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GPS-Signale in Echtzeit simulieren –
Was kann man damit machen?

Veröffentlicht: 14.04.2015

Kann die Simulation besser sein als die realen Fahrzeugtests? Was ist dieses ganze GPS-Simulationszeug und was kann ich damit machen?

Jeff Warra
Technical Specialist
dSPACE Inc.

Ich hab immer gern die Artikel von Bob Pease gelesen; er begann immer mit „Was ist das überhaupt alles für Zeug?" Bob war ein Analog-Guru und arbeitete an dem ersten kostengünstigen Operationsverstärker für die Massenproduktion. Ich beginne meinen Blog mit diesem Titel, um Bob zu ehren, der zu seiner Zeit eine Legende war. Ich erwähne das, weil Bob 2011 bei einem Autounfall ums Leben kam und die Vision der Automobilindustrie, Fahrzeuge am Zusammenstoßen zu hindern, allmählich Realität wird. Es hat sich von einem futuristischen Konzept zu handfesten Arbeiten in realen Forschungslabors auf der ganzen Welt entwickelt.

Im Jahr 2013 zählte NHTSA1 5,7 Millionen Fahrzeugunfälle mit 32.719 Toten und 2,3 Millionen Verletzten. Das sind nicht gerade wenig. Wir sind unseren Familien, Freunden und Kindern gegenüber verpflichtet, innovativ zu entwickeln, um Fahrerassistenzsysteme (ADAS) in die Zukunft zu führen.
Also, was ist das überhaupt alles für GPS-Zeug? Wozu brauche ich das? Warum müssen wir GPS im Labor simulieren und was kann ich damit machen? Ich werde alle diese Fragen beantworten und Ihnen einige Beispiele aus der Praxis und aus dem Labor für GPS-Positionierungsdaten geben.

Heutzutage sind GPS-Empfänger überall vorhanden – egal ob in Handys, Apps, Fotos, Autos, Vermögenswerten und auch befestigt an Soldaten. Die Kartographie, also die Lehre vom Erstellen von Landkarten, verändert sich rasant. Die Nutzung von Kartendaten explodiert in der neuen Systemtechnik. Diese Technologie wird uns Karten mit einer Auflösung von zu 10 cm liefern, die der Industrie helfen, hochmoderne Technologien zu entwickeln, um Treibstoff zu sparen und Leben zu retten. Neue Entwicklungen, die Ihnen helfen, besser zu sehen, indem sie noch vor der Kurve Scheinwerfer anpassen, oder das Schaltverhalten optimieren, weil Sie schon vorher wissen, wann eine große Steigung naht.

Die Verwendung von hochauflösenden Kartendaten, kombiniert mit GPS-Ortungsinformationen, ermöglicht die Entwicklung dieser neuen Fahrzeugfunktionen. Die Möglichkeit, dass auch unsere Kreuzungen mit unseren Fahrzeugen kommunizieren und unsere Fahrzeuge miteinander kommunizieren, ermöglicht die nächsten technologischen Fortschritte in der Mobilitätsbranche. Die Übertragung Ihrer genauen Fahrzeugposition an andere Fahrzeuge und das Hinzufügen ausgereifter Algorithmen zur Streckenvorhersage helfen sicherzustellen, dass sich die Wege die Fahrzeuge nicht an falscher Stelle kreuzen, was in den kommenden Jahren unzählige Leben retten wird.

Warum müssen wir GPS im Labor simulieren? Ich sage, warum nicht? Die GPS-Simulationstechnologie ist bezahlbar geworden. Warum müssen sich GPS-Signale von einer Radgeschwindigkeit oder einem Lenkwinkelsensor unterscheiden? Wir simulieren diese in einem Labor. Warum testen wir überhaupt im Labor? Es geht darum, sicherzustellen, dass die von Ihnen entwickelten Systeme und Funktionen unter vielen Bedingungen sicher und präzise arbeiten.

Labortests können auch verwendet werden, um virtuelle Szenarien zu erstellen, die auf einer Teststrecke zu gefährlich wären. Sobald die Szenarien erstellt sind, können Sie die Tests wiederholen, um Algorithmenänderungen genau mit dem Labor zu vergleichen und so Einschränkungen oder unerwünschte Systemeigenschaften besser nachzuvollziehen. Das ist ein großer Vorteil eines Labors. Die Möglichkeit, beispielsweise Tests mit hoher Unfallwahrscheinlichkeit durchzuführen, kann dazu beitragen, die Zeit auf der Teststrecke zu verkürzen, indem sichergestellt wird, dass ein Fahrzeug, wenn es auf die Teststrecke trifft, bereits Labor-, Prüfstands- und Validierungstests bestanden hat. Alle diese Arten von Aktivitäten tragen dazu bei, das Vertrauen in einen Systementwurf zu stärken.

Validierung der Gesamtsystemreaktionen

Die erste Grundregel beim Experimentieren ist die Begrenzung der Variabilität unbekannter Faktoren. Bei der Absicherung der Systemfunktionalität sollten Sie darauf achten, Schwankungen in Back-to-Back-Testläufen einzugrenzen. Auf diese Weise soll sichergestellt werden, dass die Unterschiede, die Sie am Ende Ihrer Tests wahrnehmen, nur die Schwankungen enthalten, die Sie während des Tests angewendet haben und nichts anderes. Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit im System ist sehr wünschenswert. Die GPS-Simulation kann Ihnen diese Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit bieten, die im Labor erforderlich ist, im Gegensatz zu einem Live-GPS-Sendesignal am Himmel.

Hier einige Funktionen, die besser im Labor als am Himmel getestet werden sollten:

  • Standortgenauigkeit:
    • Sowohl statische als auch dynamische Eigenschaften können wiederholt getestet werden, um den Vergleich verschiedener GPS-Empfänger und ihrer Chipsätze einfacher und zuverlässiger zu machen.
  • Sensibilität der erfassten Daten für Tracking, Navigation und Führung:
    • Welche Leistungsebene wird benötigt, um die Satellitenfixierung und -sperre für die Verwendung in Ihren Anwendungen aufrechtzuerhalten?
  • Wiederherstellen von Satellitenfixierung und -sperre:
    • Wie lange dauert es, bis sich Ihr System nach einem Signalausfall wieder fängt, zum Beispiel nach Schluchten, Hochhäusern, Tunneln oder Parkhäusern? Wie wird sich das auf Ihre Kundenbindung auswirken?
  • Filterentwurf, Kalibrierung und Fehlerbehebung:
    • Wie reagieren Ihre Filter auf Veränderungen der Position? Nehmen Sie programmgesteuert Schrittwechsel in Ihrer Trajektorie vor, um die Symmetrie und Phasenkohärenz Ihrer Navigationsfilter und der geschätzten Trajektorien zu überprüfen. Ermöglicht einen Vergleich der Gesamtsystemreaktion. Ich betrachte Schrittwechsel in der Trajektorie als Mittel, um programmgesteuert Mehrwege-Störungen zu erzeugen, die sonst in den Live-Übertragungen in Stadt- und Canyongebieten zu sehen wären.
  • Schwankungen in der Stromversorgung:
    • Wie reagiert und erholt sich Ihr System bei Stromschwankungen während des Herunterladens von Almanach und Ephemeriden? Wird es sich erholen?
    • Wie reagiert Ihr System während eines Motorausfalls während der Fahrt, das heißt, Sie fahren die Straße hinunter und die Zündung des Motors wird aus- und wieder eingeschaltet, während das Fahrzeug noch die Straße hinunterrollt. Wie lange dauert es, bis Ihr System eine Neuausrichtung und die Sperre wieder aufnimmt? Werden Ihre Filter während dieser Störung zurückgesetzt oder nicht? Wie stimmen Ihre Positionsinformationen während dieses Vorfalls mit Ihren Navigationskarten überein?
  • HF-Interferenz – atmosphärisch, mehrpfadig, verzerrt:
    • Wie reagiert Ihr System auf Mehrwegestörungen? Ihr GNSS-Empfänger kann und wird das gleiche genaue Satellitensignal und sein Phantomsignal von einer reflektierenden Oberfläche auf einem Gebäude oder einer Struktur empfangen. Wie werden Ihre Systeme filtern und reagieren?

Abweichungskarten Live-Himmel vs. simulierte statische Positionen

Hier sind einige Abweichungskarten einer statischen Position, die die Standardabweichungen von GPS im Labor und vom Live-Himmel mit einem u-Blox EVK GNSS-Empfänger2 zeigen. Der Fix-Modus für das EVK war 3D/DGPS für die gesamte Länge dieser Erfassung.

Das Bild zeigt eine Abweichung von ca. 1,5 m Genauigkeit für eine statische Position, aufgenommen vom Live-Himmel.

Das Bild zeigt eine Standardabweichung von ca. 5 cm für die Abweichung mittels GPS-Simulation in einer Laborumgebung mit einem GPS-Simulator.

Meiner Meinung nach gibt es keinen besseren Weg, ein System so bewusst zu testen, als die Variabilität Ihres Testszenarios zu begrenzen, was dazu beiträgt, bestimmte Aspekte und Ergebnisse aus Ihrem System zu isolieren. Dies erleichtert die Entwicklung von Algorithmenvergleichen während des Entwicklungsprozesses.

Testen der Fixierung und Sperrung eines GPS-Empfängers durch programmgesteuerte Leistungsänderung

Nachfolgend ist eine grafische Darstellung der HF-Leistungsausgabe des GPS-Simulators dargestellt. Das andere Bild zeigt die Satellitenleistung und die daraus resultierenden verschlechterten Navigationsfixierungen (blau) und gültigen 3D-Navigationsfixierungen/-sperrungen (grün) jedes GPS-Satelliten in Sichtweite, neben einer visuellen Anzeige des Navigationspfades für 5 bis 25 Sekunden.
Wie Sie sehen, beeinflusst die Variation der Leistung des Satelliten die Ausgabe Ihres Navigationspfades auf untypische Weise.

Grafische Darstellung der HF-Leistungsausgabe des GPS-Simulators

Das Bild zeigt die Satellitenleistung und die daraus resultierenden verschlechterten Navigationsfixierungen (blau) und gültigen 3D-Navigationsfixierungen/-sperrungen (grün) jedes GPS-Satelliten in Sichtweite, neben einer visuellen Anzeige des Navigationspfades für 5 bis 25 Sekunden.

Die Innovationen von morgen werden bereits heute entwickelt. Sind Ihre Testlabors bereit für die Herausforderung?

Unfallstatistik 2013: http://www-nrd.nhtsa.dot.gov/Pubs/13WPPP.pdf
Software u-Blox-, u-Center http://www.u-blox.com/en/

Weiterführende Informationen