Technisches zum GPS Monitor
Der Standort
Der GPS-Monitor liegt in der Nordwestschweiz, auf dem Dachboden eines Einfamilienhauses (hier) mit einer einfachen Patch-Antenne unter Dach. Es liegt keine Isolation mehr zwischen der Antenne und dem Freien, die Sicht zum Himmel ist also (bis auf das Dach) frei. Die Koordinaten sind ca. 47.5315385 °N, 7.8155899 °E und 414.414 Höhe (über dem Ellipsoid, also ca. 366 m üNN). Das Haus liegt an einem Südhang in schwach hügeliger Landschaft. Wie am Skyplot zu erkennen ist die Sicht nach Süden fast perfekt, in nördlichen Richtungen ist wegen Hang und Häusern eine Abschattung bis ca. 15° Höhe zu beobachten. Insgesamt sind die Empfangsbedingungen als sehr gut zu bezeichnen.
Die Technik
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Als GPS-Empfänger wird ein u-blox 5 (LEA-5H) Empfänger eingesetzt. Als Antenne wird die "einfache" mitgelieferte Patch-Antenne verwendet. Die Antenne ist auf einem Dachbalken montiert.
Am 2011-12-27 (17:29:52 UTC) wurde die Antenne um einen Choke-Ring ergänzt, der mögliche Multipath Störungen unterdrücken soll. Das Basisblech ist 2 mm stark, Durchmesser 100 mm, die Wand 0.75 mm, Höhe 30 mm.
Der Empfänger ist so konfiguriert, dass er die EGNOS-Satelliten trackt aber nicht in die Positionsbestimmung einbezieht. Die restlichen Parameter sind gemäss Standardeinstellung. Der Empfänger gibt über die serielle Schnittstelle alle 60 Sekunden die u-blox-spezifischen NMEA-Datensätze UBX,00 UBX,03 und UBX,04 aus. Diese enthalten Position, Höhe, Datum/Uhrzeit sowie Satelliteninformation in sehr kompaktem Format.
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Die Daten werden über die serielle Schnittstelle (RS-232) an ein WiFly-Modul von Roving weitergeleitet. Dieses WLAN-Modul kann so konfiguriert werden, dass es Daten, die über die serielle Schnittstelle hereinkommen, direkt per HTTP GET-Aufruf an einen vordefinierten Server weiterleitet. Die Stromversorgung geschieht über den USB-Anschluss des GPS-Empfängers den ich dort intern auf einen freien Pin der seriellen Schnittstelle weiterverbunden habe. Beide Komponenten werden so von einem einfachen Netzteil mit USB-Stromkabel versorgt. Mit einem Kabelbinder habe ich das WiFly-Modul auf den GPS-Empfänger "geschnallt" und alles an einer Stütze befestigt. Dort "blinkt" das System jetzt vor sich her und überträgt alle 60 Sekunden Daten auf diesen Webserver.
Datenverarbeitung
Auf dem Webserver wird ein php-Skript angestossen, welches die Daten auswertet, auf Plausibilität checkt und in eine mySQL-Datenbank schreibt. Auf diese Weise fallen jeden Tag im Idealfall 1440 neue Datensätze an. Bei jedem neuen Datensatz wird eine Routine zum Neuzeichnen bestimmter Grafiken aufgerufen welche in bestimmten Zeitabständen auch weitere Routinen für die Erstellung anderer Grafiken aufruft. So wird Skyplot und aktuelle Position jede Minute, die Tagesübersicht und die Histogrammdaten der aktuellen Position nur alle 15 Minuten und die Ansicht "Das letzte Jahr" nur einmal am Tag zum Datumswechsel aktualisiert.
Datenlücken
Lücken in den Daten sind "immer" auf das Monitorsystem und nicht das GPS-System zurückzuführen. Das System hat keinen Datenpuffer, es wird jede Minute ein Datensatz vom Dachboden über WLAN zum Access-Point und von dort im Netzkabel zum Router übertragen. Von dort auf die Webseite wo auch die Datenverarbeitung stattfindet. Ein Ausfall des GPS-Empfängers, des WLAN-Moduls, des APs, des Routers oder der Internetverbindung oder auch der Webseite hat direkt auch einen Datenverlust zur Folge.
Mir ist nicht bekannt, dass das GPS-System je einen Totalausfall hatte. Das "schlimmste" mir bekannte Ereignis ist ein kurzzeitiges Problem mit einem einzelnen Satelliten und daraus resultierend lokal ungenauer Position.
Kann ich die Daten haben?
Ja, gerne. Wer die Positions- und Satellitendaten herunterladen will, das geht hier. Ich bitte um die Quellenangabe www.kowoma.de falls die Daten oder deren Auswertung veröffentlicht oder anderweitig präsentiert werden.
Fragen die vielleicht nie jemand stellen wird
Warum sind im Plot der Satellitenverfügbarkeit am Anfang und am Ende der Balken die Satelliten blau gezeichnet?
Unterhalb einer bestimmten Signalstärke kann der Satellit zwar getrackt werden, mit den schwachen Signalen können aber keine übertragenen Daten mehr empfangen werden. Somit werden auch keine Ephemeriden-Daten mehr empfangen. Der Status des Satelliten wechselt damit von benutzt (U) auf e (keine Ephemeridendaten) und der Satellite wird blau dargestellt.
Warum ist der grüne und blaue Kreis im Positionsplot immer grösser als die Breite der farbigen Balken am jeweiligen Rand?
Die Kreise haben den Durchmesser, so dass 50% bzw. 95% der Punkte innerhalb dieses Kreises liegen. Hierzu ist die horizontale Entfernung (Nord-Süd und Ost-West gemeinsam) vom Mittelpunkt (dem wahren Wert) entscheidend. Die Balkendarstellung betrachtet die Abstände in Nord-Süd und Ost-West-Richtung getrennt. Ein Punkt der z.B. in 1 m Abstand nördlich und 1 m Abstand östlich vom MIttelpunkt liegt, zählt bei den Balken in beiden Fällen zum Abstand 1 m. Die tatsächliche Entfernung zum Mittelpunkt ist jedoch 1.4 m (Pythagoras). Man könnte auch den Abstand im Raum betrachten aber die dreidimensionale Darstellung auf dem Monitor ist noch etwas knifflig.
Warum hat der Skyplot im Norden ein "Loch"?
In diesem Bereich sind am Himmel niemals Satelliten zu "sehen". Da die GPS-Satelliten nicht Polumlaufend sind und die Bahnen eine Deklination von 55° haben, ergibt sich ein Loch über Nord- und Süpol. Stünde man dort, würden die Satelliten niemals höher am Himmel stehen als 55°. In unseren Breiten sieht dieses Loch über dem Nordpol so aus wir im Skyplot zu sehen. Am Äquator würde man im Norden und Süden jeweils halbkreisartige Löcher beobachten. Aus dieser Tatsache erschliesst sich auch, dass für den Empfang eine Abschattung des GPS-Empfängers im Norden weniger Einfluss hat als im Süden. Man hat also, wenn man den Empfänger relativ körpernah hält, weniger Empfangsprobleme wenn man in Richtung Süden schaut - Zumindest auf der Nordhalbkugel.
Warum sind manchmal schwarze Satellitenspuren im Skyplot?
Wenn für einen Satelliten Bahndaten bekannt sind (weil ja immer alle Bahndaten von allen Satelliten ausgestrahlt werden), der Selbst aber kein oder kein auswertbares Signal sendet, wird zwar dessen erwartete Laufbahn am Himmel gezeichnet, aber Weil die Signalstärke null ist, bleibt die Spur schwarz. Aktuell (2011-11-05) kann man den Galileo-Satelliten Giove A (PRN 209) als solche schwarze Bahn sehen.
