Design-Kriterien für ein zuverlässig funktionierendes GPS-System

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GPS-Signale und Hintergrundrauschen

Die saubere Antennenanbindung und die Antenne selbst sind ein weiteres Thema. Dabei sollte man stets daran denken, dass es sich bei den von den GPS ausgesendeten Signalen um sehr schwache Signale handelt, die sich eigentlich im natürlichen Hintergrundrauschen verstecken. Je besser die Antenne, d.h. je höher deren Verstärkung und je geringer deren Rauschzahl und je besser die Anbindung der Antenne an das GPS-Modul ist, desto besser wird die Leistung des GPS-Empfängers ausfallen. Oder andersherum ausgedrückt: Was bei einer schlechten Antenne bzw. bei nicht optimaler Sicht der Antenne zu den Satelliten verloren geht, kann nicht wiedergewonnen werden.

Natürlich sind heutige Empfänger äußerst empfindlich. Jedoch ist zu berücksichtigen, dass auch der Einbauort selbst (z.B. im Fahrzeuginneren) und dann der aktuelle Aufenthaltsort des Fahrzeugs (z.B. in einem Parkhaus) die Signale bereits abschwächen. Kommt jetzt noch eine schlechte Antenne und eine schlechte Anbindung hinzu, kann das dann dazu führen, dass selbst der empfindlichste Empfänger keine Position mehr ermitteln kann. Oftmals geht es auch um die Nutzung von aktiven Antennen (diese besitzen typisch einen SAW-Filter und einen LNA) oder passiven Antennen.

Steckverbinder möglichst vermeiden

Zunächst muss darauf geachtet werden, für welche Art von Antennen der Empfänger entworfen ist. Bei einer externen, aktiven Antenne dämpft die Leitung die Signale. Ein typischer Dämpfungswert ist 1dB pro Meter; 3 m Kabel halbieren also die Signalstärke. Steckverbindungen sollten vermieden werden bzw. für die GPS-Frequenz (1575 MHz) passen. Auch die Signalleitung selbst sollte eine Impedanz von 50 Ohm aufweisen. Dazu werden meist wertvolle Hinwiese in den Datenblättern gegeben. Die Leitung sollte gerade und möglichst kurz sein. Bei der Nutzung interner, dann meist passiver Antennen sind drei Punkte äußerst wichtig: Die Antenne muss auf ihre Umgebung abgestimmt sein, sie benötigt eine zu ihr passende Masseebene und ihre Umgebung sollte frei von eventuellen Störern sein.

Gerade die letzten beiden Punkte sind oftmals schwierig zu realisieren, da auch Telematikboxen immer kompakter werden. Darüber hinaus sollte von vornherein die Einbaulage der Box bekannt sein, um so die bestmögliche Antennenposition auswählen zu können. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, ob die Lage immer gleich ist? Unterschiedliche Einbaupositionen können Einfluss auf die Auswahl des Antennentyps haben. Wenn die Einbauposition unbekannt ist, muss die Antenne Signale aus allen Richtungen empfangen können – also bleibt nur eine omnidirektionale Lösung.

Niedriger Energieverbrauch ist Pflicht

Zunehmend wichtig ist geringer Stromverbrauch einer Telematikbox. Während die ersten Anwendungen problemlos aus großen LKW-Batterien kontinuierlich versorgt werden konnten (sogar, wenn die Zündung aus war), wird heute durch die vielen elektrischen Verbraucher in einem Fahrzeug Wert auf niedrigsten Verbrauch gelegt. Noch mehr in den Mittelpunkt rückt die Forderung bei Anwendungen, die ihre Versorgung aus einer eigenen, natürlich möglichst kleinen und leichten Batterie beziehen. Also ist bei der Auswahl eines Moduls darauf zu achten, dass der Stromverbrauch möglichst niedrig ist (typische Werte liegen heute im 20-mA-Bereich beim Tracking von Satelliten). Auch werden oftmals Stromsparmodi unterstützt. Diese lassen sich häufig durch Softwarekommandos einleiten. In manchen Fällen ist aber ein zusätzliches Hardware-Signal notwendig, um den Empfänger wieder aufzuwecken (ein Beispiel ist hier Push-To-Fix – der Empfänger arbeitet auf möglichst stromsparender Stufe selbstständig, nur zur Berechnung einer Position wird er durch ein Hardwaresignal kurz angestoßen).

Die erste Position auffinden

Ein anderer Aspekt ist die Empfindlichkeit beim Finden einer ersten Position. Je stärker die Signale, umso einfacher ist es für den Empfänger (siehe voriger Absatz). Er kann schnell eine Position berechnen und dann wieder ausgeschaltet werden. Für diese Positionsberechnung benötigt er die Beschreibung der Satellitenbahnen, die sogenannten Ephemeriden. Unter optimalen Bedingungen und bei guter Signalstärke benötigt der Empfänger 18 Sekunden für den Empfang (typisch sind 27 Sekunden). Nach längerer Ausschaltzeit müssen diese Ephemeriden neu geladen werden, da sie einfach veraltet sind. Nun dauert es eben wieder diese typisch 27 Sekunden, unter Umständen ist aber aufgrund schwacher Signale deren Entzifferung überhaupt nicht möglich. Das bedeutet, dass der Empfänger länger angeschaltet bleibt, mehr Strom braucht.

Abhilfe schaffen hier Extended-Ephemeris-Daten. Diese lassen sich von einem Server in die Telematikbox laden. Anschließend werden sie von dort in den Empfänger geimpft und sind über mehrere Tage gültig. Ein wichtiger Schritt zu weiterer Stromeinsparung.

Was die Zukunft bringen wird

Zukünftige Chipsätze bringen hier weitere Verbesserungen, zum einen hinsichtlich der Empfindlichkeit und zum anderen hinsichtlich des Stromverbrauchs. Und Extended Ephemeris werden eine Selbstverständlichkeit sein (gleichgültig, ob sie auf einem externen Server oder im Chipsatz selbst berechnet werden). Eine weitere Tendenz ist auch die kontinuierliche Verfolgung zumindest eines Satelliten – bei niedrigstem Stromverbrauch. Dadurch wird die Zeit nach dem Aufwecken weiter verkürzt, entsprechend kann der Empfänger auch wieder schnell schlafen geschickt werden. Ein bisher kaum berücksichtigter Punkt ist das Jamming von GPS-Signalen, also das Stören durch Ausstrahlung eines anderen Signals im gleichen Frequenzbereich. Aus Sicherheitsgründen wird in vielen Telematik-Applikationen schon heute nach der Lösung dieses Problems gefragt, das in neuen Anwendungen dann wohl im Mittelpunkt der Entwicklung stehen wird. Vincotechs Module werden diese Weiterentwicklungen berücksichtigen und so die Integration in neue Lösungen bei gestiegener Leistung weiter vereinfachen.

*Hans Wiedemann ist Head of Product Marketing Positioning Products bei Vincotech GmbH in Unterhaching.

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