GPS-Monitor
Hintergrund
Vielleicht mag sich der eine oder andere Fragen, wofür es gut sein soll, einen GPS-Empfänger dauerhaft an einem festen Ort zu betreiben und die erhaltenen Daten ins Internet zu stellen. Nun, eine entscheidende Bereicherung für das allgemeine Leben ist das sicherlich nicht, aber genau wie WebCams ist es sicherlich für eine einige Leute interessant.
So lässt sich anhand der Grafiken ersehen, mit welcher Genauigkeit bei der Positionsbestimmung mit einem GPS-Empfänger unter normalen bis günstigen Bedingungen zu rechnen ist. Und das ohne auf Herstellerangaben und ähnliches vertrauen zu müssen. Andererseits zeigt es auch, ob an bestimmten Tagen oder zu bestimmten Zeiten die Genauigkeit schlechter oder besser ist als sonst. Oder eben nicht, und das ist eine fast noch wichtigere Information.
So werden immer wieder "die Amerikaner" - die vielleicht an vielem Schuld sind, aber nicht an allem - beschuldigt, am (ihrem) GPS-System herumgeschraubt zu haben und deshalb sei der Empfang jetzt schlechter als er schon war. Aus welchen Gründen auch immer.
Meist wird dabei jedoch vergessen, das das GPS-System ein hochkompliziertes und dynamisches System ist: Zwei dutzend Satelliten rasen um den Erdball und das ganze Timing muss auf wenige Nanosekunden genau bekannt sein. Und dazu ist das ausgesandte Signal noch so schwach, dass es sich kaum vom Hintergrundrauschen abhebt.
Kein Wunder also, dass im tiefen Wald oder einer Häuserschlucht, vielleicht noch dazu im Auto, die Position vielleicht nicht so perfekt bestimmt werden kann, wie gestern noch auf einem Hügel.
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Der GPS-Monitor ist auf dem Dach eines Einfamilienhauses in Mattsies installiert. Die genaue Position (aus etwa 1,5 Mio. Einzelmessungen gemittelt) der Antenne ist:
48° 5.38301’ N
10° 32.94580’ E
Höhe: 585.7 m
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Nach etwas über einem Jahr Betriebszeit hat die Antenne im September 2005 Probleme bereitet. Leider wurde sie nicht komplett defekt sondern hat "gesponnen" was die Fehlersuche massiv erschwert und verzögert hat. Als klar war, dass die Antenne das Problem ist, ging die Suche nach einer neuen Antenne und einem Sponsor für diese Antenne los. Die neue Antenne ist eine Garmin GP-29 Marine-Antenne, die nun definitiv der Witterung dauerhaft trotzen sollte. Die neue Antenne ist ca. 10 cm höher montiert als die alte.
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Als Empfänger des GPS-Monitors dient ein u-blox RCB-LJ GPS-Modul,
die Auswertung der Daten und das Generieren der Grafiken erledigt ein
PC. Zwischen dem Empfängermodul und dem PC war noch ein kleiner Signalwandler
notwendig, der die Daten in und vom Pegel für die RS232-Schnittstelle
wandelt, sowie eine Spannungsversorgung für die Empfängerplatine.
Der Empfänger ist so konfiguriert, dass er keine SBAS-Daten (EGNOS/WAAS) auswertet.
Erklärung zu den einzelnen Grafiken
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Die ersten beiden Grafiken zeigen einen Verteilungsplot an. Dieser ist folgendermassen zu lesen: z.B. sind im abgebildeten Fall 50 % aller Positionsbestimmungen der letzten 24 Stunden innerhalb eines Kreises mit dem Radius von 1,97 m um den Mittelwert.
Und 95 % sind innerhalb von 3,84 m und 100 % innerhalb von 6,43 m.
Die letzte Zahl der x-Achse (hier 4,72 m) gibt den Umkreis für 99 % aller Messpunkte an.
Dieser Plot isd für die horizontale Position, die Angaben in Metern meinen dabei also einen Kreis mit dem entsprechenden Radius.
Die gleiche Grafik gibt es für die Höhendaten, nur ist es dort kein Kreis sondern nur eine Linie auf der sich die Messwerte befinden.
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Diese nächste Grafik sieht kompliziert aus, ist aber eigentlich ganz einfach zu lesen. nach rechts ist die Uhrzeit (in Weltzeit UTC, Mitteleuropa hat im Winter UTC+1 und im Sommer UTC+2) aufgetragen, nach oben und unten die Entfernung vom Mittelewert in Metern. Zusätzlich sind auf der Zeitachse noch zur Orientierung Sonnenaufgang und Sonnenuntergang eingezeichnet. Die Grafik zeigt also für den Längengrad, den Breitengrad und die Höhe getrennt die Abweichung vom Mittelwert der letzten 24 Stunden an. Falls also z.B. plötzlich die selective availability wieder eingeschaltet werden würde, würde man das (mit exakter Uhrzeit) an einem deutlich grösser werdenen Rauschen auf diesen Grafiken sehen.
Es wird übrigends alle 10 Sekunden ein Messwert gespeichert, das sind 8640 am Tag. Die kleine zusätzliche Grafik ganz unten zeigt die Anzahl Satelliten, die für die Positionsbestimmung verwendet wurden. Die Skala geht von 0 bis 12. Der Empfänger kann aber bis zu 16 Satelliten gleichzeitig auswerten, der NMEA-Datensatz, der hier ausgewertet wird, unterstützt aber nur die Angabe von maximal 12 Satelliten.
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Die darauf folgende Grafik zeigt wieder die Abweichung vom Mittelwert für die Längen- und die Breitenposition und die Höhe an. Jetzt aber für jeweils den Mittelwert eines Tages über die letzten 365 Tage. Hierdurch lassen sich langfristige Verbesserungen oder Verschlechterungen am System sowie eventuelle jahreszeitliche Schwankungen erkennen. Diese Grafik wird nur 1x pro Tag aktualisiert und füllt sich natürlich erst innerhalb eines Jahres. Man erkennt bereits jetzt, dass die Schwankungen sehr gering sind.
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Die vorletzte Grafik zeigt nochmals einen Verlauf über 365 Tage, diesmal jedoch die Verteilung. Es werden hier gleichen Daten dargestellt, wie in den ersten beiden Grafiken aber dessen Verlauf über die Zeit. Auch diese Grafik füllt sich erst innerhalb eines Jahres. Die Zahlen rechts sind die Mittelwerte aus allen Daten und geben wieder an, in welchem Abstand vom Mittelwert sich 50 %, 95 % und 99 % aller Tagesdurchschnittswerte befinden. Wieder würde man an diesen Grafiken eine plötzliche Verschlechterung des Systems deutlich erkennen.
Interessant ist die kontinuierliche Verschlechterung der Höhe im November mit plötzlicher Besserung. Ich interpretiere dies so, dass ein Satellit angefangen hat, "schlechter" zu werden. Tatsächlich wurde exakt als die Höhendaten wieder genauer wurden ein Satellit ausser Betrieb genommen.
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Die letzte Grafik hat, obwohl die hübscheste von allen, ist aber eher statisch und beinhaltet somit im Gegensatz zum aktuellen Skyplot wenig Information.
Jeder, der selbst ein GPS-Gerät hat, wird vermutlich eine derartige Darstellung kennen, den "Skyplot". Der normale "Skyplot" eines GPS-Gerätes gehört übrigens meiner Ansicht nach zu den wichtigsten Informationen, die ein GPS-Gerät überhaupt anzeigt. Denn mit Hilfe der dort erkennbaren Satellitenpositionen, Signalstärken und geometrischen Anordnung der Satelliten lässt sich auf einen Blick erkennen, ob der angezeigten Positionsinformation zu trauen ist oder nicht.
Die Grafik rechts zeigt alle Positionen an, an denen während der letzten 7 Tagen GPS-Satelliten standen und die Signalstärke, mit denen das GPS-Signal empfangen wurde. Die Grafik zeigt somit auch, ob die Antennenposition gut gewählt wurde und immer eine größtmögliche Anzahl Satelliten empfangen werden können. Je weniger graue und umso mehr grüne und blaue Punkte oder Flächen zu sehen sind, desto besser. Lediglich am Horizont sollten graue Flächen zu finden sein und ganz an den Rändern violette oder rote Punkte.
Das "Loch" im Norden kommt dadurch zustande, dass die Bahnen der Satelliten nie über die Pole sondern höchstens über 55 ° nörlich bzw. südlich senkrecht hinwegziehen. Das Loch ist also, wenn man sich auf der Nordhalbkugel befindet im Norden, am Äquator je ein halbes Loch im Norden und im Süden und auf der Südhalbkugel im Süden.
