Informationen zu GPS/GNSS

Überblick über GPS/GNSS

Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem, das vom US-Verteidigungsministerium aufgebaut wurde und Positionsinformationen bereitstellt. GPS war ursprünglich für Anwendungen des US-Militärs vorgesehen, 1980 haben die US-amerikanischen Regierungsbehörden das System jedoch für zivile Zwecke zur Verfügung gestellt. Da GPS ein wichtiges weltweites System ist, kamen andere ähnliche Satellitensysteme auf den Markt. Diese Systeme werden zusammen als Global Navigation Satellite Systems (GNSS) bezeichnet. Beispiele anderer GNSS sind das russische GLONASS, das europäische GALILEO und das chinesische Beidou. Im Zuge der Erlangung einer vollständigen Funktionalität führten viele Hersteller von GNSS-Empfängern Geräte auf dem Markt ein, die mehrere GNSS nutzen, um die Anzahl der verfügbaren Satelliten zur Erzielung einer höheren Genauigkeit und zuverlässigen Positionsbestimmung zu steigern.

GPS/GNSS beruht auf der Trilateration. Jeder Satellit in einem System übermittelt kontinuierlich Nachrichten, die die Uhrzeit, zu der die Nachricht gesendet wurde, präzise Orbitalinformationen sowie die Umlaufbahnen sämtlicher Satelliten im System (da Almanach) enthalten. Ein GPS/GNSS-Empfänger berechnet seine Position durch eine präzise Zeitmessung dieser Nachrichten von mindestens vier Satelliten.

GPS/GNSS-Kommunikationsprotokoll (NMEA)

Positionsinformationen von GPS/GNSS-Empfängern können in vielen verschiedenen Formaten abgerufen werden. Eines der am häufigsten unterstützten Protokolle ist der NMEA-Standard 0183 (National Marine and Electronics Association). NMEA ist eine elektrische und Datenspezifikation für die Kommunikation zwischen marineelektronischen Geräten einschließlich GPS/GNSS-Empfängern. Es verwendet ASCII-Text in einem Satzformat, um Daten von einem Talker an mehrere Listener gleichzeitig zu übertragen. Der Standard definiert außerdem das Format der einzelnen Sätze. Für die serielle Kommunikation gibt NMEA eine Schnittstellengeschwindigkeit von 4800 Baud (38400 für die High-Speed-Spezifikation) mit 8-Bit-Daten, ohne Parität und einem Stop-Bit an. Hierbei ist zu beachten, dass zwar viele, aber nicht alle GPS/GNSS-Empfänger an diese Spezifikation halten. Es ist wichtig, die Dokumentation des Herstellers des Empfängers zu lesen, um sich mit dem Gerät vertraut zu machen.

NMEA-Sätze

Im Allgemeinen weisen NMEA 0183-Sätze die folgende Struktur auf:

  1. Der Anfang des Satzes ist durch ein Dollarzeichen ($) gekennzeichnet.
  2. Ein Adressenfeld mit fünf Zeichen, die aus folgenden Elementen bestehen:
    1. Eine aus zwei Zeichen bestehende Talker-ID. Bei GPS/GNSS-Sätzen setzt sich die Talker-ID im Allgemeinen folgendermaßen zusammen: GP für GPS-Informationen, GL für GLONASS-Informationen und GN für gemischte GPS- und GLONASS-Informationen.
    2. Ein aus drei Zeichen bestehender Satzformatierer.
  3. Ein oder mehrere Datenfelder, die durch Kommas getrennt sind.
  4. Ein Prüfsummentrennzeichen und -wert.
  5. Satzabschlusszeichen (Zeilenumbruch und Zeilenvorschub).

ArcGIS for Windows Mobile unterstützt fünf Standard-NMEA 0183-Satzformatierer:

Herstellen einer Verbindung zu einem GPS/GNSS-Empfänger

Damit ArcGIS for Windows Mobile einen GPS/GNSS-Empfänger verwenden kann, ist ein serieller Port, physisch oder virtuell, für die Verbindung der Anwendung erforderlich. Diese Verbindung kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden und variiert von Gerät zu Gerät, entspricht in der Regel jedoch einer der folgenden Verbindungen:

Lesen Sie die Dokumentation des Herstellers des Receivers, um sich mit dem Gerät vertraut zu machen.

GPS/GNSS-Simulator

ArcGIS for Windows Mobile unterstützt neben der Verbindung zum Server auf die Wiedergabe von NMEA-Sätzen, die in einer ASCII-Textdatei gespeichert sind. Diese Sätze können durch die Client-Anwendungen protokolliert oder aus anderen Quellen abgerufen und später zu Testzwecken erneut wiedergegeben werden.

GPS-Genauigkeit und Qualitätsfilter in ArcGIS for Windows Mobile

Die Position ist nicht 100-prozentig genau. Es liegen zahlreiche Fehlerquellen vor, entweder seitens des Systems oder seitens der Umgebung, beispielsweise, wenn man unter Bäumen oder in der Nähe von Gebäuden steht, und die Hindernisse für Satelliten darstellen. Daher wird die Genauigkeit und der Nutzen eines GPS-Systems von zahlreichen Faktoren bestimmt. Je nach Anforderungen der Anwendung müssen Hardwarefunktionen, DGPS-Verfügbarkeit und Umgebungsbedingungen bei der Auswahl eines GPS-Systems berücksichtigt werden. Das autonome (in sich abgeschlossene) GPS-System liefert eine Genauigkeit zwischen 5 bis 10 Meter, was ideal für die Navigation und für Positionsbestimmungen im großen Maßstab geeignet ist. Zur Verbesserung der Genauigkeit des autonomen GPS-Systems bieten einige Geräte viele differentielle GPS-Technologien, anhand derer Benutzer Fehler beseitigen und die Genauigkeit verbessern können. Die häufig kostenlos zu verwendende differentielle Korrektur stammt aus dem Satellite Based Augmentation System (SBAS). In den Vereinigten Staaten ist das Wide Area Augmentation System (WAAS) ein Typ von SBAS-Systemen. Sobald das Gerät WAAS aktiviert und einen DGPS-Fix-Typ empfängt, kann die Genauigkeit zwischen 2 und 5 Meter liegen.

Zudem wirkt sich die Geometrie von GPS-Satelliten auf die Genauigkeit aus. Die Messung dieses Effekt wird als Dilution of Precision (DOP) bezeichnet. Aus unterschiedlichen Perspektiven beinhaltet es Positional (3D) Dilution of Precision (PDOP), Horizontal Dilution of Precision (HDOP) usw. Ein Wert ist ideal für DOP, und je höher er ist, desto schlechter. DOP-Werte von 1 bis 5 sind für die meisten Anwendungen ausreichend. Wenn das Gerät über zusätzliche Funktionen des russischen GLONASS verfügt, kombiniert es GPS und GLONASS, um den DOP-Wert durch eine höhere Satellitenverfügbarkeit zu verbessern.

Ein niedrigerer PDOP-Wert mit einem besseren GPS-Fix-Typ bedeutet GPS-Positionen von höherer Qualität. Der Kompromiss besteht darin, dass die Nutzung der Positionsbestimmung reduziert werden kann. ArcGIS for Windows Mobile stellt den GPS-Qualitätsfilter als Werkzeug zur Verfügung, das die Flexibilität bietet, im schwächeren Modus mit mehr Genauigkeit oder im stärkeren Modus mit geringerer Genauigkeit zu arbeiten. Ein Navigationssystem sollte normalerweise so optimiert werden können, dass es in einer schwierigen GPS-Umgebung die bestmöglichen Ergebnisse, statt ein Höchstmaß an Genauigkeit liefert. Bei der Auswahl des idealen GPS-Systems für Ihre Außendienstanwendung ist es wichtig, über die Anforderungen an die Genauigkeit und die Nutzung im Bilde zu sein, bevor Sie eine Kaufentscheidung treffen, da der Erfolg Ihrer mobilen Bereitstellung erheblich davon abhängt.

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11/5/2013