Was ist ein GNSS Modul?
Ein GNSS (globales Navigationssatellitensystem) Modul ist ein Modul, das Signale von Satelliten verwendet, um Positions- und andere Daten zu erhalten.
GNSS steht für Global Navigation Satellite System. Es bezieht sich auf das US-amerikanische GPS, das russische GLONASS, das EU-Galileo, das chinesische Satellitenpositionierungssystem BeiDou und das japanische QZSS, die typische Systeme zur Bestimmung von Positionsdaten sind.
Durch die Nutzung der von verschiedenen Satellitensystemen gesendeten Signale ist es möglich, Positionsdaten mit höherer Genauigkeit zu messen.
Anwendungen von GNSS Modulen
GNSS Module werden zur Messung von Fahrzeugpositionen, Geschwindigkeits- und Fahrtrichtungsinformationen sowie zur Erfassung von Positionsinformationen z. B. für die Kartenfunktion von Smartphones verwendet. Weitere Anwendungen sind Tablets, Smartwatches, Laptops, medizinische Anwendungen, intelligente Landwirtschaft, hochpräzise Ortung, intelligente Züge, Robotik, autonome Fahrzeuge, Industrieautomatisierung, Logistik und Anlagenverfolgung, Drohnen, Landmaschinen und schwere Baumaschinen.
Bei der Auswahl eines GNSS Moduls müssen Faktoren wie Größe und Kosten des Moduls sowie die Größe des von der Antenne empfangenen und verarbeiteten Signals berücksichtigt werden. Auch andere Faktoren müssen beachtet werden, wie z. B. die Stoßfestigkeit gegen Herunterfallen bei Smartphones und Tablet-PCs sowie die Wärme- und Vibrationsfestigkeit bei GNSS Modulen für Fahrzeuge.
Funktionsweise der GNSS Module
Der Signalempfänger empfängt die von mehreren Satelliten gesendeten Informationen über Position und Zeit der Satelliten. Aus der empfangenen Zeit, der Sendezeit des Signals und der Geschwindigkeit, mit der sich das Signal ausbreitet, kann die Entfernung zwischen dem Satelliten und dem GNSS bestimmt werden, was bei mehreren Signalen zur Ermittlung der Positionsinformationen möglich ist.
Andererseits sind die von Satelliten gesendeten Signale schwach, und in vielen Fällen können die Signale nicht erreicht werden, wenn es Hindernisse gibt oder Rauschen durch die umgebende Empfangsumgebung erzeugt wird, und genaue Positionsinformationen können nicht bestimmt werden. Daher verwenden einige Produkte eine fortschrittliche Signalverarbeitung, um genaue Positionsdaten zu ermitteln.
Bestandteile eines GNSS Moduls
Zu den Komponenten eines GNSS Moduls gehören ein Empfänger, ein rauscharmer Verstärker und ein GNSS-Empfänger. Schwache Signale, die von Satelliten ausgesendet werden, werden vom Signalempfänger empfangen und durch einen rauscharmen Verstärker verstärkt.
Die verstärkten Signale werden vom GNSS-Empfänger verarbeitet und die Positionsdaten werden berechnet. Die Positionsinformationen werden dann an das Gerät, an das das GNSS Modul angeschlossen ist, übertragen und für positionsbezogene Anwendungen verwendet.
Weitere Informationen zu GNSS Modulen
1. Hauptfehlerquellen bei GNSS Modulen
Obwohl GNSS Module durch den Empfang von Satellitensignalen Positionsmessungen von hoher Qualität liefern können, können Fehler aufgrund von Faktoren wie Satellitenbahn, Satellitenuhr, ionosphärische Verzögerung, troposphärische Verzögerung, Empfänger (Antenne), Mehrwegeffekte, etc. auftreten. Die Gründe für Fehler, die durch die einzelnen Faktoren verursacht werden, sind im Folgenden aufgeführt:
Faktor Satellitenumlaufbahn
Die Positionsberechnungen basieren auf Ephemeridendaten (Satellitenbahndaten) und Almanachdaten (Satellitenbahnverlauf) von Satelliten. Die Ephemeridendaten werden alle zwei Stunden und die Almanachdaten alle sechs Tage aktualisiert. Daher muss die Position in Zeiten, in denen beide Daten nicht aktualisiert werden, auf der Grundlage der jüngsten Daten geschätzt werden, was zu Fehlern führen kann.
Satellitenuhr-Faktor
Die Daten von Satelliten enthalten Informationen über die Satellitenuhr. Zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Satellitenuhrdaten vom Satelliten übertragen werden, und dem Zeitpunkt, an dem sie vom Empfänger erfasst werden, besteht eine zeitliche Verzögerung.
Verzögerungsfaktor der Ionosphäre
Die Ionosphäre ist ein Bereich zwischen 50 km und 1000 km über der Erdoberfläche, in dem die Sonnenaktivität Schwankungen in der Art und Dichte der Gase verursacht. Wenn Funkwellen von Satelliten diese Ionosphäre durchqueren, führt die Brechung des Lichts zu einer Verzögerung der Übertragungsgeschwindigkeit.
Verzögerungsfaktor in der Troposphäre
Die Troposphäre ist der Bereich zwischen dem Boden und 11 km über dem Boden. Wenn Funkwellen von Satelliten die Troposphäre durchqueren, führt die Brechung des Lichts, wie in der Ionosphäre, zu einer Verzögerung der Übertragungsgeschwindigkeit.
Faktor des Empfängers (Antenne)
Nachdem die Satelliteninformationen von der Antenne empfangen wurden, werden Fehler durch verschiedene Faktoren wie Kabel-, Leitungs- und Funkverzögerungen, die Geschwindigkeit der Positionsberechnungen und die Speicherzugriffsgeschwindigkeit verursacht.
Multipath-Faktor
Multipath bezieht sich auf Funkwellen, die von reflektierenden Objekten abprallen und später eintreffen als direkt einfallende Funkwellen. Bei Funkwellen von Satelliten gibt es Fälle, in denen die Mehrweg-Funkleistung größer ist als die direkt einfallenden Funkwellen. In solchen Fällen können die Positionsberechnungen unter Verwendung von Mehrwegdaten mit einer höheren Leistung durchgeführt werden.
2. Ortungsmethoden von GNSS Modulen
Die Positionierungsmethoden des GNSS Moduls lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: Einzelpositionierung und relative Positionierung.
Einzelpositionierung
Bei der Einzelpositionierung werden die Signale von vier oder mehr Satelliten mit einem einzigen Empfänger empfangen, um die Positionierung durchzuführen. Die Genauigkeit von Einzelmessungen ist aufgrund von Fehlern des Satelliten-Taktfaktors und anderen Faktoren auf 10-20 m begrenzt.
Relative Positionsbestimmung
Bei der relativen Positionierung werden der Referenzpunkt, für den genaue Koordinaten benötigt werden, und der zu vermessende Punkt gleichzeitig und unabhängig voneinander positioniert. In diesem Fall werden Informationen von mehreren Empfängern verwendet, was eine höhere Qualität der Positionierung als bei der Einzelpositionierung ermöglicht.