GPS-Empfänger Handbuch - Jörn Weber Jena, im Jahre 2009 2. bearbeitete Version
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GPS-Empfänger
Handbuch
Jörn Weber
Jena, im Jahre 2009
2. bearbeitete Version
GPS-Empfänger Handbuch 1 14.12.08 16:19:24
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 aus- zudrücken. 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 konsultie- ren. 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. mailto:joern.weber@t-online.de Dieses Buch darf ohne schriftliche Zustimmung des Autors weder gedruckt, noch in irgendeiner elektronischen Form veröffentlicht werden. Insbesondere die Veröffentlichung im Internet ist ohne schriftliche Zustimmung des Autors untersagt. Eine Übersetzung des Buches bedarf der ausdrückli- chen schriftlichen Genehmigung des Autors. Der Autor selber behält sich eine Veröffentlichung sei- nes Werkes auf beliebige Art und Weise vor. 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. GPS-Empfänger Handbuch 2 14.12.08 16:19:24
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 GPS-
Empfänger 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 berück-
sichtigt. Daher weichen UTC und GPS-Zeit inzwischen mehr als ein Dutzend Sekunden voneinan-
der 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 Navstar-
Satelliten. 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 abge-
schlossen 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 Laufzeit-
differenz zwischen der Aussendung des GPS-Signals und dessen Empfang. Dazu enthält jedes GPS-
Signal codiert den Zeitpunkt seiner Aussendung. Die Laufzeitdifferenz kann man mithilfe der Aus-
breitungsgeschwindigkeit 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 GPS-
Empfänger 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 ver-
zichtet 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. Uhrenfehler der Satelliten
2. Bahnfehler der Satelliten
3. Ionosphäre
4. 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 be-
rechnen und zu kompensieren.
Geodätische Empfänger verwenden Messverfahren zur Bestimmung der Position, die auf der Pha-
severschiebung 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 für Amerika
EGNOS für Europa
MSAS für Japan
GAGAN für Indien
SDMC Für Russland
OmniSTAR 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 Me- tern. Der Nachteil der SBAS-Systeme ist, dass man sie schon in mittleren Breiten nur schlecht emp- fangen 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 Ephemeriden- Speicher. Der Hauptvorteil dieser Technologie ist, dass der Empfänger die Almanache und die Eph- emeriden nicht von den Satelliten herunterladen muss. Hierdurch verkürzt sich die Zeit bis zur Auf- findung der ersten Position extrem. Auch bei später im Wald oder in Straßenschluchten auftau- chenden Satelliten müssen Almanach und Ephemeriden nicht mehr vom Satelliten eingelesen wer- den 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 Onli- ne–AGPS wird der Empfänger immer bei Bedarf über eine Mobilfunkverbindung mit Daten ver- sorgt. 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 voraus- berechneten 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 die- sem 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 Fehler- korrekturwerte 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. GPS-Empfänger Handbuch 8 14.12.08 16:19:24
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 erfor- derlichen 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 Navstar- Satelliten 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-Si- gnal auch in Gebäuden zu empfangen. Der Vergrößerung der Empfangsempfindlichkeit steht hierbei zum einen das Eigenrauschen der elektronischen Bauelemente, zum anderen aber auch der Mehrwe- geempfang des GPS-Signals entgegen. Der Mehrwegeempfang des GPS-Signals wird auch Multi- path-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 GPS- Signal 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 Ein- fahrt 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 ei- GPS-Empfänger Handbuch 9 14.12.08 16:19:24
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, er- hält 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 Richtungsände- rung wird es noch schwieriger einen bestimmten Punkt zu finden, denn es wird die Information be- nötigt, welchen Weg Sie an der Abzweigung genommen haben. Die Information über eine Rich- tungsänderung 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 Positi- onsberechnung 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 Informati- on, 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 In- formationen 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 Protokol- le 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 brauch- baren GPS-Chips. Später folgten die Phasetrac-Chipsätze von Garmin. Die Firma SiRF stieg mit ih- rem 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 GPS-Empfänger Handbuch 10 14.12.08 16:19:24
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 Offli- ne-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 er- reicht der Empfänger hierdurch schneller einen stabilen Zustand. GPS-Empfänger Handbuch 11 14.12.08 16:19:24
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. Da- bei 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. Le- diglich 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 be- sitzt. Aufgrund der weiten Verbreitung dieses preiswerten Chips im Massenmarkt gibt es auch ent- sprechend 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 Eingangsemp- findlichkeit von -158 dBm, eine Samplingrate von 1 Hz und unterstützt AGPS. Die Version Ve- nus 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. GPS-Empfänger Handbuch 12 14.12.08 16:19:24
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 ei- ner Empfangsempfindlichkeit von -161 dBm. Er wird hauptsächlich im industriellen Umfeld ge- nutzt, 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 Grafik- prozessor. 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 GPS- Empfänger 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 Eingangsemp- findlichkeit 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 GPS-Empfänger Handbuch 13 14.12.08 16:19:24
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 Steckverbinder
Flashspeicher GPS-Chip Speicherkondensator Patchantenne
GPS-Modul NL-551EUSB mit ublox 5 Chip
Um den eigentlichen GPS-Chip herum werden hierzu Oszillator, Quarz, Bandpass-Filter, Antennen-
verstärker und der Spannungsregler angeordnet. Bei komplexeren Modulen ist es auch üblich Inter-
face-Chips, Flash-Speicher, Doppelschichtkondensator und Mikroprozessoren mit auf den Modulen
anzuordnen. Teilweise wird auf der Rückseite der Module sogar die Antenne montiert. Die Produk-
tion 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 14 14.12.08 16:19:24u-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. GPS-Empfänger Handbuch 15 14.12.08 16:19:24
Blockschaltbild eines GPS-Moduls :
Antenne
Doppel-
Oszillator Quarz schicht-
kondensator
Bandpass
Bluetooth NMEA
Vorverstärker
Interface Daten
GPS Chip
USB NMEA
Bandpass Interface Daten
Flash Spannungs-
Prozessor
Speicher regler
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 GPS-
Empfänger 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.
GPS-Empfänger Handbuch 16 14.12.08 16:19:244. GPS-Empfänger
4.1 Allgemeines
Die GPS-Empfänger bestehen im Wesentlichen aus dem GPS-Modul, den Anzeigeelementen (Dis-
play 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-Dis-
plays 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 ausge-
führt 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 Schiebeschalter Kontakte für Akkumulator
Speicherkondensator USB-Buchse UART-USB Brücke
GPS-Empfänger Handbuch 17 14.12.08 16:19:24Leutchtdioden
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,
GPS-Empfänger Handbuch 18 14.12.08 16:19:24dass 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 Magnet- haftfuß einen zusätzlichen Saughalter für Fensterscheiben und eine Antirutschmatte auf der Geräte- unterseite. Außerdem sind sie wasserdicht und somit für die Verwendung auf Sportbooten im Süß- wasserbereich geeignet. Im Inneren des VT200 werkelt ein MTK 3318 mit SBAS-Support. Den ers- ten 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 Magnet- haftfuß 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 GPS-Empfänger Handbuch 19 14.12.08 16:19:24
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 An- tirutschbeschichtung 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 die- sem 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 GPS-Empfänger Handbuch 20 14.12.08 16:19:24
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 robus- ten und zugleich kleinen Bauweise immer noch großer Beliebtheit. Im Inneren des des WBT201 ar- beitet 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 u- blox 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. GPS-Empfänger Handbuch 21 14.12.08 16:19:24
5.3.3 BT-Q1000(P)(X) Der Hersteller QStarz liefert ein Beispiel für gut gepflegte Hardware. Inzwischen ist die dritte Ge- neration 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 Un- terstützung von AGPS und eine Empfangsempfindlichkeit von -165 dBm und die Verwendung von 66 Kanälen hinzu. Allen Versionen ist gemeinsam, dass der Datenrekorder völlig flexibel konfigu- rierbar 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 Pro- grammierern 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. GPS-Empfänger Handbuch 22 14.12.08 16:19:24
Momentan ist damit der BT-Q1000X der leistungsfähigste Logger in Sachen Empfangsempfindlich- keit, Konfigurierbarkeit und Samplingrate am Markt. Nur bei der Ausgabe des ausschließlich für Geospiele wichtigen Trackwinkels bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten wird er noch von SiRF- Star-basierten Loggern übertroffen. 5.3.4 BT-Q1200 ultra Neben dem Universal-Loggern existieren auch weitere Klassen von Loggern für spezielle Anwen- dungszwecke. 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 GPS-Empfänger Handbuch 23 14.12.08 16:19:24
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 Akkumula- tor 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 hervorra- gend 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. Die- ses 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 USB- Buchse ist mit einer Gummiabdeckung versehen. Die Tasten werden durch eine Gummimembrane geschützt. Die Speicherkapazität des Loggers beträgt 130000 Trackpunkte. GPS-Empfänger Handbuch 24 14.12.08 16:19:24
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 be- kannter und zum Nokia Handy 3650 kompatibler BL-5C. Der mit einem SiRFStar 3 Chip ausgestat- tete GPS-Logger kann 260000 Trackpunkte speichern. Es werden im Display die Werte für Position, Geschwindigkeit, Höhe, Uhrzeit, Durchschnittsgeschwindigkeit und zurückgelegte Strecke ange- zeigt. Mit dem Gerät werden mitgeliefert: Steckernetzteil, Kabel, Oberarmgurt, Gürteltasche und Fahrradhalterung. Neben dem üblichen Travel Rekorder hat QStarz noch ein Trackanalyse-Pro- gramm für Sportzwecke beigelegt. Wer ein reines Sportgerät ohne technische Spielereien sucht, ist mit diesem Gerät bestens bedient. GPS-Empfänger Handbuch 25 14.12.08 16:19:24
5.4.3 BGT31 Genie Der BGT31 von Locosys ist der große Bruder des schon erwähnten GT31. Er besitzt gegenüber die- sen eine zusätzliche Bluetooth-Schnittstelle. Das Gerät ist mit einem SiRFStar 3 ausgestattet, wel- cher SBAS unterstützt. Es existieren zwei Logspeicher. Ein Log wird direkt auf eine SD-Karte ent- weder 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 Track- punkten 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 zu- rückgelegten 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 ge- gen 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. GPS-Empfänger Handbuch 26 14.12.08 16:19:24
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