Wissenswertes über GPS

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Grundlegende Dinge zum GPS System

• die Positionsbestimmung geschieht im Empfängermodul ausschließlich durch Berechnung von Laufzeiten der Signale der Satelliten bis zum Empfänger
• aus den Laufzeiten werden, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit = Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, Entfernungen gebildet
• wenn man die Entfernungen zu 3 Satelliten kennt und weiß, wo sich diese zum aktuellen Zeitpunkt befinden, kann man mit Hilfe der der Geometrie den Standort des Empfängers bestimmen

Wichtig beim letzten Satz ist die Aussage "wenn man den Standort der Satelliten kennt"
Daraus folgt, das GPS Empfängermodul muss den Standort der Satelliten zu jedem Zeitpunkt genau wissen!

Woher weiß das GPS Empfängermodul nun diese Standorte (nun, von Natur aus, also im Kaufzustand, ist es erst mal blöd und weiß nix)?
Weiterhin muss man wissen was denn die Sputniks so an Daten senden.

• 2 Dinge sind für unsere Betrachtung dazu wichtig:
  • 1. Die genaue Uhrzeit, sie stammt von einer Cäsium Atomuhr an Bord jedes Satelliten.
  • 2. Ephemeridendaten aller aktiven Satelliten, das sind die Umlaufdaten aus denen sich die Satellitenpositionen zur bestimmten Uhrzeit ergeben.

Diese Ephemeridendaten ergeben den sogenannten Almanach und genau dieser Datensatz muss dem GPS Empfängermodul vollständug vorliegen.

Der sogenannte Kaltstart Beim ersten Einschalten eines taufrischen GPS Empfängermoduls sucht dieses sich möglichts viele gut empfangbare Satelliten und saugt sich den Almanach herunter.
Das kann je nach Güte der Empfangsqualität schon bis zu 20 Minuten dauern.

Wenn erst mal ein Almanach gespeichert ist, wird dieser ständig beim Navigationsbetrieb aktualisiert.

Der sogenannte Warmstart Ist ein veralteter Almanach geladen, dauert eine Aktualisierung bei einem erneuten Einschalten des GPS Empfängermoduls so ca. 5 Minuten.

Der sogenannte Heißstart Ist ein aktueller Almanach gespeichert, ist das GPS Empfängermodul bei ausreichend sichtbaren Satelliten innerhalb weniger Sekunden Navigationsbereit.

Wie viele Satelliten reichen den aus?
Aus der 3dimensinalen Geometrie ergibt sich, das zu einer Positionsbestimmung im Raum 3 von bekannten Punkten ausgehende Streckenlängen zu einem Schnittpunkt führen der die neue Position darstellt.
Soll heißen, ich brauche grundsätzlich 3 gut empfangbare Satelliten.

Leider stimmt das nicht ganz, denn wegen der Laufzeitberechnungen brauche ich noch einen vierten Satelliten zur Zeitkorrektur. Die Erklärung wäre jetzt aber sehr komplex und führt zu einer algebraischen Rechnung mit 4 Unbekannten.

Also das Fazit:
Für eine 3dimensionale Positionsbestimmung brauche ich mindestens 4 gut sichtbare Satelliten.

Betrachtet man das mal geometrisch, wird man schnell zu der Überzeugung kommen, das eine derartige Positionsbestimmung nur genau sein kann, wenn die Positionen mindestens von 3 der an der Rechnung beteiligten Satelliten möglichst flache Winkel zueinander bilden.
Krasser Blödsinn wäre ja, wenn die 3 hintereinander auf einer Linie liegen würden, dann käme man nie zu einem Schnittpunkt.
Also ergeben sich gute und genaue Positionsberechnungen, wenn die 3 möglichst nahe am Horizont stehen und weit auseinander sind.

Erkenntnis:
In einem engen Tal oder auf einer Straße, wo der Horizont durch Berge oder Gebäude abgeschattet ist, gibt es ohne Korrekturmaßnahmen keine genauen Positionen!
Diese Korrekturmaßnahmen sind bodengestützte Systeme wie DGPS, oder Satelliten gestützte Systeme wie WAAS und EGNOS.
Im Graupner/SJ GPS werden keine Korrektursysteme verwendet!

Soweit zur grauen Theorie und einigen Fehlermöglichkeiten.

Was können wir denn nun machen um möglichst genaue Werte von unserem Graupner/SJ GPS zu bekommen?

• nach dem Kauf erst mal auf den neuesten FW Stand bringen!
• an einem Platz mit freier Rundumsicht auf den Horizont ca. 20 Minuten eingeschaltet lassen und nicht bewegen (Kaltstart).
• wenn wir dann zum Fliegen gehen wird das GPS erst mal eingeschaltet und in Ruhe gelassen, 5 Minuten sollten reichen (Warmstart).
• dann unmittelbar vor dem Flug noch einmal Aus- und Einschalten und warten, bis das Senderdisplay alle GPS relevanten Daten, also auch die Entfernung sinnvoll anzeigt (Heißstart).

Bei weiteren Flügen würde ich die Prozedur ab dem Warmstart wiederholen.

Bei längeren Pausen zwischen den Flugtagen und bei Ortswechsel über mehr als sagen wir mal 50-100km ist möglicherweise mit einer längeren Warmstartphase zu rechnen, da viele Daten im Almanach ungültig sind.

Eine gute Lösung des Problemes nochmal hier in Kurzform:
Wer also wirklich das GPS sinnvoll einsetzen möchte und den Trick mit dem Neustart des RX vermeiden möchte kann folgenden Umbau tätigen. Sinn der Aktion ist, dass das GPS bestromt ist und seine Initialisierungsroutine hinter sich hat bevor die Sensorik aktiviert wird.

• man nehme also ein Servoverlängerungskabel, trenne die Plusleitung auf und führe den Plus über einen kleinen zusätzlichen Schalter an den Empfängerakku.
• dieses Kabel kommt dann zwischen GPS und Telemetrieeingang.

• Eine Variante ohne Schalter mit einer mittels 2 Dioden entkoppelten Spannungsversorgung aus dem Sender-Reserveakku

ist hier auf der Seite von Rudy F. beschrieben.

Somit kann man das GPS eine Zeit vor dem Einschalten des Empfängers aktivieren und es kann dann in Ruhe alle nötigen Daten sammeln.
Wenn jetzt Sender und Empfänger eingeschaltet werden und der Sensorscan läuft, wird auch die aktuelle Position des GPS stimmen.
In vielen KFZ ist zum Beispiel der GPS Empfänger immer unter Spannung.

Das Problem ist, dass wir leider nicht bei der HoTT Telemetrie den Startpunkt per Knopfdruck neu nullen können, sondern es wird geloggt, sobald sich das GPS navigationsbereit meldet (Anmerkung zum Graupner GPS 33600: Ab Firmwareversion 1.25 ist die manuelle Nullung möglich).
Leider kommt diese Meldung in der Regel viel zu früh, nämlich sobald 4 Satelliten eingeloggt sind (für 3D NAV).
Die endgültige Genauigkeit baut sich aber erst mit der zunehmenden Anzahl der empfangenen Satelliten auf, das kann je nach Standort und Sicht auf den Himmel schon mal locker 5-10 Minuten dauern.

Für genaue Airspeedmessungen ist ein GPS nicht unbedingt geeignet.
Hier sind wie auch immer geartetes aerodynamisches Messverfahren immer z.B. ein Staurohr zur Differnzdruckmessung besser geeignet.

Sinnvoller Verwendungszweck:
GPS-Systeme in Coptern können ohne weiteres für das Abfliegen von vorprogrammierten "Ways", zum Anfliegen von "Waypoints" oder zum Halten der aktuellen Position sehr gut genutzt werden.

Beim System Graupner HoTT kann das GPS des weiteren unter Verwendung eines Android fähigen Gerätes mit GPS wie Tablet oder Smartphone und entsprechender Software Hott Viewer App oder DataExplorer App zur Suche von abseits gelandeten oder vermissten Modellen genutzt werden. Voraussetzung hierfür ein HoTT Sender mit Bluetoothmodul und/oder ein vollständiger Fluglog auf SD-Karte, weiteres dazu ist hier beschrieben.