GPS-Genauigkeit

GPS-Systeme haben die Genauigkeit und Bequemlichkeit des Testens, Entwickelns und Validierens in der Automobilindustrie revolutioniert. Wie haben sie das gemacht und wie effektiv sind sie?

Geschwindigkeit

Es ist eine häufige Fehlannahme, dass die über GPS gemessene Geschwindigkeit eine Funktion von Geschwindigkeit gegen Zeit ist. Wenn dies der Fall wäre, wäre die GPS-Geschwindigkeit ziemlich nutzlos, da die GPS-Position von der genauen Messungen des Abstands zwischen Empfänger und Satellit abhängt und zahlreichen Einflüssen - wie zum Beispiel atmosphärische Störungen - unterliegt, die das Signal verzögern.

Zum Glück wird die Geschwindigkeit nicht auf diese Weise gemessen. Für die Messung wird die Dopplerverschiebung in den von den Satelliten kommenden Signalen erfasst, wodurch eine höchst genaue Erfassung der Geschwindigkeit möglich ist.

Der Doppler-Effekt (für Schall) ist die Zunahme (oder Abnahme) einer Schallwellenfrequenz, wenn sich der Schall eines Objekts von einem Beobachter weg (oder auf ihn zu) bewegt.

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Wenn Sie sieben Satelliten verfolgen, ist es dasselbe, als ob Sie 7 Radarpistolen auf Sie gerichtet haben: für die Messung werden alle berücksichtigt.

Weitere wichtige Faktoren für die Geschwindigkeitsmessung in Fahrzeugtests sind Abtastrate, Frequenzgang, Latenz und Rauschen.

 

Abtastrate

Die Zahl der Messungen pro Sekunde ist für Fahrzeugtests von größter Bedeutung. Die übliche Abtast- oder Aktualisierungsrate für GPS ist einmal pro Sekunde, was für die Navigation in Ordnung ist, aber nicht besonders hilfreich ist, wenn man die Geschwindigkeit, den Bremsweg, die Beschleunigung, die Rundenzeit oder die Streckenposition messen möchte. Für diese Tests wären mindestens 5 Hz (fünf Messungen pro Sekunde) erforderlich, um brauchbare Resultate zu erhalten, und für eine gute GPS-Fahrzeugtestlösung würde man mindestens 20 Hz erwarten. Die besten GPS-Systeme haben eine Aktualisierungsrate von 100 Updates pro Sekunde und eignen sich für spezielle Anwendungen wie Bremstests und dynamische Hochgeschwindigkeitsmanöver.

Latenz

Die GPS-Latenz ist die Zeit zwischen der Geschwindigkeitsmessung und dem Zeitpunkt, zu dem die VBOX diese Geschwindigkeit meldet. Die Latenz ist nur wichtig, wenn Sie gleichzeitig andere Parameter messen oder wenn Sie die Ausgabe der GPS-Empfängers verwenden möchten, um etwas zu steuern.

GPS latecy

Diese Diagramm zeigt einen Geschwindigkeitsvergleich zwischen einem 1 Hz-GPS-Empfänger für Verbraucher (blau) und einem 20 Hz GPS-Empfänger (rot)

Rauschen

Je schneller die Geschwindigkeit gemessen wird, umso stärker ist das Signal rauschbehaftet. Hier ist ein sehr ausgewogenes Gleichgewicht zwischen dem Entfernen des Rauschens durch Filtern und der Einführung eines schlechten Frequenzgangs erforderlich. Durch Verwendung einer IMU und Kalman-Filters erhalten Sie das beste Ergebnis: einen verbesserten Frequenzgang mit geringerem Störgeräusch.

Hier ist die VBOX 3i an eine IMU04 angeschlossen

Frequenzgang

Dieser zeigt, wie schnell die Geschwindigkeitsmessung auf eine Änderung der Fahrzeugbewegung reagieren kann. Bei einem ABS-gestützten Bremsvorgang, zum Beispiel, ist die Änderungsrate der Beschleunigung (Stoßbelastung) sehr hoch. Zur genauen Messung von Abstand und Geschwindigkeit muss das GPS-System in der Lage sein, diese Änderungen sehr genau zu verfolgen.

Um ein Beispiel zu zeigen, werden hier drei Bremsvorgänge gezeigt, die mit einem niedrigen, mittleren und hohen Frequenzgang am GPS-Empfänger durchgeführt wurden. Die blaue Linie ist die (IMU-korrigierte) Fahrzeugbezugsgeschwindigkeit und die rote Linie die GPS-gemessene Geschwindigkeit. Sie können sehen, dass die Über-/Unterschreitung der Geschwindigkeit bei steigendem Frequenzgang geringer wird.

 

Niederfrequenzgang

Mittelfrequenzgang

Hochfrequenzgang

 


Handelsübliche GPS-Empfänger

Die Standard-GPS-Empfänger in Navigationsgeräten und Mobiltelefonen sind sehr klein und sehr billig. Gekoppelt mit einer sehr einfachen und kleinen Antenne verfügen diese Geräte über eine Update-Rate von einer Messung pro Sekunde und eine Genauigkeit von ungefähr 3-5 m (95 % CEP*). Aber sogar auf diesem Niveau ist die Geschwindigkeit mit ungefähr 0,2-0,5 km/h noch ziemlich genau. Eine Update-Rate von 1 Hz (einmal pro Sekunde) ist jedoch für Hochgeschwindigkeitsfahrzeuganalysen nicht ausreichend. Wir haben daher die besten im Handel erhältlichen Empfänger optimiert, um 10 Hz zu liefern.

Vermessungsempfänger

GPS-Vermessungsempfänger verwenden höherwertige Bauteile als kommerzielle GPS-Empfänger, benutzen sehr leistungsfähige Prozessoren und patentierte Techniken, um höhere Positionsgenauigkeit und Update-Raten zu erhalten. Sie sind um einiges größer als handelsübliche GPS-Empfänger und bis zu 100-mal teurer.

Falls Sie sich fragen, was an den GPS-Empfängern, die wir in unseren VBOX Produkten verwenden, so besonders ist, lautet die Antwort: wir haben nicht nur die besten GPS-Empfänger für verschiedene Produkte ausgewählt, sondern auch mit den Herstellern dieser GPS-Empfänger zusammengearbeitet, um sie für unsere speziellen Anforderungen zu optimieren. So können Sie sich stets darauf verlassen, dass Sie die höchstmögliche Leistung erhalten.

 

* 95% CEP (Circle of Error Probable). Dies bedeutet, dass in 95% der Fälle die Positionsablesungen innerhalb eines Kreises des angegebenen Radius liegen.

Das 24-Stunden-Positions-Streudiagramm links zeigt einen handelsüblichen Empfänger (rot), einen ungestützten Vermessungsempfänger in blau, einen durch SBAS-Korrekturen gestützten Empfänger in grün, einen durch eine 20 cm-Basisstation gestützen Empfänder in violett und ein gestütztes System mit RTK 2cm im gelb!

Entfernung

GPS-Satelliten sind mit einer Atomuhr ausgerüstet, wodurch eine Zeitstabilität von weniger als einem Millionstel einer Sekunde gewährleistet wird. Durch Kombination der Doppler-abgeleiteten Geschwindigkeit mit dieser Zeitsignalzuverlässigkeit lässt sich eine außerordentlich genaue Abstandsmessung erzielen.

Es gibt eine Reihe von Tests, die wir im Verlauf der Jahre durchgeführt haben, um unsere Messalgorithmen für die Anwendung in Fahrzeugtests zu verifizieren und zu verbessern.

Bei einem dieser Tests werden zwei Reflexstreifen mit einem bekannten Abstand auf der Straße platziert. Mittels eines mit dem Trigger-Eingang der VBOX verbundenen Lasersensors wird das Fahrzeug dann mehrere Male zwischen beiden Punkten gefahren und die Abstände gemessen. Bei solchen Tests wird die VBOX 3i stets innerhalb von 3 cm genau liegen, was ungefähr der Messunsicherheit entspricht, die aufgrund der geringfügigen Abweichung des Fahrzeugs während des Fahrens entsteht.

Position

Die GPS-Positionsgenauigkeit unterliegt ionosphärischen Störungen, die dazu führen, dass sich die Länge eines Satellitensignals auf seinem Weg zur Erdoberfläche ändert. Dies bedeutet, dass die Genauigkeit je nach Qualität des Empfängers um mehrere Meter variieren kann.

VBOX-Datenlogger sind mit überlegenen GPS-Engines ausgestattet, die eine bessere Positionsgenauigkeit bieten als Mobiltelefone und Satellitennavigationsgeräte. Durch die Verwendung zusätzlicher Signale, die nicht von den Standard-GPS-Satelliten der USA stammen, kann dies weiter verbessert werden. Die kostenlosen SBAS-Dienste erweitern die Positionsfähigkeiten eines Empfängers mit Vermessungsqualität auf bis zu 1 m ohne die Verwendung einer Basisstation.

Durch Hinzufügen eines weiteren GPS-Empfängers an einer festen Position kann jedoch die Mehrzahl der Fehler berechnet und aus dem Endergebnis entfernt werden. Dies ist die Funktion einer Basisstation: Da sie stationär bleibt, kann sie Korrekturnachrichten an eine fahrende VBOX senden, was zu einer erheblich verbesserten Positionsgenauigkeit führt.

Durch die Einbeziehung von Signalen aus der russischen GLONASS-Satellitenkonstellation und die Verwendung eines Echtzeit-Kinematik-Algorithmus (Real Time Kinematic - RTK) erreicht die VBOX 3i-Doppelantenne RTK mit geeigneter Basisstation eine Positionsgenauigkeit von <2 cm.

Der Vorteil der Verwendung beider Konstellationssätze besteht darin, dass fast doppelt so viele Messungen zur Verfügung stehen und sie auf zwei leicht unterschiedlichen Frequenzen liegen. Auf diese Weise können ausgefeilte Algorithmen in den GPS-Engines alle wichtigen Fehler beseitigen, die normalerweise mit der Positionsschätzung verbunden sind, was zu der GPS-Engine mit der höchsten Genauigkeit auf dem heutigen Markt führt.

In diesem Video finden Sie eine Demonstration.

Dieses Streudiagramm von Proben wurde über einen Zeitraum von 24 Stunden entnommen und zeigt wie genau RTK + GLONASS wirklich ist: Normales GPS in rot, RTK in blau.

Fahrdynamik

Der Einsatz von Multiantennensystemen ermöglicht die Messung der dynamischen Parameter eines Fahrzeugs. Ein Testaufbau mit zwei Antennen entlang der Länge des Fahrzeugdachs kann verwendet werden, um Schräglaufwinkel und Nickwinkel zu erfassen; quer über die Dachbreite platziert kann der Wank aufgezeichnet werden.

Zu diesem Zweck wird die VBOX mit den Antennenabständen konfiguriert. Durch den RTK-Lock zwischen den beiden Antennen kann eine sehr genaue Winkelmessung erhalten werden, wobei die von der Primärantenne genommene Fahrtrichtung mit der relativen Position der anderen Antennen verglichen wird.

VBOX-Datenlogger mit Multiantennen werden nicht nur im Automobilsektor verwendet, sondern auch in Marineanwendungen, wo sie sich perfekt für die Messung von Trimm, Krängung und Lee des Schiffs eignen.


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