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Empfänger: Navilock NL6002U mit ublox NEO-6P

Die  Empfängerdaten dieses Abschnitts können mit den im Buch beschriebenen Verfahren ausgewertet werden.

Empfänger: SparkFun GPS-RTK Board (GPS-15005) mit ublox NEO-M8P-2

Die Daten dieses Empfängers wurden mit RTKCONV in RINEX-Dateien der Version 3 konvertiert. Dies hat eine alternative Struktur der Beobachtungsdatei zur Folge, so dass die im Buch beschriebenen Routinen für das Einlesen der RINEX-Beobachtungsdatei verändert werden müssen! Hinweise dazu befinden sich unter dem Menüeintrag Anpassungen in Maxima.

Empfänger: SparkFun GPS-RTK Board (GPS-16481) mit ublox ZED-F9P

Da die Daten dieses Empfängers ebenfalls  mit RTKCONV in RINEX-Dateien der Version 3 konvertiert wurden, gilt das oben Gesagte zu den benötigten alternativen Einleseprozeduren hier ebenfalls.

Das empfehlenswerte Buch von Pratap Misra und Per Enge: "Global Positioning System – Signals, Measurements and Performance" verweist auf eine zum Buch gehörige WWW-Seite: https://www.gpstextbook.com. Von dieser Seite können weitere Daten (OBS- und NAV-Dateien im RINEX-Format) zur Positionsbestimmung bezogen werden. Es handelt sich dabei um Aufnahmen, die mit militärischen Empfängern erstellt wurden, so dass die benötigten Pseudoranges in den Beobachtungsdaten gleich dreimal enthalten sind: Zunächst als Pseudoentfernungen, welche aus dem C/A-Code der L1-Frequenz gewonnen wurden, dann aber zusätzlich auch als Pseudoentfernungen, die aus dem verschlüsselten P-Code erstellt wurden, der zum einen auf der L1 und auch auf der L2-Frequenz gesendet wird. Da auch Aufnahmen mit aktiver Selective Availability und eine Angabe zur exakten Empfängerposition in der Sammlung enthalten sind, können Vergleiche mit der jeweils erzielbaren Genauigkeit angestellt werden. 

Da die Aufnahmen jeweils über einen ganzen Tag erfolgten, sind diese RINEX-Dateien sehr umfangreich und zudem in ihrer Struktur ebenfalls leicht verändert, so dass die Dateien insbesondere gekürzt und Funktionen in Maxima angepasst werden müssen. Konkrete Hinweise dazu befinden sich unter dem Menüeintrag Anpassungen in Maxima. Hier ist ein Paar beispielhaft gekürzter Dateien (Vandenberg vom 18.09.2000) verfügbar:

vb091800_nav.txt und vb091800_obs.txt

Die Firma ublox stellt das Programm u-center als Analysetool für ihre GPS-Chips zur freien Verfügung. Es bietet ein Unzahl an Möglichkeiten, Chips zu konfigurieren und deren Status auszulesen. So lange man nicht genau weiß, was man tut, sollte man keine Konfigurationsänderungen in die Chips zurückspeichern. Zu groß ist die Gefahr unerwünschter Resultate! Uns dient u-center nur für die Aufzeichnung der vom Empfängerchip generierten Rohdaten.

Das Programm ist über die Homepage von ublox erhältlich. Von dort kann die jeweils neueste Version heruntergeladen werden. Leider  treten bereits bei der Installation des Programms Probleme auf:

Beim erstmaligen Aufruf des Programms kann eine Fehlermeldung erscheinen, welche besagt, dass die Bibliotheksdateien msvcp120.dll und msvcr120.dll nicht gefunden werden können. Diese Dateien sind in aller Regel im Verzeichnis Windows/System32 vorhanden. Kopiert man beide Dateien in das Verzeichnis Windows/SystemWOA, dann erscheint diese Fehlermeldung nicht mehr.

Die gerade aktuelle u-center-Version 21.02 bricht u.U. sofort nach dem Start ab! Eine Ursache hierfür konnte noch nicht ermittelt werden.

Problemlos läuft allerdings die Version 19.11.01, die wie andere Vorgängerversionen ebenfalls auf der ublox-Seite vorhanden, dort aber leider etwas versteckt ist. Auf der angegebenen Seite wählt man unten rechts den Link "Documentation & ressources"

Die grundsätzliche Bedienung von u-center ist bereits im Buch ausführlich beschrieben, hier werden daher die Unterschiede im Hinblick auf die Aufzeichnung von Daten des NEO-M8P-Chips beschrieben. In beiden Fällen öffnet man zuerst über das Menü "View / Messages View" das entsprechende Fenster. Dort wählt man im Datenpfad den Eintrag UBX und aktiviert über die rechte Maustaste den Eintrag "Enable Child Mesages". Desselbe wiederholt man beim untergordneten Eintrag RXM.

Die Pseudoentfernungen des NEO-M8P- und des ZED-F9P-Chips werden nun im Datenzweig RAWX dargestellt ...

In der Spalte "Enable" entfernt mal alle Häkchen bis auf dasjenige bei "GPS" und klickt danach auf die Schlatfläche "Send" unterhalb des Verzeichnisbaums. Damit werden nur noch GPS-Signale empfangen.

Um die Auswahl permanent zu speichern, so dass diese auch bein nächsten Einschalten noch gültig ist, muss man in den Pfad UBX–CFG–CFG wechseln, dort die Option"Save current configuration" wählen und nochmals auf die Schaltfläche "Send" klicken.

Der im Buch vorgestellte und verwendete Navilock-Empfänger NL-6002U enthält den GPS-Chip NEO-6P von ublox. Auf der Homepage von ublox findet sich allerdings eine "End-of-life notification" vom 12. Mai 2020. Das letzte Auslieferungsdatum für diesen Chip ist dort auf den 30. April 2021 festgelegt. Es ist damit davon auszugehen, dass auch der Navilock NL-6002U nicht mehr allzulange produziert werden kann. Laut Mitteilung von Navilock vom Juni 2021 befindet sich ein Empfänger mit dem ublox-Chip NEO-M8P bereits im Prototypenstatus und soll ab Ende 2021 verfügbar sein.

Unabhängig davon war es sinnvoll, sich nach alternativen Empfängern umzusehen, welche ebenfalls die für unsere Zwecke benötigten Pseudoentfernungen ausgeben. Von ublox gibt es (mindestens) zwei Nachfolgerchips, welche den Empfang von Rohdaten ermöglichen. Es handelt sich hierbei um die Chips NEO-M8P und ZED-F9P. Die Verwendung dieser beiden Chips unterscheidet sich von den im Buch gemachten Angaben. Die für uns wesentlichen Unterschiede und daraus folgenden Änderungen bei der Datenaufnahme werden nachfolgend dargestellt.

BreakoutBoard von SparkFun mit dem ublox NEO-M8P (Abb. mit freundl. Genehmigung von SparkFun)

Die gesamte Platine ist 41 mm x 34 mm groß, sie stellt einen vollwertigen GPS-Empfänger dar. Rechts oben befindet sich ein Micro-USB-B-Anschluss zur Verbindung mit dem Computer, über diesen Anschluss erhält die Platine auch ihre Stromversorgung. Der winzige kreisrunde Kontakt unterhalb der rechten Ecke des Chips dient dem Antennenanschluss. Dabei handelt es sich um einen sogenannten U.FL-Steckkontakt, ein Standard für Miniatur-HF-Steckverbinder bis zu 6 GHz. Dieser empfindliche Kontakt ist ausschließlich für dauerhafte Verbindungen innerhalb elektronischer Geräte vorgesehen und für nur wenige Steckvorgänge spezifiziert. Da es ohnehin keine GPS-Antennen mit dem passenden Gegenstück gibt, benötigt man ein Adapterkabel, welches auf der einen Seite die passende U.FL-Buchse und auf der Gegenseite beispielsweise eine SMA-Buchse für den Anschluss des Antennenkabels aufweist.

Beim Anstecken des Adapterkabels auf den U.FL-Kontakt der Platine muss man größte Sorgfalt walten lassen: Die Buchse muss genau zentrisch über dem Stecker platziert sein und exakt parallel eingeclipst werden. SparkFun stellt hierfür eine detaillierte Anleitung zur Verfügung! Es ist empfehlenswert, das Adapterkabel nach dem Anschluss vorsichtig mit einem Kabelbinder am benachbarten Befestigungsloch der Platine zu fixieren, um mögliche Krafteinwirkungen vom Steckkontakt fernzuhalten,

Weiter ist es sinnvoll, die Platine so in ein kleines Gehäuse einzubauen, dass der USB-Steckanschluss noch von außen erreichbar ist. Das andere Ende des U.FL–SMA–Adapterkabels mit der SMA-Buchse befestigt man ebenfalls am Gehäuse, so dass das eigentliche Antennenkabel dort von außen aufgeschraubt werden kann.

Das andere Ende des USB-Kabels mit dem üblichen USB-A-Stecker verbindet man mit dem Computer, startet u-center und stellt die Verbindung über den angebotenen COM-Port her. 

Wie gewohnt interessiert uns nur der UBX-Pfad im "View"-Fenster. Wieder klicken wir auf UBX und selektieren mit der rechten Maustaste "Enable child messages". Dasselbe machen wir im Zweig RXM.

Der NEO-M8P-Chip kann neben den Signalen von GPS-Satelliten auch noch diejenigen der Systeme Beidou und Glonass empfangen und dadurch hochpräzise Posiitonsbestimmungen durchführen. Da wir uns nur für die GPS-Signale interessieren, schalten wir  im Datenpfad UBX–CFG–GNSS alle anderen Systeme aus, indem wir eventuell gesetzte Haken in der Spalte "enable" entfernen.

Im Datenpfad UBX–RXM–RAWX werden die Rohdaten der empfangenen Satelliten dargestellt, in der vierten Spalte die uns interessierenden Pseudoentfernungen.

Bei der Konvertierung der ubx-Dartei wird eine weitere Änderung nötig: Das seither verwendete Programm teqc für die Konvertierung in RINEX-Dateien funktioniert  nicht mehr für diese Darstellung der Ephemeriden. teqc kann zwar noch die Beobachtungsdatei erstellen, als Navigationsdatei wird allerdings immer nur eine leere Datei geliefert! Da teqc seit Anfang 2019 nicht mehr weiterentwickelt wird, scheidet diese Möglichkeit damit aus.

Erfreulicher Weise gibt es inzwischen jedoch ein Windwos-Programm, welches die benötigte Konvertierung der mit dem NEO-M8P erzeugten ubx-Dateien sowohl für die Beobachtungs- als auch die Navigationsdatei durchführt. Dies ist das Programm RTKCONV, welches aus einer Sammlung mehrerer Routinen für die Bearbeitung von GPS-Daten – der RTKLIB – stammt. Leider funktioniert RTKCONV nicht für Dateien, die mit dem NEO-6P aufgezeichnet worden sind, dafür muss weiterhin das Programm teqc verwendet werden!

Das gesamte Programmpaket kann über die Seite http://rtkexplorer.com bezogen werden. Diese Seite ist insgesamt eine gute Informationsquelle im Zusammenhang mit mit der GPS-Positonsbestimmung, so ist dort auch ein ausführliches Handbuch zu den Programmen der RTKLIB verfügbar. Hier soll es znächst jedoch nur um den Bezug des Programms RTKCONV gehen. Dazu wählt man auf der genannten Seite den Menüpunkt "Downloads / RTKLIB code" und klickt auf "Demo5 b34b binaries". Man erhält ein Verzeichnis mit allen Programmen, das ggf. erst noch entpackt werden muss. In diesem Verzeichnis befindet sich u.a. das Programm rtkconv.exe für Windows, welches man am Besten in das gps-Verzeichnis kopiert und von dort mit einem Doppelklick aufruft. Es erscheint das folgende Fenster:

In die oberste Eingabezeile schreibt man den Namen der zu konvertierenden Datei, wobei eine komfortable Auswahl durch Klicken auf die hier rot markierte Befehlsschaltfläche mit den drei Punkten geschehen kann. Nach der Auswahl werden sofort die Namen der Beobachtungs- und der Navigationsdatei in die entsprechenden Zeilen eingetragen. Diese Vorschläge kann man ebenfalls mit den jeweils rechts der Zeile befindlichen Schaltflächen mit den drei Punkten verändern. Dann muss man nur noch auf die Schaltfläche "Convert" klicken, um den Prozess zu starten. Nach dem Konvertierprozess können die Ergebnisse sofort durch Klicken auf die hier blau eingekreisten Schaltflächen zur Ansicht gebracht werden. Man wird anfangs feststellen, dass die Beobachtungsdatei problemlos erstellt wurde, die Navigationsdatei aber entweder leer geblieben ist oder aber nur ein Teil der in u-center angezeigten Ephemeriden übernommen wurde. Die Aufzeichnung der Ephemeridendaten dauert nun ganz offensichtlich deutlich länger als bei der im Buch beschriebenen Vorgehensweise.

Beim aufmerksamen Betrachten des Fenster UBX–RXM–SFRBX wird deutlich, dass die Sekundenanzeige in der rechten oberen Ecke immer auf sechs zählt und dann der Fensterinhalt erneuert wird. Dies korrespondiert mit der Tatsache, dass die Übertragunsdauer eines jeden der fünf Unterrahmen genau sechs Sekunden dauert und das Akronym SFRBX steht für den Subframe-Inhalt der jeweiligen Satellitennachicht. Jeder Frame besteht aus 5 Subframs, die Nummer des empfangenen Subframes wird im SFRBX-Fenster in der zweiten, mit MSG gekennzeichneten Spalte angegeben. Beim Aufzeichnen der Daten in u-center sollte man den Durchlauf aller fünf Subframes und damit mindestens 30 Sekunden – besser eine ganze Minute – abwarten, bevor man die Aufnahme beendet.

Am besten konvertiert man die aufgenommenen Daten umgehend mit RTKCONV und überprüft, ob die Ephemeriden aller empfangenen Satelliten vollständig in der Navigationsdatei vorhanden sind. Dem Nachteil, dass nun recht lange Beobachtungsdaten mit über 30 Aufzeichnungszeitpunkten entstehen, kann man begegnen, indem diese RINEX-Beobachtungsdaten in einem Editor exakt auf nur wenige Zeitpunkte gekürzt werden. Damit kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit beim Einlesen der Beobachtungsdatei in Maxima signifikant verkürzt werden!

BreakoutBoard von SparkFun mit dem ublox ZED-F9P (Abb. mit freundl. Genehmigung von SparkFun)

Dieses BreakoutBoard ist zwar geringfügig teurer als das oben vorgestellte, auf der anderen Seite hat es bereits einen SMA-Anschluss für die GPS-Antenne, so dass die Anschaffung eines entsprechenden Adapterkabels und dessen nichtganz unkritischer Anschluss entfallen. Natürlich ist auch der enthaltene Chip deutlich leistungsfähiger, dies spielt allerdings für unsere Zwecke keine Rolle, da wir ohnehin nur die Pseudoentfernungen auswerten.

Angemerkt werden muss, dass dieses Board zum Anschluss an den Laptop über eine USB Typ-C-Anschlussmöglichkeit verfügt, so dass ein entsprechendes Adapterkabel benötigt wird.

Da der ZED-F9P neben dem GPS auch noch Galileo-, BeiDou und Glonass-Satelliten empfangen kann, empfiehlt es sich, diese Systeme – wie bereits weiter oben beschrieben – vor der Datenaufnahme wie beim NEO-M8P über u-center ebenfalls abzuschalten.

Bei der Verwendung des ZED-F9P-Chips sind allerdings auch Unterschiede zu beachten. So wird der Almanach leider nicht im Datenpfad UBX–AID–ALM dargestellt. u-center bietet im zugehörigen Fenster zwar die Möglchkeit, den Almanach aus dem WWW zu beziehen, allerdings erscheint bei einem entsprehenden Versuch die Fehlermeldung, dass es beim Lesen der Datei zu einem Fehler gekommen ist. Dieses Problem kann relativ einfach umgangen werden:

Man klickt auf die Schaltfläche "Get WWW", wählt als Yuma-Server den Eintrag

http://www.celestrak.com/GPS/almanac/Yuma/almanac.yuma.txt

und klickt dann auf die Schaltfläche "Test". Damit wird der Browser geöffnet und es erscheint die zugehörige Seite mit dem aktuell gültigen Almanach. Dieser kann direkt aus dem Browserfenster heraus lokal gespeichert werden.