Genauigkeit

Die kurze Antwort auf die Frage, wie genau GPS einen Standort verortet, lautet: schlechter als ein Meter, oft besser als zehn Meter. Das Programm Gpsprof veranschaulicht den Sachverhalt. Nach der Eingabe von gpsprof -n 1000 -T png | gnuplot -persist und 1000 Sekunden Wartezeit, während der Sie den Empfänger nicht bewegen dürfen, entsteht ein Bild ähnlich wie in Abbildung 5.

Abbildung 5: Die Präzision von GPS-Daten schwankt, wie ein Versuch mit dem Programm Gpsprof und der Ausgabe über Gnuplot deutlich macht.

Der äußere Kreis entspricht dabei einem Radius von 6,5 Metern. Er schließt 99 Prozent der Messpunkte ein (CEP-99%, "Circular Error Probability"). Bei 95 Prozent streuen die Werte nur um plus-minus 4 Meter. Trotz der hohen Präzision (kleine Streuung) ist die Genauigkeit zum Referenzwert schlechter als acht Meter.

Der rote Kreis symbolisiert den nachträglich eingetragenen Referenzwert; er stammt aus anderen Messungen. Noch größer fallen die Unterschiede beim Bestimmen der Höhe aus. Trotz kleiner Streuung (um wenige Meter) liegt die gemessene Höhe um 15 Meter über dem tatsächlichen Wert.

Differenzielle GNSS-Verfahren steigern die Genauigkeit, wenn Sie die Position nicht absolut bestimmen, sondern in Relation zu einem genau ausgemessenen Punkt. Durch den Empfang bodengestützter, kostenpflichtiger Korrektursignale erreichen Geodaten eine DGPS-Genauigkeit von wenigen Zentimetern, durch ein Postprocessing noch eine Größenordnung mehr.

Die Dienste EGNOS (Europa) und WAAS (Nordamerika) stellen für alle GPS-Nutzer global satellitengestützte Korrektursignale bereit, die eine recht stabile Genauigkeit um fünf Meter sicherstellen. Transponder strahlen die Signale von geostationären Satelliten ab, die nur unter günstigen Bedingungen zu empfangen sind. Das Programm Xgps verdeutlicht die Situation. Nach Eingabe des Programmnamens ohne weitere Parameter in einem Terminal öffnet sich das Hauptfenster (Abbildung 6).

Abbildung 6: Xgps visualisiert auf Wunsch die Position der Satelliten, die im jeweiligen Moment zum Bestimmen der Position bereitstehen.

Die linke Tabelle ist aus Abbildung 4 des Programms Gpsmon vertraut: Die stereografische Projektion rechts zeigt die Satelliten (PRN) mit ihren Koordinaten Elevation (Elev) und Azimuth (Azim). So steht Satellit 13 nahe dem Zenit. Der Kreis erscheint gefüllt, da seine Signale zum Berechnen der Position beitragen (used). Er ist grün wegen der relativ hohen Stärke des Signals. Satellit 8 steht am Horizont in nordnordöstlicher Richtung. Sein schwaches Signal fließt nicht in die Berechnung ein (roter, offener Kreis).

Eine Besonderheit weisen die Satelliten 120 und 136 auf, die EGNOS-Transponder auf den Satelliten Inmarsat AOR-E und SES-5. Sie übertragen keine Informationen, die unmittelbar beim Bestimmen der Position helfen (offenes Symbol), dafür senden sie Daten für die Signalkorrektur der anderen Satelliten (daher Quadrate statt Kreise).

Abbildung 7: Cgps arbeitet ähnlich wie Gpsmon, versucht aber gleichzeitig Abweichungen in den Positionsdaten aufzuzeigen. Allerdings blieb im Test unklar, worauf diese Abschätzung beruht.

Der Vollständigkeit halber sei das Programm Cgps erwähnt (Abbildung 7). Im Vergleich zu Gpsmon bemüht es sich zusätzlich um eine Angabe der Fehler der Positionsdaten. Worauf die Abschätzung basiert, bleibt ein Rätsel [4].

Es verwirrt etwas, dass die Monitorprogramme die Angaben zur Qualität unterschiedlich bezeichnen. Tatsächlich steht nur die Informationen bereit, ob eine Positionsangabe gelingt (2D, 3D, DGPS) oder nicht, ob die Satelliten günstig stehen (DOP) sowie die statistische Analyse vieler Datenpunkte.

Da sich fast immer mehr als drei Satelliten in Sichtweite befinden, gilt ein 3D-Fix heute als Standard, wie es das Programm Xgps im Feld Status vermerkt. Viel wichtiger ist die Angabe, ob DGPS-Korrektursignale bereitstehen. Bei Xgps erschließt es sich aus den Quadraten in der stereografischen Projektion. Cgps macht dazu keine Angaben, bei Gpsmon steht im Feld FAA der Buchstabe D (kein DGPS: A).

Alternativ sehen Sie direkt in den NMEA-GPGGA-Daten nach: Steht im siebten Feld eine Null, wie in Listing 4, fehlen die Daten zur Position komplett. Steht dort eine Zwei, stützen sich die Angaben auf DGPS.

Anwendungsprogramme

Das Programm Xgpsspeed verrät, wie schnell Sie sich bewegen. Dabei passt sich der Tacho der Geschwindigkeit an. Übersteigt sie den Messbereich – 100 km/h im linken Teilbild von Abbildung 8 – wechselt der Tacho zur Darstellung rechts.

Abbildung 8: Tachometer mit Xgpsspeed.

Beim Programm Foxtrotgps handelt es sich um ein vollwertiges Wandernavigationsgerät mit einer Offline-Kartenfunktion. Der Befehl aus der ersten Zeile von Listing 13 installiert die Software auf einem Debian-basierten System. Zusätzlich lernt Foxtrotgps über die zusätzlichen Tools, die Sie über den Befehl in Zeile 2 ins System integrieren, mit Geotags für Fotos umzugehen [6].

Listing 13

$ sudo apt-get install foxtrotgps
$ sudo apt-get install gpscorrelate gpscorrelate-gui

Es bietet sich an, mit Simulationsdaten zu arbeiten. So steht der Rechner fest auf dem Tisch, um die vorab aufgezeichneten Bewegungen zu visualisieren. Das folgende Beispiel bezieht sich auf Daten aus der Datei GPS_20121104_1330.log, mit der Robert Nielsen im März 2013 seinen Spaziergang durch den Zoo von Kopenhagen dokumentierte [5]. Um eine ähnliche Ansicht zu erhalten wie in Abbildung 9, starten Sie im ersten Terminal zunächst das Programm Gpsfake und wählen eine Wiederholrate von 0,1 Sekunden:

$ gpsfake -c 0.1 GPS_20121104_1330.log
Abbildung 9: Das Programm Foxtrotgps zeigt die gesammelten Daten aus einem GPS-Log als Punkte auf einer Karte an.

Im zweiten Terminalfenster rufen Sie Foxtrotgps auf. Als Ansicht wählt es, sofern Sie nichts anderes konfigurieren, die freie Karte OpenStreetMap [7]. Weitere Karten hält das Menü bereit, das Sie mit einem Klick auf das i oben links öffnen. Optional speichert das Programm die Kacheln der Karte im Verzeichnis Maps im Home-Verzeichnis. So stehen diese auch ohne Internetzugang bereit.

Besondere Wegpunkte ("Point of Interest", POI) legt das Programm in einer SQLite-Datenbank im Verzeichnis ~/.foxtrotgps ab. Das Programm misst Abstände zwischen Punkten, speichert GPX-Tracks, erstellt Routen und kann Fotos mit den Geodaten zu versehen.

Andere Anwendungsprogramme, etwa zum Verwalten von Tracks und dem Bearbeiten oder Konvertieren in andere Formate, stellte unsere Schwesterzeitschrift Linux-Magazin in einem früheren Artikel vor [8].

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