GPS-Anwendung
2011-09-15

A-GPS, Instantfix, Hotfix etc.

Das Problem

Das GPS-System erlaubt aufgrund der Signalart und der geringen Sendeleistung der Satelliten nur eine sehr geringe Datenübertragungsrate. Das ist zur Navigation absolut in Ordnung, da hierzu eigentlich keine Daten übertragen werden müssen.

Für eine exakte Berechnung der eigenen Position müssen die Bahnen der Satelliten dem Empfänger absolut genau bekannt sein. Leider sind diese Bahnen aber nicht so starr wie es praktisch wäre. Deshalb übertragen im GPS-Signal alle Satelliten ständig Ihre aktuellen Bahndaten an den Empfänger, der dann jeweils die aktuellen Daten zur Berechnung verwendet.

Der Haken ist jetzt, dass die Bahndaten (Ephemeriden) nur eine Gültigkeit von ca. 4 Stunden haben. Solange also ein GPS-Gerät nicht länger als 4 Stunden ausgeschaltet war, kann es sofort mit den vorhandenen Daten weiterrechnen und hat - bei idealen Empfangsbedingungen - innerhalb von wenigen Sekunden eine gültige Position. Dies wird auch als Hot-Start bezeichnet.

War das Gerät länger ausgeschaltet sind die Bahndaten veraltet und es müssen zunächst neue Daten empfangen werden. Dieser Vorgang verzögert die erste Positionsbestimmung - wieder bei idealen Empfangsbedingungen - auf ca. 45-60 Sekunden.

Um die Bahndaten zu empfangen, benötigt der Empfänger ca. 1 Minute lang und ohne Unterbrechung ein ausreichend starkes Signal (> 28 dBHz). Danach reichen zur Navigation lediglich 15 dBHz.

Das alles ist eigentlich kein riesiges Problem, sorgt aber - wie vermutlich jeder GPSler weiss - immer wieder für Verdruss. Beispiele:

 

a) GPS beim Joggen

Man wartet nicht gerne eine Minute oder länger (bei schlechteren Empfangsbedingungen) bis der GPS "sich gefunden" hat. Man will sofort loslaufen.

 

b) GPS im Auto

Fährt man mit einem Empfänger der längere Zeit nicht an war sofort los, kann es einige Kilometer dauern, bis sich das Gerät endlich aufrafft und eine Position anzeigt. Das Problem sind vor allem veraltete Bahndaten und die Notwendigkeit diese neu zu empfangen. Speziell aber zwischen Häusern hat es der Empfänger sehr schwer das Signal eines Satelliten für die geforderte Minute lang zu empfangen um die Bahndaten zu aktualisieren. Ausserdem macht es der Dopplereffekt des fahrenden Wagens der Empfänger schwieriger, die Signale zu finden.

 

c) GPS bei stromsparenden Einsätzen

Um Strom bei diversen GPS-Anwendungen zu sparen, beispielsweise in Handys mit GPS, werden heute die Empfänger häufig nur sehr kurz eingeschaltet, eine Position bestimmt und wieder in einen Schlafmodus versetzt. Bei dieser Art Anwendung ist es natürlich nahezu unmöglich mit den Bahndaten "auf dem Laufenden zu bleiben".

 

Die Lösungen

Wie nicht anders zu erwarten haben die Hersteller zur Lösung des beschriebenen Problems diverse Vorschläge parat und in Ihre Empfangsmodule integriert. Es gibt zwei grundsätzliche Varianten:

 

Unterstützung von "Aussen"

Bei diesem System müssen dem GPS-Empfänger Bahndaten zugespielt werden. Dies kann durch eine Verbindung zum Internet geschehen oder falls der GPS-Empfänger in einem Handy verbaut ist auch über das Telefonnetz geschehen. Der Benutzer bekommt von den Aktivitäten eventuell nicht einmal etwas mit. Die Daten enhalten Bahndaten die bis 10 Tage im voraus berechnet wurden.

Je nach System werden zusätzlich zu den Bahndaten auch WAAS/EGNOS-Korrekturinformationen und die aktuelle Zeit und manchmal auch eine angenäherte Position durch Handy-Ortung übermittelt. In diesen Fällen lässt sich die TTFF, die Time To First Fix also die Zeit bis zum ersten Berechnen der Position auf bis zu 1 Sekunde reduzieren.

Diese Art der Unterstützung des GPS-Systems wird allgemein als A-GPS bezeichnet. Das steht für "Assisted-GPS", also "Unterstütztes-GPS". Die Hersteller haben häufig spezielle, namensrechtlich geschützte und blumigere Bezeichnungen für Ihre Umsetzung des Verfahrens, wie:

  • SIRF: SiRFInstantFix (SIF), Quickfix oder auch bekannt als QuickPosition, Quicklocate, QuickGPSfix (bei den Tom Tom-Geräten)
  • ublox: AssistNow Offline und AssistNow Online; Letzteres braucht bei jedem Start ein kleines Datenpaket das nur für 2-4 Stunden gültig ist. Beim Offline-Verfahren werden (grössere Mengen) Bahndaten der nächsten 14 Tage geladen.
  • Broadcom: GlobalLocate LTO (Long Term Orbit)
  • RXNetworks: GPStream SUPL
  • Nemerix: Nex

Nachteil:
Was für Handys sicher praktisch ist, ist bei anderen Navigationssystemen nicht praktikabel. Kaum jemand wird sein Auto-Navi einmal pro Woche ans Internet anschliessen.

Für die Geräte, die nicht "online" gehen können gibt es die andere Variante:

 

Eigene Berechnung der Bahndaten

Bei diesem Verfahren werden mit Hilfe der von den Satelliten empfangenen Bahndaten und teilweise patentierten (und vermutlich sehr komplexen) Algorithmen Bahndaten für die Zukunft vorausberechnet die eine längere Gültigkeit haben als nur 4 Stunden. Typischerweise werden Daten für 4 bis 10 Tage im Voraus berechnet. Schaltet man das GPS-Gerät also ein versucht es zunächst mit Hilfe der vorhandenen gültigen Daten die Position zu berechnen und wechselt erst auf die tatsächlich von den Satelliten empfangen Daten wenn diese vollständig sind. Von da an berechnet das Gerät wieder Bahndaten für die Zukunft. Manchmal wird das als Autonomous GPS oder Self-Assisted GPS und Ergänzungen wie Long Term Orbits, Extended Ephemeris usw. bezeichnet

Auch hierfür haben die Hersteller viele Bezeichnungen:

  • SIRF: SiRFInstantFixII (SIFv2)
  • RXNetworks: GPStream SAGPS und PGPS (Mix aus beiden Varianten)
  • STMicroelectronics: HotFix (nutzt GPStream PGSP)

 

Einschränkungen der Verfahren

Das ganze System erscheint zunächst ideal hat aber ein paar Einschränkungen.

Das Vorausberechnen der Bahndaten im Empfänger muss durch den Prozessor im Hintergrund geschehen und dauert sehr lange. Sehr lange meint wirklich mehrere Stunden. Häufig kann das der im Gerät integrierte Prozessor im Schlafmodus erledigen, aber verbraucht natürlich Strom und Zeit.

Die errechneten Bahndaten sind meist gut aber nicht perfekt. Dies ist unabhängig davon ob der Empfänger sie selbst ausrechnet oder sie vom Internet übertragen werden.

Man bemerkt manchmal einen kleinen Versatz in der Position in Track-Logs wenn diese Geräte vom Vorausberechneten in den "Live"-Modus umschalten.

Das Bild links zeigt zum einen den Unterschied zwischen einem Empfänger mit und einem ohne AGPS, zum anderen zeigt es den kleinen Versatz beim "Umschalten" zwischen den AGPS-Bahndaten und den empfangenen. Der Test wurde mit den Datenloggern i-blue 747 und i-blue 747A+ gemacht. Auf den 747A+ wurden aktuelle AGPS-Daten aufgespielt. Beide Logger waren einige Zeit eingeschaltet. Nun wurden beide Logger per Befehl in den Warmstart-Modus versetzt, der die aktuellen Bahndaten löscht und ausgeschaltet. Am Punkt t=0 sek wurden nun beide Logger wieder gleichzeitig eingeschaltet und zu Fuss die Strasse entlanggelaufen. Der 747A+ hatte bereits nach 5 Sekunden eine Position, der 747 ohne AGPS erst nach 34 Sekunden. Auffällig ist aber auch, dass man genau zu dem Zeitpunkt bei dem der 747 eine Position errechnen konnte der 747A+ einen kleinen Versatz in der Position zeigt. Dies dürfte daher kommen, dass der 747A+ hier von AGPS zu den empfangenen Daten "umgeschaltet" hat. Der Versatz beträgt aber nur, je nachdem wie man misst, 2-3 Meter.

Wenn das Gerät längere Zeit ausgeschaltet war als vorausberechnete Daten vorhanden waren, muss auf die herkömmliche Art auf die Bahndaten gewartet werden. Die Zeit bis zur ersten Positionsberechnung verlängert sich wieder.

In Zukunft werden die Hersteller der Chipsätze vermutlich ein System haben welches beide Varianten vereint. Für Geräte mit "Verbindung" werden Daten von Servern geladen und sollte keine Verbindung da sein wird eigenständig weiter gerechnet.

Für uns Nutzer ist der Effekt ein einfacher und angenehmer: Weniger Warten.