GPS-Nutzung bei der Datenerfassung: das sollten Sie beachten

Dieser Artikel beschreibt die GPS-Technologie im Allgemeinen und erklärt, wie sie in der mobilen Datenaufzeichnung genutzt wird. Er beschreibt außerdem die verschiedenen Sensortypen, die an QuantumX, angeschlossen werden können, wie sie parametriert werden und wie in der Nachbereitung eine positionsbasierte Datenauswertung durchgeführt wird.

Positions- oder kartenbasierte Datenerfassung und auswertung

Positions- oder kartenbasierte Daten bieten signifikante Vorteile für die Auswertung der Daten, die in einem sich bewegenden Fahrzeug erfasst werden, denn sie liefern nachverfolgbare Ergebnisse in den erstellten Prüfberichten. Die Video-Funktion ist ein weiterer großer Vorteil. Wurden die Daten einmal automatisch aufgezeichnet, können sie jederzeit wieder abgespielt werden.

Der QuantumX Datenrekorder ist das ideale Werkzeug für die Datenerfassung – im Labor ebenso wie im mobilen Einsatz. Die Fähigkeit, GPS-Sensoren auszulesen und genaue Positionsinformationen aufzuzeichnen, ist die ideale Ergänzung zu den hochwertigen Analogeingängen, die mechanische, thermische und elektrische Messgrößen wie Dehnung, Druck, Beschleunigung, Drehmoment, Kraft, Temperatur, Weg und noch weitere auf der Erfassung der CAN-Bus-Signale basierende Informationen aufnehmen.

Die Erfassung der GPS-Daten bietet Ingenieuren die Möglichkeit, ohne großen Aufwand eine Korrelation zwischen den gemessenen Ergebnissen und Position oder Verhalten des Fahrzeugs zum jeweiligen Zeitpunkt herzustellen. Damit wird es auch einfach, positionsbasierte Daten auszulesen, die auf einem bestimmten Teil der Teststrecke oder einem Straßenabschnitt erfasst wurden, und diese mit früheren Aufträgen zu vergleichen.

Was ist GPS?

GPS steht für Global Positioning System und basierte ursprünglich auf dem US-Satellitensystem NAVSTAR. Es gibt auch ein von Russland betriebenes System mit Namen GLONASS. Das System der Europäischen Union heißt GALILEO (geplant für 2014, voll einsatzfähig 2019). China arbeitet an einem System mit Namen COMPASS (Navigationssystem BeiDu-2, geplant für 2015, voll einsatzfähig 2020).

Ein GPS-Sensor empfängt die folgenden Informationen von Satelliten, die die Erde auf Umlaufbahnen umkreisen:

  • Position auf der x-, y- und z-Achse (Längengrad, Breitengrad und Höhe)
  • Zeit (auch als codiertes direktes PPS-Signal)
  • Anzahl sichtbarer Satelliten

Einige GPS-Sensoren bieten zusätzlich auch berechnete Informationen wie beispielsweise die Geschwindigkeit. Aufgrund der Weiterentwicklung der Siliziumtechnologie ist absehbar, dass GPS-Sensoren in Zukunft noch wesentlich mehr Informationen liefern werden. Moderne inertiale Messeinheiten („Inertial Measurement Units“, IMU) führen eine Feinabstimmung oder Interpolation der GPS-Informationen mit zusätzlichen lokalen Sensoren durch, beispielsweise für Beschleunigung, Drehraten und Temperatur, und liefern zusätzliche Winkeldaten (Nick-, Roll-, Gierwinkel) mit einer höheren Datenrate.

Derzeit brauchen GPS-Sensoren noch freie Sicht zum Himmel, sie müssen zum Beispiel oben auf dem Dach eines Fahrzeugs mit Rundumsicht zum Himmel montiert sein, um die maximale Anzahl von Satelliten zu erreichen.

Die Logger-Software kann danach anhand der Positionsdaten die zurückgelegte Strecke, Richtung, Beschleunigung und so weiter berechnen.

Mit Hilfe von GPS werden Längen- und Breitengrad einer bestimmten Position exakt berechnet. Grundlage des GPS-Systems ist ein Netz aus vielen Satelliten, die die Erde innerhalb von 24 Stunden zweimal umkreisen. Die exakte Umlaufbahn der Satelliten und die Tatsache, dass sie äußerst genaue Uhren verwenden, ermöglicht eine exakte Triangulation der Position von Fahrzeugen oder Benutzern. Jeder Satellit sendet seine exakte Position und ein sehr genaues Zeitsignal. Das für GPS benötigte genaue Zeitsignal wird dem Satellitensystem von Atomuhren im U.S. Naval Observatory bereitgestellt, sodass das gesamte System vollständig synchronisiert arbeitet.

Wer nutzt GPS?

GPS steht in vielfältiger Weise für die Navigation von Fahrzeugen jeder Art sowie für Freizeitaktivitäten wie Wandern oder Radfahren zur Verfügung. Moderne Smartphones und Digitalkameras werden immer häufiger mit eingebauten GPS-Sensoren angeboten. Meteorologen nutzen es für die Wettervorhersage. Geologen nutzen es als hochgenaue Untersuchungsmethode oder zur Messung tektonischer Bewegungen in Erdbebenstudien.

In Verbindung mit dem QuantumX Datenrekorder wird GPS hauptsächlich in der Bewegungsanalyse von Fahrzeugen wie PKW, LKW, Bussen, Motorrädern, Fahrzeugen im Materialumschlag, Erntemaschinen, Zügen, Flugzeugen usw. eingesetzt.

Erhältlich sind hochdynamische Trägheitssensoren mit GPS und integrierte Sensoren für Spezialanwendungen wie die kinematische Untersuchung und Validierung von Fahrzeugen nach genormten Prüfungen, z. B. ISO4138, ISO7401, ISO7975 oder ISO3888-2 – besser bekannt als „Elchtest“.

QuantumX ist ein Engineering-Werkzeug für Mess- und Prüfaufgaben, das analoge und digitale Daten jeder Art und außerdem Bus-Signale über CAN, CCP oder XCP-on-CAN erfassen kann, zum Beispiel „Raddrehzahl vorn links“, und dies parallel zu und in Korrelation mit der Fahrzeugposition (GPS) und Videodaten.

Wie funktioniert GPS?

GPS ist ein satellitengestütztes Navigationssystem, das mit 29 Satelliten arbeitet (mindestens 24 Satelliten müssen aktiv sein). Der vollständige Name des Systems ist „Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System – NAVSTAR-GPS“. Ursprünglich wurde dieses System vom US-Verteidigungssystem entwickelt. Das System wurde 1995 offiziell in Betrieb benommen. Alle Satelliten kreisen auf einer exakten Umlaufbahn, sodass von jeder Position auf der Erde Signale von 6 bis 10 Satelliten und jeweils mindestens 4 gleichzeitig empfangen werden können. Jeder GPS-Satellit sendet Daten im C/A-Code in dem für zivile Zwecke vorgesehenen Frequenzband L1 mit 1575,42 MHz. Neben Position und Zeit wird auch ein spezieller Satellitencode gesendet, um die Signale klar von anderen Satelliten unterscheiden zu können. Der GPS-Empfänger decodiert diese Signale (CDMA). Der hochpräzise P/Y-Code für militärische Zwecke ist nicht öffentlich zugänglich.

Wenn der GPS-Sensor Signale von mindestens 3 Satelliten empfängt, kann die Position – Längen- und Breitengrad – präzise vom Sensor analysiert werden. Mit 4 Satelliten kann zusätzlich auch die Höhe (= Höhe über Normal-Null) berechnet werden. In der Luftfahrt dient die „Höhe“ im Allgemeinen dazu, die Entfernung des Sensors über dem Boden zu messen. Je mehr Satelliten, desto höher ist die Genauigkeit. Wenn das QuantumX-System und der GPS-Sensor zum ersten Mal eingeschaltet werden, beginnt das System, nach Satelliten zu suchen. Dies kann bis zu 5 Minuten dauern. Nach der Initialisierung benötigt das GPS üblicherweise weniger als eine Minute, um alle Signale abzurufen. Die Software prüft dies.

Wie genau ist GPS?

Die Positionsgenauigkeit hängt von vielen Faktoren ab. Je mehr Satellitensignale der GPS-Empfänger erfasst, desto besser ist das Signal normalerweise. Auch die Position der Satelliten und somit das Energieniveau des empfangenen Signals beeinflussen die Genauigkeit. Wenn sich ein Hindernis zwischen dem Satelliten und dem Sensor befindet, beispielsweise ein großes Gebäude, kann dies zu Ungenauigkeiten durch nicht empfangbare oder reflektierte Signale führen. Ein Standard-GPS-Sensor erreicht im Allgemeinen Genauigkeiten von weniger als 10 m / Yards.

Anschließen eines GPS-Sensors an QuantumX

Für den Anschluss eines GPS-Sensors an QuantumX stehen zwei Schnittstellentypen zur Verfügung.

  • RS232 / DSub-9
    • QuantumX-Schnittstelle: RS232 direkt am Datenrekorder CX22 / CX22B-W
    • Sensor überträgt Daten nach dem Standard NMEA 0183
    • Aktualisierungsrate: 1…5 Hz
  • CAN-Bus
    • QuantumX-Schnittstelle: MX840 / MX840A (Kanal-Nr. 1) oder  MX471 (Kanal-Nr. 1-4)
    • Sensor überträgt Daten über CAN-Bus
    • Aktualisierungsrate: 20 – 200 Hz

RS232-basierte GPS-Sensoren (Protokoll NMEA 0183)

Auswahl:

  • NAVILOCK NL-403P mit Magnetfuß       
  • GARMIN GPS18-5 Hz
  • GARMIN GPS35 tracpak
  • VBSS 5/10/20/100 Hz

GPS-Sensoren dieses Typs verfügen über eine eingebettete Antenne und bieten eine Aktualisierungsrate von 1 bis 5 Hz bei geringer Leistungsaufnahme. Die RS232-Schnittstelle (Buchse) mit 9-poligem DSub-Anschluss kann direkt in den QuantumX Datenrekorder eingesteckt werden. Der Empfänger kann bis zu 12 Satelliten verfolgen. Dieser Sensortyp ist für Fahrzeuge wie Züge oder Schiffe geeignet, die sich langsamer bewegen oder nicht so wendig sind.

Ein zusätzliches Stromkabel kann an einen Zigarettenanzünder (6 … 40 V Gleichspannung) angeschlossen werden.

Der Sensor befindet sich in einem wasserfesten Gehäuse und arbeitet in einem Temperaturbereich zwischen -30 und 80 °C.

HINWEIS: EGPS-5HZ von HBM Somat ist mit einem M8-Stecker ausgestattet.

Anschlussbelegung für RS232 / NMEA (DSub-9)


 

 

DSub-9

Racelogic

VBSS

GARMIN
GPS18-5 Hz

GARMIN

GPS35 tracpak

Pin / Signal

Signal

Signal

Signal

1

-

red

red

2 / RX

8 / TX

white

white

3 / TX

1 / RX

green

blue

4

-

-

-

5

9

-

-

6, 7, 8, 9

-

-

-

USB-basierter GPS-Sensor 

Außerdem gibt es einen USB-basierten Sensor, der von catmanEASY unterstützt wird – bitte entsprechend anfragen.

Schrittweise Anleitung zum Parametrieren des RS232-basierten GPS-Sensors

  1. Schließen Sie den GPS-Sensor an die RS232-Schnittstelle Ihres CX22 / CX22B-W an.
  2. Starten Sie die Software auf dem Datenrekorder, und öffnen Sie den Dialog „Configure device scan“ (Geräte-Scan einrichten).

  1. Aktivieren Sie die Registerkarte „Manual devices“ (Manuelle Geräte), und fügen Sie „New device“ (Neues Gerät) hinzu. 

  1. Konfigurieren Sie den Anschluss in folgender Weise, sofern im GPS-Datenblatt nicht anders angegeben.

  1. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen „Consider manual devices“ (Manuelle Geräte berücksichtigen).

  1. Starten Sie ein „New DAQ project“ (Neues DAQ-Projekt). 
  1. Alle Geräte werden automatisch gescannt.

Der folgende Screenshot zeigt die Kanalliste mit einem QuantumX-Modul und den GPS-Signalen für Breitengrad, Längengrad, Höhe, Geschwindigkeit und Zeit, die von dem RS232-basierten GPS-Sensor bereitgestellt werden.

HINWEIS: Mindestens ein QuantumX-Modul muss das Zeitsignal bereitstellen. Alle GPS-Signale werden dann auf diese Zeitgruppe bezogen.

CAN-basierte GPS-Sensoren

Prinzipiell kann jeder GPS-Sensor, der diesen Bus-Standard bietet, an QuantumX angeschlossen werden.

Die Module MX840, MX840A und MX471 bieten eine mit ISO 11898 kompatible Hochgeschwindigkeitsverbindung über den CAN-Bus. Die Bus-Übertragungsraten können entsprechend dem Datenblatt angepasst werden. Als Datenformat stehen Motorola oder Intel zur Verfügung. Bei MX471 kann der Abschlusswiderstand des Bus über die Software geschaltet werden. Bei Verwendung von MX840 oder MX840A muss er in den Stecker gelötet werden.

Schrittweise Anleitung zum Parametrieren von CAN-basierten GPS-Sensoren

  1. Schließen Sie den GPS-Sensor an einem privaten CAN-Bus-Knoten wie folgt an:
    MX471: Kanal 1 bis 4 oder
    MX840 / MX840A: Kanal 1
    Hinweis: Beachten Sie, dass Sie den CAN-Bus auf der QuantumX-Seite möglicherweise mit einem Widerstand abschließen müssen (MX840A im Stecker, MX471 über Software-Befehl).
  2. Wechseln Sie zur Sensor-Datenbank: Importieren Sie die dbc-Datei von dem GPS-Sensor.
  3. Wechseln Sie zur Kanalübersicht: Ziehen Sie die dbc-Datei per Drag-and-Drop auf den Kanal, und konfigurieren Sie den CAN-Knoten.
    Datenrate: 500 kBit, Abschluss ist „ON“ (EIN)
  4. Optional können Sie Signale über eine numerische Anzeigefunktion darstellen, in der die Position in geografischem Format angegeben wird: Grad.Minuten.Sekunden.

HINWEIS: Mindestens ein QuantumX-Modul muss das Zeitsignal bereitstellen. Alle GPS-Signale werden dann auf diese Zeitgruppe bezogen.

Positions- oder kartenbasierte Datenerfassung und -auswertung

Fehlersuche und -behebung beim CAN-basierten GPS-Sensor von Racelogic

Wenn GPS-Daten fehlen, analysieren Sie den GPS-Sensor mit der VBSS-Software.

  1. Schließen Sie den GPS-Sensor über RS232 an Ihren PC an, und prüfen Sie, ob er korrekt arbeitet.

  1. Öffnen Sie die Registerkarte „CAN“, prüfen und ändern Sie bei Bedarf die folgenden Parameter:
    Baudrate: 500 kBit (Standard)
    Bus-Abschluss für CAN-Bus: Active Termination = ON (Aktiver Abschluss = EIN), Sensorseite mit 120 Ohm
    CAN-Iidentifier: 0x301 … 0x307
    Identifier-Format der CAN-Nachricht: Standard 11 Bit
    Protokollieren Sie für sich jede durchgeführte Änderung. Klicken Sie auf „Write Settings“ (Einstellungen schreiben), damit die Änderung dauerhaft wirksam wird.

  1. Konfigurieren Sie den Analog-Gleichspannungsausgang des Sensors (BNC-Stecker) für Fahrzeuggeschwindigkeit (wie gezeigt), Querbeschleunigung, Längsbeschleunigung oder Rundensignal („Lap Beacon“, ein digitaler Impuls beim Überqueren einer „virtuellen“ Start- bzw. Ziellinie basierend auf den GPS-Daten für die Rundenzeitberechnung in einem Rennen).

Positions- oder kartenbasierte Auswertung in der Nachbereitung

Sie können alle Ihre Daten mit dem leistungsfähigen grafischen Datenaufbereitungs-Werkzeug GlyphWorks von HBM nCode anzeigen und automatisch mittels mathematischer Funktionen auswerten.

Das Paket Synchronized Displays (Synchronisierte Anzeigen) stellt Ihnen die erforderlichen Werkzeuge bereit, um weltweite GPS-Daten mit Microsoft MapPoint auf einer Karte darzustellen oder die Exportfunktion nach Google Earth zu nutzen.

Auf mehreren Anzeigetypen können alle Eingänge von Sensoren oder Busdaten sowie die exakte Position und sogar Videos synchronisiert dargestellt werden.

Die Funktion, mit der Sie einfach per Mausklick aus Hunderten von Feldtests auf einer Seite zusammengefasste Analyseberichte im PDF-Format erstellen können, macht die Software zur perfekten Unterstützung für alle Engineering-Aufgaben.

Abbildung: GlyphWorks – Anzeigen und Auswerten von Messdaten mit Zoom-Funktion auf den für Sie relevanten Datensatz für Auswertungen im Zeit- oder Frequenzbereich.

Abbildung: GlyphWorks – Datenauswertung in einem grafischen Prozess mit mathematischen Aufgabenstellungen. Von links nach rechts: Datenpool, Berechnung von Geschwindigkeit, Time-at-Level-Analyse von Beschleunigung und Geschwindigkeit, FFT-Berechnung, Karte

Abbildung: GlyphWorks – Der automatisch erzeugte Gesamtbericht (Beispiel) greift alle Aspekte Ihrer Prüfung auf: Metadaten, Daten, GPS und Position, Auswertung usw.

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