6 GPS-Gerät mit u-blox Modul

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1 6 GPS-Gerät mit u-blox Modul 6.1 Was ist GPS? Das Global Positioning System oder kurz GPS ist heute das wichtigste Ortungs- und Navigationssystem. Das GPS, auch NAVSTAR-GPS (Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System) genannt, wird vom amerikanischen Verteidigungsministerium betreut. Mit Hilfe des GPS ist es möglich sowohl die eigene Position, wie auch die Geschwindigkeit und die aktuelle Zeit überall auf der Welt sehr genau zu bestimmen. Das GPS-Projekt wurde im Jahre 1973 von den USA gegründet. Bereits im Jahr 1978 wurde der erste GPS-Satellit in den Weltraum entsandt. Aber erst am 17. Juli 1995 wurde das GPS mit 24 Satelliten offiziell in Betrieb genommen Grundfunktion Das NAVSTAR-System besteht aus drei Komponenten: 36

2 Das System benötigt mind. 24 Satelliten, die auf sechs unterschiedliche Bahnen um die Erde kreisen. Heute sind sogar 31 Satelliten aktiv. Die Satelliten fliegen auf einer Höhe von km mit einer Geschwindigkeit von ca. 3.7 km pro Sekunde. Abbildung 6.1 zeigt ein GPS-Satellit neuester Generation. Jeder Satellit sendet ein Funksignal mit einer Frequenz von MHz aus. Die Satelliten besitzen Rubidium und Cäsium Atomuhren, die eine hohe Uhrenstabilität garantieren. Die extreme Ganggenauigkeit von ±1 Sekunde in 1 Million Jahren ist absolut notwendig für das Funktionieren des Systems. Abbildung 6.1: Navstar-2RM GPS-Satellit 6.2 Wie wird die Position bestimmt? Um die Position des Empfängers bestimmen zu können, muss einerseits die Position der jeweiligen Satelliten bekannt sein und andererseits muss die Distanz zwischen dem Empfänger und den Satelliten gemessen werden. Um die Distanz zu einem Satellit messen zu können, werden zwei Arten an Informationen benötigt: die Geschwindigkeit mit der sich das Signal ausbreitet und die benötigte Reisezeit des Signals vom Satellit bis zum Empfänger. Daraus folgt: Distanz = Geschwindigkeit Zeit Beispiel: Reisezeit des Signals 67 Millisekunden Lichtgeschwindigkeit km/s Distanz 0.067s km/s = km Dies ist nun die ungefähre Distanz zu den GPS Satelliten. 37

3 6.2.1 Zweidimensionale Positionierung Wenn man die Distanz zu zwei Satelliten kennt, kann die Position in der Ebene berechnet werden. Die Position des Empfängers liegt genau im Schnittpunkt der 2 Kugeln. Dabei ergeben sich theoretisch zwei Schnittpunkte, wobei eine davon ausgeschlossen werden kann weil sie unrealistisch sein kann (geographisch unmöglich) Dreidimensionale Positionierung Mit drei Satelliten kann die Position im Raum berechnet werden. Hier ist die Position des Empfängers genau im Schnittpunkt der drei Kugeln Wieviele Satelliten sind notwendig für eine Position? Für die Lauftzeitmessung der Signale muss man die Zeit sehr genau kennen und die üblichen Empfänger besitzen leider keine genaue Uhr. Dieses Problem kann man aber umgehen, falls man einen weiteren Satellit zur Verfügung hat. Daher kann die Position und die Zeit mit den Signalen von drei Satelliten ermittelt werden, wobei dann die Höhe geschätzt wird (2-D). Hat man auch das Signal eines vierten Satelliten, kann sowohl die genaue Zeit, die Position als auch die Höhe des Empfängers bestimmt werden (3-D). 38

4 xx xx HSR Hochschule für Technik Rapperswil 6.3 GPS Empfänger Schemas und Bestückungspläne Abbildung 6.2: Bestückungsplan des GPS-Empfängers Position Beschreibung Wert Distributor Art. Nr. R1, R2 Chip-Widerstände, R Distrelec R3 Chip-Widerstände, R Distrelec R4 Chip-Widerstände, k Distrelec C1, C2 Kondensator, uf Farnell C3, C4 Kondensator, nf Distrelec T1 NPN-Bipolartransistor BC847 Farnell D1 LED, SMD PLCC-2 grün Farnell U1 u-blox GPS-Modul LEA-5 u-blox AG U2 ESD Schutzdioden, SOT23-6 USBLC6-2 Farnell U3 Spannungsregler 3.3 V, 250 ma MCP1701A Farnell J1 Mini USB B-Typ Farnell Gehäuse blau 100x50x25 mm Farnell Leiterplatte PCB-Pool USB-Kabel, USB B-Typ 1.8 m, grau Distrelec Nylon Abstandhülse L=10 mm Farnell Zylinderschrauben Polyamid M3x20 mm Distrelec Sechskantmuttern Polyamid M3 Distrelec Tabelle 6.1: Stückliste des GPS-Empfängers 39

5 Abbildung 6.3: Schema des GPS-Empfängers 40

6 Abbildung 6.4: Bestückungsplan der Zusatzschaltung Position Beschreibung Wert Distributor Art. Nr. C1 Keramikkondensator 100nF Farnell C2 Tantalkondensator 10uF Farnell LED1 LED grün Distrelec R1, R2, R4, R5 Chipwiderstand 100k Distrelec R3 Chipwiderstand 1k Distrelec U1 Mikrocontroller MSP430F2272IDA Farnell X1 microsd-card Sockel Farnell Tabelle 6.2: Stückliste der Zusatzschaltung 41

7 Abbildung 6.5: Schema der Zusatzschaltung 42

8 6.3.2 Installation der Software u-center Von der Firma u-blox AG existiert die PC-Software u-center, mit der die Daten des gebauten GPS-Empfängers angeschaut und ausgewertet werden können. Die aktuellste Version dieser Software kann von der folgenden Website kostenlos heruntergeladen werden: Das Installationsprogramm beinhaltet auch den USB-Treiber für den PC. Auch eine ausführliche Benutzeranleitung ist unter dem gleichen Link zu finden Aufzeichnen der Positionsdaten mit dem u-center Die Daten des GPS-Empfängers können im u-center in Echtzeit angeschaut werden. Unter Anderem können folgende Informationen angezeigt werden: aktuelle Position (Längen- und Breitengrad, Höhe über Meer) Fahrgeschwindigkeit genaue Zeit (Weltzeit, UTC) Satellitenpositionen Stärke der empfangenen Satellitensignale... Um den Empfänger mit dem u-center zu verbinden, geht man am besten folgendermassen vor: 1. Den GPS-Empfänger über das USB-Kabel mit dem PC verbinden. 2. Das u-center starten. 3. Im Menü unter Receiver Port COMx die entsprechende Schnittstelle wählen. Nun sollte in der unteren Leiste ein grünes Steckersymbol blinken und damit den korrekten Empfang der Daten signalisieren. im Sekundentakt Die Daten des GPS-Empfängers werden nun im u-center angezeigt und können nach Wunsch auch aufgezeichnet werden. Um die Aufzeichnung zu starten, klickt man Player Record. Danach öffnet sich ein Dialog, wo man einen Dateinamen für die Aufzeichnung eingeben kann. Die Aufzeichnung wird im Menü mit Player Stop gestoppt Anzeigen des zurückgelegten Weges in Google Map/Earth Die aufgezeichneten Daten können direkt aus dem u-center ins Google Map oder Google Earth Format exportiert werden. Die Daten werden wie folgt exportiert: 1. Zuerst muss sichergestellt werden, dass das u-center eine genügend grosse Anzahl an Positionen zwischenspeichern kann. Das heisst, im Menü auf Tools Preferences klicken und unter Database Maximum number of epochs die Zahl entprechend einstellen, z.b. 10 Mio. sollten genügen. 43

9 2. Die Daten aus einer Datei vollständig abspielen, d.h. im Menü auf File Open und dann auf Player Scan klicken. 3. Nun können die Positionen mit File Database Export Google Map oder Earth exportiert werden. Eine gute Alternative zum Exportieren der NMEA Rohdaten in das Google Earth Format ist GPS-Babel. Diesen findet man unter AssistNow Offline Satellitendaten aktualisieren Der GPS-Empfänger von u-blox verfügt über die sogenannte AssistNow Offline Funktionalität. Diese ermöglicht Informationen über die Satellitenbahnen im Empfänger abzuspeichern, womit die Satellitenpositionen auch über Tage hinweg noch sehr genau geschätzt werden können. Der Vorteil dieser Funktion ist, dass der Empfänger nicht mehr lange warten muss, bis er die entsprechenden Satellitendaten empfangen hat, sondern verfügt von Anfang an über alle nötigen Satellitendaten. Einerseits verkürzt sich die Zeit bis zur ersten Positionsbestimmung und andererseits resultiert dadurch eine höhere Positionsgenauigkeit. Hier sind die nötigen Schritte aufgelistet, um die Offline-Daten im GPS-Empfänger zu aktualisieren: 1. Den GPS-Empfänger über das USB-Kabel mit dem PC verbinden. 2. Das u-center auf dem PC starten. 3. Im Menü unter Receiver Port COMx die entsprechende Schnittstelle wählen. 4. Im Menü Tools AssistNow Offline wählen. 5. Ein Dialog öffnet sich. Nun muss Flash update und die gewünschte Zeitperiode gewählt werden Firmware Update des GPS-Moduls Die Firmware des GPS-Empfängers kann mit dem u-center aktualisiert werden. Eine neue Firmware bringt neue Funktionen und Verbesserungen für das GPS-Modul. Die Firmware findet man auf der u-blox Website: Zu beachten ist, dass der vorliegende GPS-Empfänger die Firmware für das LEA-5H Modul benötigt. Die neue Firmware wird nun wie folgt installiert: 1. Den GPS-Empfänger über das USB-Kabel mit dem PC verbinden. 2. Das u-center auf dem PC starten. 3. Im Menü unter Receiver Port COMx die entsprechende Schnittstelle wählen. Meistens entspricht die letzte aufgeführte Zahl dem eigenen Empfänger. 4. Die heruntergeladene ZIP-Datei in einem beliebigen Ordner entpacken. 5. Im Menü bei Tools Firmware Update u-blox 5/6 klicken. 44

10 6. Unter Firmware image die entzippte Datei angeben und USB alternative update method wählen, dann auf OK klicken Aufzeichnen der Positionsdaten mit der Zusatzschaltung Falls man am GPS-Empfänger die Zusatzschaltung angeschlossen hat, können die Positionsdaten (NMEA-Format) auch ohne PC aufgezeichnet werden. Sobald der GPS-Empfänger gespeist wird (z.b. über einem Akku-Pack), beginnt die Zusatzschaltung die Daten auf die eingesteckte microsd-card zu speichern. 45