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GPS und Modellbahn ?

Überlegungen und Fakten

Die Erstellung dieser Seite wurde durch einen Forum-Beitrag angeregt.

In den folgenden Kapiteln wird erläutert, warum das Global Positioning Systems GPS zur Ermittlung von Fahrzeugpositionen als Auslöser für Rückmeldesysteme bei Modellbahnen selbst mit sehr hohem Aufwand ungeeignet ist.

  • Hinweis: "Präzision" wird hier als Synonym für die Positionsgenauigkeit des GPS im Vergleich zu physischen Rückmeldern verwendet.

Szenarien:

  1. In Innenräumen ist GPS-Betrieb prinzipiell wegen ungenügender Empfangsbedingungen für die Signale der GPS-Satelliten nicht möglich.
  2. im Freien ist GPS-Betrieb prinzipiell für Maßstäbe kleiner G nicht möglich, da auch unter optimalen Bedingungen die erforderliche Präzision schon theoretisch nicht erreichbar ist.
  3. Im Freien mit Maßstab G ist GPS-Betrieb unter optimalen Bedingungen mit der erforderlichen Präzision nur sehr bedingt möglich.
    Der Aufwand ist aber sehr hoch und wegen verschiedenster negativer Einflüsse am Einsatzort ist ein stabiler Betrieb nicht zu erreichen.

Da es zu 3. immerhin theoretische Möglichkeiten gibt, wird erläutert, wodurch eine erfolgreiche Realisierung scheitern wird.

Präzision des Standard-GPS

Die einfache GPS-Ortung mit der Elektronik und Firmware normaler Navigationsgeräte im Straßenverkehr erreicht die damit erzielbare Zielgenauigkeit nur durch die üblicherweise vorhandene Kopplung mit Daten aus Kartenmaterial und bei Festeinbauten zusätzlich durch Sensoren des Fahrzeugs. Diese Bedingungen sind bei einer Gartenbahn nicht gegeben, sodaß nur die Standard-GPS-Präzision von ca. 10 m und bei Abschattungen sogar nur 30 m erzielbar ist.

Anforderung bei Gartenbahnen

Für den bei Gartenbahnen üblichen Maßstab 1:22,5 müsste die Präzision der Ortung auch mindestens um diesen Faktor verbessert werden. Die damit erzielbare Präzision von etwa 0,5 - 1,5 m reicht natürlich bei weitem noch nicht aus, um die Funktion herkömmlicher Rückmelder zu ersetzen. Für einen Wechsel zur Rückmeldung mit GPS-Daten müsste die Präzision der Ortung nochmal um den Faktor 10 - 30 auf ca. 5 cm verbessert werden. Bei Berücksichtigung aller Faktoren müsste die Präzision eines GPS-Systems für Gartenbahnen im Vergleich zu normalen Navigationsgeräten (ohne Kopplung) bzw. zu verfügbaren GPS-Empfangsmodulen etwa um den Faktor 400 erhöht werden.

Präzision erhöhen

Die für den hier betrachteten Zweck unzureichende Präzision normaler GPS-Ortung ergibt sich durch

  • Beschränkung des technischen Aufwands in GPS-Empfängern auf die Anforderung für Navigationsgeräte in Autos und Orientierung im Gelände.
  • Reflexionen und Abschattungen von Satelliten-Signalen durch Vegetation und Bauwerke am Empfangsort.
  • unbekannte Abweichungen der Laufzeiten der Funksignale von den Satelliten-Umlaufbahnen durch Ionosphäre und Troposphäre zum Empfangs-Ort des GPS-Empfängers.

Bei professionellen GPS-Anwendungen werden neben besserer Hardware zusätzlich verschiedene Korrektursysteme eingesetzt, die die Abweichungen durch erweiterte Messverfahren kompensieren können. Um die oben für eine Gartenbahn definierte Präzision (Faktor 400 für 5 cm) zu erreichen, stehen auch nur diese Korrektursysteme zur Verfügung.

Hier werden nur die Korrektursysteme betrachtet, für die außer den Kosten für die Hardware keine zusätzlichen Nutzungs- oder Lizenzgebühren anfallen.

DGPS

Beim Differential Global Positioning System DGPS wird außer dem mobilen GPS-Empfänger (in Lok/Zug) zusätzlich ein stationärer Empfänger benötigt, der seine bekannten Standortdaten und die Daten der Satellitensignale an den mobilen Empfänger sendet, der damit seine Ortungsdaten korrigieren kann. Das setzt natürlich voraus, dass beide Stationen (mobil und stationär) über spezielle Elektronik, Firmware und Antennen verfügen.
Aber auch mit diesem schon sehr aufwendigen Verfahren ist nur eine Präzision von ca. 30 cm bis 2,5 m erreichbar, die noch recht weit von den oben definierten 5 cm entfernt ist.

RTK

Um die Präzision des DGPS in den angestrebten cm-Bereich zu verbessern, werden zusätzliche Korrekturdaten benötigt, die bei der RTK-Vermessung (Real Time Kinematic = Bewegung in Echtzeit) zentral ermittelt und als terrestrische Funk-Signale verbreitet werden. Diese Daten müssen separat empfangen und in der DGPS-Elektronik verarbeitet werden. Die mit diesem RTK-Verfahren in Vermessungswesen bzw. Geodäsie erreichbare Präzision von wenigen Zentimetern bis in den Millimeter-Bereich ist nur bei sehr geringen Geschwindikeiten oder nur bei Stillstand der Empfangs-Antenne und mit Messperioden von mehreren 10 Sekunden bis Minuten möglich.

Die hauptsächliche mobile Anwendung für RTK ist der Einsatz bei Agrar-Maschinen für Feldarbeit und mit Geschwindigkeiten im niedrigen Km/h-Bereich. Bei den für die Maschinen-Steuerung erforderlichen kurzen Messzeiten ist selbst mit DGPS + RTK eine Ortung auf wenige 10 cm nur auf weiträumigen Freiflächen und Antennenhöhen von z.B. 3 m und mehr erreichbar.

Bei einer Gartenbahn mit von der Größenordnung ähnlichen Geschwindigkeiten muss aber durch die geringere Antennenhöhe sowie ggf. durch Vegetation und Bauwerke mit wesentlich geringerer Präzision gerechnet werden.

Anmerkung: Lässt sich bei professionellen Anwendungen die gewünschte Präzision auch mit RTK nicht erreichen, werden anstelle einer GPS-Ortung z.B. die vom Bahn-, Berg- und Tunnelbau bekannten Laser-Richtsysteme verwendet.

Realisierung von Selbstbauten

Elektronik-Module und deren Implementation für die Unterstützung von DGPS und RTK sind z.B. in diesem PDF-Dokument beschrieben.
Datenblatt eines dabei verwendeten Moduls

Im WWW sind einige Selbstbau-(DIY)-Realisierungen zu finden, die aber auch unter günstigen Bedingungen nicht mehr als die erwähnte Präzision von 50 cm erreichen (können). Darüber hinaus gibt es Hinweise, dass sogar einzelne Bäume in der Nähe die Präzision erheblich verschlechtern, wenn dadurch z.B. die beiden GPS-Empfänger eine zu geringe Anzahl oder nicht exakt zeitgleich die Signale derselben Satelliten empfangen können. Mit Reflexionen und Abschattungen durch Häuser werden die Ergebnisse noch viel ernüchternder sein. Trotz des hohen Aufwandes kann sich dann die Präzision auf normale GPS-Werte von mehreren Metern verschlechtern, ist also für die Modellbahn wieder unbrauchbar. Im Abschnitt RTK wurde schon auf die hohen Anforderunegn an die Empfangs-Umgebung für die Präzison z.B. bei Agrar-Anwendungen (gilt auch für Gartenbahnen) hingewiesen.

Ein Ultraschall-System

Dieses System wird nur zur Klarstellung erwähnt, da der Anbieter irreführend den Begriff "GPS" verwendet.
Das von Rocrail unterstützte GOT-System GamesOnTrack verwendet aus Marketing-Gründen den Begriff "GPS". Dieses System arbeitet mit einer Ultraschall-Ortungsmethode, die mit dem realen GPS zwar das Grund-Prinzip einer Laufzeit-Messung gemein hat, das aber nur über Entfernungen von einigen Metern funktioniert. Das GOT-System könnte theoretisch durch Bildung von Clustern auch große Flächen für Gartenbahnen abdecken. Eine Herausforderung wäre die Montage und Verkabelung der "Satelliten" genannten Ultraschall-Empfänger im Freien. Die Funktion der in Innenräumen dafür genutzten Wände und Decken müssten z.B. je nach Geländeprofil 1 bis 3 m hohe und stabile (nicht schwankende) Stangen oder Rohre übernehmen. Da aber die Elektronik-Hardware des GOT-Systems nicht witterungsfest ist, scheidet eine Langzeit-Verwendung im Freien aus und der Aufwand für notwendige Auf- und Abbauten wäre unvertretbar hoch.

Fazit

Die Erwartungen an eine GPS-Ortung sind in Unkenntnis der zuvor beschriebenen Fakten oft unrealistisch hoch. Die tatsächlich erzielbare Präzision ist mit normalen GPS-Empfängern und GPS-Modulen für einen erfolgreichen Einsatz als Rückmeldesystem bei Gartenbahnen völlig unzureichend. Selbst mit den oben beschriebenen aufwendigen Korrekturverfahren ist eine anzustrebende Präzision im einstelligen cm-Bereich nicht betriebssicher erzielbar.
Wegen des erforderlichen Hardware-Aufwands und unwägbarer Beeinträchtigungen am konkreten Einsatzort ist ein solches System für den sicheren Betrieb einer Gartenbahn praktisch und finanziell nicht zu realisieren.

IMHO sollte wegen fehlender Erfolgschancen auch auf Versuche zu einer Realisierung verzichtet werden. Finanzielle Verluste und Frust sind vorprogrammiert.

GPS + Modellbahn = NoGo


userpages/rainerk/gps-de.txt · Last modified: 2019/11/28 02:11 by rainerk