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Arduino mit GPS

Das Global Positioning System (GPS) ist die Grundlage aller modernen Navigations-und Ortungssysteme im Bereich der Land-, Luft- und Seenavigation. Es ist ein satellitengestützter Mobilfunkdienst, der in den 70er-Jahren vom amerikanischen Verteidigungsministerium für militärische Zwecke aufgebaut wurde und noch heute unterhalten wird. Das System besteht aus 24 Satelliten, die auf sechs kreisförmigen Bahnen im 24-Stunden-Rhythmus in einer Entfernung von rund 20.000 km um die Erde kreisen.

von Ulli Sommer

Diese Anordnung stellt sicher, dass immer mindestens das Signal von vier Satelliten erfasst werden kann. Das ermöglicht die Positionsberechnung mittels Triangulationsprinzip (mind. drei Satelliten). Hierbei können über geometrische Berechnungen die Entfernungen zum Satelliten anhand der Signallaufzeit berechnet werden. Da die Position der drei Satelliten bekannt ist, kann damit die Position bestimmt werden. Jeder Satellit sendet 50-mal pro Sekunde drei verschiedene Signale: den Pseudo-Zufallscode (zur Positionsbestimmung), das Almanach-Signal (Satellitenstandort) und das Zeitkorrektursignal (Zeitbestimmung).

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Der Pseudo-Zufallscode wird auf zwei unterschiedlichen Frequenzen ausgesendet. Der eine ist für die militärische Nutzung, der zweite für die zivile Nutzung vorgesehen.
Für die zivile Nutzung wurde das Signal bis Mai 2000 mit einem künstlichen Timing-Fehler versehen, der die Genauigkeit der Positionsbestimmung auf ca. 100 m beschränkte.

Am 2. Mai 2000 um 5:05 Uhr wurde die Signalverschleierung (selective availability - SA) dann abgeschaltet.

Mit mathematischen Funktionen im Empfängerteil hochwertiger GPS-Receiver konnte der Timingfehler in den Jahren bis 2000 jedoch auch korrigiert werden, sodass eine Genauigkeit von 20 bis 30 m machbar war.

Heute ist die Genauigkeit der Positionsbestimmung durch die Aufhebung der Signalverschleierung für die zivile Nutzung mit 5 m bis 25 m Abweichung - je nach verwendetem GPSEmpfänger - für die einfache zivile Nutzung mehr als ausreichend.

Je nach Stellung der Satelliten am Himmel ist die Qualität des GPS-Signals jedoch auch stark zeit- und ortsabhängig. Für die Güte der Satellitengeometrie wird der DOP-Wert angegeben - H-DOP für den horizontalen Wert und V-DOP für den vertikalen Wert (dieser ist jedoch im Bereich der Straßennavigation nicht weiter von Bedeutung).

So sind H-DOPWerte unter 4 sehr gut, über 8 jedoch schlecht. Die H-DOP-Werte werden schlechter, wenn sich die empfangenen Satelliten hoch am Himmel befinden. VDOP- Werte hingegen sind eher schlechter, wenn sich die Satelliten sehr nah am Horizont befinden. Die H-DOP- und V-DOP-Werte werden im NMEA-Satz $GPGSA ausgegeben.

GPS-Signale werden in einem sehr hohen Frequenzbereich (~1,5 GHz) ausgesendet, um die weiten Distanzen problemlos zurückzulegen. Nachteil der hohen Frequenzen ist die leichte Abschirmbarkeit der Signale bei fehlender Sichtverbindung zum Himmel, z. B. in Gebäuden. Zur Nutzung von GPS-Signalen in Gebäuden gibt es mittlerweile Spezialantennen und Empfänger, die einen Empfang in Gebäuden ermöglichen.

Deshalb sollte beim Aufbau eigener GPSAnwendungen vor allem auf eine hohe Qualität der Antenne und einen empfindlichen Empfänger geachtet werden.

Künftig wird vor allem Galileo, ein GPS-System der Europäischen Gemeinschaft, das mittlerweile veraltete GPS-System der Amerikaner revolutionieren und der bestehenden Abhängigkeit der EU begegnen.

Wie viel Satelliten sind notwendig?

Es reichen drei Satelliten, um die genaue Position und Höhe bestimmen zu können. Dies setzt jedoch eine genaue Zeitvorgabe voraus. In der Praxis verfügt die Mehrzahl der GPS-Empfänger nicht über eine Uhr, die genau genug wäre, daraus die Laufzeiten korrekt berechnen zu können.
Deshalb wird meist das Signal eines vierten Satelliten herangezogen, um die Position möglichst genau zu bestimmen. Drei Satelliten reichen jedoch stets aus, um die genaue 2D-Position (ohne Höhe) zu ermitteln.

Wie schließe ich das GPS an Arduino an?

GPS-Module sind inzwischen preiswert mit RS-232-Schnittstelle für Mikrocontroller erhältlich. Meist jedoch besitzen sie einen Mini-DIN-Stecker und es liegt zudem keine Pinbelegung bei. Im Internet auf der Herstellerseite findet man unter Download oder Support meist die Datenblätter mit den jeweiligen Steckerbelegungen.

Beachten Sie auf jeden Fall, dass es zwei Empfängertypen gibt. Einige Empfänger haben bereits einen RS-232-Spannungspegel von ±12 V und können ohne einen Schnittstellenwandler nicht direkt an unseren Mikrocontroller angeschlossen werden. Sie müssen erst den Pegel mittels MAX232 auf TTL-Pegel von 5 V bringen, da sonst der Controller zerstört würde.

Die Mäuse arbeiten meist mit einer Baudrate von 4.800 Baud. Sie können aber mit der vom Chipsatz-Hersteller angebotenen Software, z. B. von der Firma SIRF, auf eine andere Baudrate und auf das gewünschte Protokoll umgestellt werden.

Das folgende Beispiel wertet den seriellen Datenstrom über die Hardware-UART-Schnittstelle aus. Der TxD-Pin der GPS-Maus muss an Digital-Pin 0 angeschlossen werden. Beim Programmieren von Arduino muss man diese Verbindung trennen, da sonst keine Kommunikation stattfindet und das Programmieren fehlschlägt.

Beachten Sie auch, dass die Masseverbindung der Maus gleich der des Experimentierboards sein muss!

TIPP:
Sollte man seine Maus dennoch einmal so verstellt haben, dass sie nicht mehr funktioniert, hilft es, die kleine eingebaute Speicherbatterie kurz zu trennen und dann wieder anzulöten. Damit ist die GPS-Maus auf Werkseinstellungzurückgesetzt.