Innovative Model Railroad Control System

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-Im Folgenden wird erläutert, warum von der Verwendung des **[[https://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System|Global Positioning Systems GPS]]** bei Gartenbahnen abzuraten ist. Für andere Modellbahn-Arten scheidet GPS prinzipiell schon beim Betrieb in Innenräumen und auch im Freien wegen der fehlenden Präzision für kleine Maßstäbe aus.+In den folgenden Kapiteln wird erläutert, warum das **[[https://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System|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:** 
 +  - In Innenräumen ist GPS-Betrieb prinzipiell wegen ungenügender Empfangsbedingungen für die Signale der GPS-Satelliten __nicht möglich__. 
 +  - 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. 
 +  - 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 ==== ==== Präzision des Standard-GPS ====
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 ==== Anforderung bei Gartenbahnen ==== ==== Anforderung bei Gartenbahnen ====
-Für den bei Gartenbahnen üblichen Maßstab 1:22,5 müsste die Präzision der Ortung auch mindestens um diesen Faktor verbessert werden, damit etwa 0,5 - 1,5 m Treffsicherheit erreicht wird. Das reicht natürlich bei weitem noch nicht aus, um die Funktion physikalischer 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. Werden alle Faktoren berücksichtigt, 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.+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 ==== ==== Präzision erhöhen ====
-Die für den hier betrachteten Zweck wenig zufriedenstellende Präzision normaler GPS-Ortung wird hauptsächlich durch die für den Empfangs-Ort des GPS-Empfängers unbekannten Abweichungen von den mittleren Laufzeiten der Satelliten-Signale durch Ionosphäre und Troposphäre bestimmt. Teilweise Abschattungen von Satelliten-Signalen am Empfangsort durch Vegetation und Bauwerke sowie nicht ausreichend stabile und genaue Oszilatoren in den Empfängern sind weitere Gründe für Mängel in der Präzision.\\+Die für den hier betrachteten Zweck unzureichende Präzision normaler GPS-Ortung ergibt sich hauptsächlich aus den für den Empfangs-Ort des GPS-Empfängers unbekannten Abweichungen der mittleren Laufzeiten der Funksignale von den Satelliten-Umlaufbahnen durch Ionosphäre und Troposphäre zur Erdoberfläche. Teilweise Abschattungen von Satelliten-Signalen durch Vegetation und Bauwerke am Empfangsort sowie die Beschränkung auf minimalen Standard der GPS-Empfänger sind weitere Einflüsse, die die Präzision zusätzlich reduzieren.\\
  
 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) zu erreichen, stehen auch nur diese Korrektursysteme zur Verfügung.\\ 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) zu erreichen, stehen auch nur diese Korrektursysteme zur Verfügung.\\
  
-Im folgenden werden nur die Korrektursysteme betrachtet, für die außer den Kosten für die Hardware __keine zusätzlichen Nutzungs- oder Lizenzgebühren__ anfallen.\\+Hier werden nur die Korrektursysteme betrachtet, für die außer den Kosten für die Hardware __keine zusätzlichen Nutzungs- oder Lizenzgebühren__ anfallen.\\
  
 ===DGPS=== ===DGPS===
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 ===RTK=== ===RTK===
-Um die Präzision des DGPS in den angestrebten cm-Bereich zu verbessern, werden zusätzliche Korrekturdaten benötigt, die bei der **[[https://de.m.wikipedia.org/wiki/RTK-Vermessung|RTK-Vermessung]]** (**R**eal **T**ime **K**inematic = //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 sind nur bei sehr geringen Geschwindikeiten oder nur bei Stillstand der Empfangs-Antenne und mit Messperioden von mehreren 10 Sekunden bis Minuten möglich.+Um die Präzision des DGPS in den angestrebten cm-Bereich zu verbessern, werden zusätzliche Korrekturdaten benötigt, die bei der **[[https://de.m.wikipedia.org/wiki/RTK-Vermessung|RTK-Vermessung]]** (**R**eal **T**ime **K**inematic = //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 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 min. 3 m erreichbar. +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.  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 ==== ==== Realisierung von Selbstbauten ====
-Elektronik-Module und deren Implementation für die Unterstützung von **DGPS** und **RTK** sind z.B. in diesem  **[[https://cdn.sparkfun.com/assets/learn_tutorials/8/5/6/ZED-F9P_Integration_Manual.pdf|PDF-Dokument]]** beschrieben.\\ +Elektronik-Module und deren Implementation für die Unterstützung von **DGPS** und **RTK** sind z.B. in diesem  **[[https://www.u-blox.com/sites/default/files/ZED-F9P_IntegrationManual_%28UBX-18010802%29.pdf|PDF-Dokument]]** beschrieben.\\ 
-**[[https://www.sparkfun.com/products/15136|Anbieterseite eines dabei verwendeten Moduls]]**  \\+**[[https://www.u-blox.com/sites/default/files/ZED-F9P_DataSheet_%28UBX-17051259%29.pdf|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 zeitgleich dieselben Satelliten-Signale empfangen können. Mit Reflexionen und Abschattungen durch Häuser werden die Ergebnisse noch viel ernüchternder sein. Trotz des hohen Aufwandes kann sich die Präzision auf die "normalen" GPS-Werte von 3 - 10 m oder mehr auf für die Modellbahn wieder unbrauchbare Werte verschlechtern.+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|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 ==== ==== Ein Ultraschall-System ====
-<sup>**Dieses System wird nur zur Erläuterung erwähnt, da der Anbieter dabei den Begriff "GPS" irreführend verwendet.**</sup>\\ +<sup>**Dieses System wird nur zur Klarstellung erwähnt, da der Anbieter irreführend den Begriff "GPS" verwendet.**</sup>\\ 
-Das von Rocrail unterstützte GOT-System **[[:got:got-de|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 durch Bildung von Clustern auch große Flächen für Gartenbahnen abdecken. Es ist aber für eine Langzeit-Verwendung im Freien nicht geeignet, da die Hardware nicht wetterfest ist. Außerdem müsste die Montage und Verkabelung jedes Ultraschall-Empfängers (sogenannte "Satelliten") z.B. an einem mehrere Meter hohen, nicht schwankenden Rohr erfolgen, um die sonst verwendete, aber hier nicht vorhandene Raumdecke zu ersetzen.   +Das von Rocrail unterstützte GOT-System **[[:got:got-de|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===== =====Fazit=====
-Die Erwartungen, die an eine GPS-Ortung gestellt werden, sind oft unrealistisch hoch, denn 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 die gewünschte Präzision im unteren cm-Bereich nicht betriebssicher erzielbar. Wegen des erforderlichen Hardware-Aufwands und unwägbarer Beeinträchtigungen ist ein solches System für den sicheren Betrieb einer Gartenbahn praktisch und finanziell kaum zu realisieren.+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. IMHO sollte wegen fehlender Erfolgschancen auch auf Versuche zu einer Realisierung verzichtet werden. Finanzielle Verluste und Frust sind vorprogrammiert.
  
-**GPS + Modellbahn = NoGo** +====GPS + Modellbahn = NoGo==== 
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