prüfziffer
$GPZDA - Time & Date
$GPZDA,112233,TT,MM,JJJJ,SS,MM*99
112233
TT
MM
JJ
SS
MM
99
aktuelle Uhrzeit 11:22:33 UTC
Tag
Monat
Jahr
Zeitversatz zwischen UTC und Ortszeit Stundenanteil
Zeitversatz zwischen UTC und Ortszeit Minutenanteil
Prüfziffer
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