Laptimes messen mit Racelogic GPS Technik

Liebe Alle,

mit GPS kann seit dem Jahr 2000 mit hoher Genauigkeit ein Bewegungsprofil eines sich schnell bewegenden Fahrzeugs erfasst werden. Voraussetzung: schnelle und sehr gute GPS-Engines, die Signalrauschen filtern können und beste mathematische Kenntnisse für die Berechnung der Hauptgrößen Speed und Heading und von daraus abzuleitenden Daten.


Das #GPS - #Global #Positioning #System - ist ein auf #31 #NAVSTAR Satelliten basierendes System, das vom #US-Verteidigungsministerium entwickelt wurde und betrieben wird. Die offizielle Bezeichnung ist „#Navigational #Satellite #Timing and #Ranging – #Global #Positioning #System“ (#NAVSTAR GPS ).


#NAVSTAR wird manchmal auch als Abkürzung für „Navigation System using Timing and Ranging“ genutzt. GPS wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb genommen.


GPS funktioniert seit 1995 auch für die zivile Nutzung: bei allen Wetterbedingungen, überall auf der Welt und 24 Stunden rund um die Uhr. Seit dem Jahr 2000 ist die #Selected #Availability (künstliche #Signalverschlechterung) deaktiviert und GPS kann seitdem zur exakten Messung von #Fahrzeugbewegungen genutzt werden.


Jeder der NAVSTAR Satelliten hat eine #Atomuhr an Bord und wenn man von mindestens drei Satelliten GPS Signale empfängt, kann ein GPS-Empfänger die Distanzen zwischen der eigenen Position und den Satelliten bestimmen. Durch #Triangulation errechnet der klassische #GPS-Empfänger nun seine Position.


Das heißt: Die Position wird minimal jede 1/10 s aktualisiert. So entstünde schon eine hohe #Genauigkeit bei der Erfassung eines sich schnell bewegenden Objekts. Doch reicht die rohe #Positionserfassung alle 1/10 s nicht aus, wirklich nötige #Genauigkeiten zu erreichen.



Erhöhung der relativen Positionsgenauigkeit von CEP 3 m stationär auf CEP <1 m bei Bewegung.


Methode:

Berechnung durch den Doppler-Effekt.


Würde man nun die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs alleine durch die rohe Positionsänderung berechnen, dann hätte man zuviel #Rauschen im Signal.


Bei der Bewegung des #Empfängers relativ zu den #Satelliten entsteht eine Verschiebung der #Signale (Änderung der Frequenz), der Dopplereffekt, und aus diesen minimalen Veränderungen errechnen die Racelogic-Systeme nun die Geschwindigkeit - und darauf basiert jede weitere Kalkulation.


Die Bewegungsrichtung (Heading) des Empfängers wird ebenfalls ermittelt und kann als künstlicher #Kompass oder zur Ausrichtung von #elektronischen Karten dienen.


Aus den Daten Geschwindigkeit und Heading leiten Racelogic Messsysteme dann alle weiteren Fahrdynamikdaten wie #Längs- und #Querbeschleunigung, #Kurvenradius, #Höhenprofil, relative #Position auf der #Strecke und #Drehrate mathematisch ab. #Kalmanfilter sorgen für eine zusätzliche #Reduktion des #Rauschens bei jedem #Messvorgang - reduzieren die #Responsivität aber kaum.


Die #Bewegungsdynamik wird nicht übermäßig geglättet. So entstehen die typisch "feinzackigen" Graphen für Speed und G-Forces - ein Qualitätsmerkmal für ein offenes und schnelles #GPS-Datarecording. Für die Datenanalyse stehen in den Softwares individuelle #Glättungsmöglichkeiten zur einfacheren Analyse zur Verfügung.


Fazit: die Messung mit der von Racelogic angewandten #Technologie erzielt eine ausgezeichnete Genauigkeit bei der Berechnung von #Fahrdynamikdaten.


Die langjährige Erfahrung mit GPS-Daten aus dem Feld Auotomotive-Entwicklung (Systeme wie #VBOX 3i bis 100 Hz Taktung und Inertialkorrektur) erlauben es Racelogic, auch mit unter 20 Hz getakteten Systemen die realistische Fahrdynamik sehr akkurat zu erfassen.



Allgemein:

#GPS-Empfänger mit Eignung für #Motorsporteinsätze finden sich aus Kostengründen auch nur in echten #Messtechniksystemen. GPS-Empfänger von Mobiltelefonen, Navigationssystemen oder Trackingsystemen (z.B. LKW/Logistik-Tracking) sind grundsätzlich nicht in der Lage, Rennfahrzeuge oder allgemein sich "dynamisch" bewegende Objekte realistisch in der Bewegung aufzuzeichnen. Sie sind weder responsiv genug, noch haben sie eine ausreichende Abtastrate für eine realistische Geschwindigkeits- und Richtungsangabe, zudem glätten sie die Daten meist sehr stark.



Detailwissen.

GPS basiert auf 31 Satelliten (effektiv 24), die mit kodierten #Radiosignalen ständig ihre aktuelle #Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den #Signallaufzeiten können hochwertigste GPS-Empfänger dann ihre eigene #Position und #Geschwindigkeit berechnen. Theoretisch reichen dazu die Signale von #drei #Satelliten aus, welche sich oberhalb ihres #Abschaltwinkels befinden müssen, da daraus die genaue Position und Höhe bestimmt werden kann.


GPS-Empfänger haben keine Uhr, die genau genug ist, um die Laufzeiten korrekt messen zu können. Deshalb wird tatsächlich das Signal eines vierten Satelliten benötigt, mit dem dann auch die genaue Zeit im Empfänger bestimmt werden kann.


Durch die in hohen Umlaufbahnen der Satelliten (mittlere Höhe 20.200 km) auftretenden relativistischen Zeiteffekte (die geringere Gravitation lässt die Zeit an Bord der Satelliten schneller verlaufen, als auf der Erdoberfläche) werden eingerechnet. Es gibt kaum atmosphärische Störungen, die GPS-Signale verzerren, dennoch verändert die #Ionosphäre die #Signalwellen – auch diese zu erwartende #Abbremsung wird bei sehr guten #GPS-Empfängern bereits eingerechnet. Alle von Racelogic verwendeten #GPS-Engines nutzen das #Messverfahren Code + Trägerphase mit reduziertem Signalrauschen.



Warum ist die GPS-Antennen Montage wirklich nur auf dem Fahrzeugdach richtig?

In den verwendeten #Frequenzbereichen breitet sich die #elektromagnetische Strahlung ähnlich wie sichtbares Licht geradlinig aus, wird dabei aber durch Bewölkung oder Niederschlag nicht beeinflusst (Ausnahme: starker #Eisregen, der für #Multipathing-Effekte sorgen kann). Dennoch ist auch aufgrund der geringen #Sendeleistung der GPS-Satelliten für den besten Empfang der Signale eine direkte Sichtverbindung zu mindestens 4 Satelliten erforderlich. Die typische Abschaltebene von < 10° verhindert, dass Signale von Satelliten empfangen werden, wenn sie zu tief am Horizont stehen.



Die richtige Antennenmontage reduziert Signalrauschen und erhöht die Genauigkeit.

Zwischen hohen Gebäuden oder nahe der #Boxengebäude kann es durch mehrfach reflektierte Signale (Multipathing Effects) auch zu #Ungenauigkeiten kommen, wenn die Sichtlinie zu den Satelliten häufig unterbrochen ist.


Zudem ergeben sich auch Schwierigkeiten bei ungünstigen #Satellitenkonstellationen, zum Beispiel wenn nur drei dicht beieinander stehende Satelliten aus einer Richtung zur #Positionsberechnung zur Verfügung stehen.


Für eine exakte Positionsermittlung sollten möglichst 4 Satellitensignale aus verschiedenen Himmelsrichtungen empfangbar sein.


Daraus folgt: Speziell auf #topographisch schwierigen #Strecken wie #Nordschleife und #Spa muss die Antenne möglichst horizontal und optimalerweise mittig auf dem Dach montiert sein.



Typische Fehler - im Rennsport leider immer noch häufig gesehen:


innen:

Speziell die Montage einer GPS-Antenne (die für den Außeneinsatz gedacht ist!) im #Fahrzeuginnenraum ist die schlechteste Position: Das #Fahrzeugdach schirmt Signale ab, #Dachsäulen sorgen für hohes Signalrauschen, der Fahrzeuginnenraum reflektiert ebenso Signale. Eine genaue Messung wird so fast unmöglich.


schräg, seitlich:

Antennen die außen, aber schräg montiert werden, schirmen ebenso Signale ab und empfangen Reflektionen z.B. vom Asphalt oder Fahrzeugkarosserie. Die Antenne ist horizontal polarisiert und greift so nur auf die wenigen Satelliten auf einer Seite des Fahrzeugs zu. Valide Daten sind Zufall.


2 oder mehrere Antennen eng beieinander:

GPS-Antennen stören einander. Die Signale für die Systeme verrauschen zusätzlich.

Minimaler Abstand muss 200 mm Radius zu einander sein.


Fehlender Leiter unter der Antenne als Abschirmung:

Fahrzeuge mit Kunststoffbody: Normale GPS-Antennen benötigen eine leitende Grundplatte von ca. 100 mm Radius. Das verhindert, dass Signale aus dem Raum unter der Antenne reflektiert werden und für erhöhtes rausche sorgen. CFK ist ein sehr guter Leiter. GFK leitet nicht.


Zulässige und nicht zulässige Montageorte am Rennfahrzeug:

Wer wirklich valide mit #GPS-Datenaufzeichnungssystemen arbeiten möchte, muss sich an diese Anbauhinweise halten - 90% aller Datenqualitätsprobleme, Systemaussetzern oder Fehlmessungen liegen an nachlässig montierten GPS-Antennen.

Daher setzen wir auch in unseren eigenen Rennfahrzeugen nur die beste Qualität ein: Racelogic Messsysteme !



Liebe Grüße

Jürgen Albert

Kfz.-Meister


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