Einige Auffälligkeiten beim Loggen als Fußgänger am Beispiel des ”PocketGPS S1”

Stand 23.08.2018

Vorbemerkung

Loggen als Fußgänger

  – das bedeutet Fortbewegungsgeschwindigkeiten zwischen etwa 6 km/h, in Ausnahmefällen vielleicht auch 10 km/h, bis (während kurzer Stops oder auch längerem Rasten) hinab zu 0.

Erwartungen an einen GPS-Logger

Eine der wichtigsten Erwartungen an einen GPS-Logger ist, dass die auf dem Display angezeigten Koordinaten möglichst genau mit denen des momentanen Aufenthaltsorts übereinstimmen und dass die aus der aufgezeichneten Logdatei gewonnenen Tracks gut den tatsächlich zurückgelegten Weg wiedergeben.

Als eine Mindestvoraussetzung dafür gilt, dass sich der Logger in einem korrekten 3D-Fix-Zustand befindet. Mit ”korrekt” ist gemeint, dass die Kriterien

  • Empfang von mindestens vier Satelliten mit ausreichendem Signal-/Rauschabstand
  • der Logger verfügt über die korrekten Bahndaten dieser Satelliten

erfüllt sind.

Bei der Wiedergabe der Tracks aus dem vorhandenen ”PocketGPS S1 (PG-S1)”, Seriennummer …961, Firmware-Stand ”11.08.16”, Version ”AXN_1.30.0000, ,” in Google Earth fielen so bei anderen Modellen nicht vorgefundene häufige Unregelmäßigkeiten auf, die zu den hier beschriebenen näheren Betrachtungen anregten.

An dieser Stelle muss vorangestellt werden, dass für diese Beobachtungen jeweils lediglich ein einziges Exemplar der angeführten Loggertypen zur Verfügung stand. Die Resultate sollten somit nicht verallgemeinert werden. Verallgemeinerbar ist dagegen die Art der beschriebenen Beobachtungen auf alle Logger, deren Logs die zutreffenden Daten liefern. Und: Für Beobachtungen unter Einbeziehung des Displays bietet der GPS-Empfang mit dem ”PocketGPS S1” als USB-GPS-Receiver zusammen mit einem Rechner- oder Smartphone-Bildschirm weitaus höheren Komfort als allein das ”PocketGPS S1” im reinen Loggerbetrieb.

Log-Dateien des ”PocketGPS S1”

Wie bei vielen GPS-Loggern mit MTK-Chipsatz üblich, stehen auch in der NMEA-Logdatei des ”PocketGPS S1” mit dem MT3329 neben den Positionsangaben (zusammen mit Datum und Uhrzeit) Angaben zu allen gemäß den Satellitenparametern jeweils über dem Horizont befindlichen Satelliten zur Verfügung. Der Aufbau der Datensätze in den Logs des ”PocketGPS S1” ist im Eintrag ”PocketGPS S1/PG-S1: Dateisystem und Log-Format” beschrieben. Die für Untersuchungen der Empfangsgegebenheiten inbetracht kommenden Angaben der NMEA-Sequenzen sind im Eintrag ”Beobachtungen an Daten aus GPS-Loggern” aufgelistet.

Logeinstellungen des ”PocketGPS S1”

Für einen allgemeineren Überblick und z. B. auch zur Analyse des Logger-Verhaltens unter interessierenden Empfangsbedingungen sollte sich jede beliebige Einstellung des Logmodus eignen. Dagegen empfiehlt sich für Problem-Analysen eher das engmaschigste Lograster wie

  • ”Track Record” > ”Record Method” > ”Time”,
  • ”Track Record” > ”Intervall” > ”1sec”.

Diesem Modus scheint ein sehr sensibles Verhalten des GPS-Chipsatzes zu eigen zu sein, was ihn für kritisch bewertende Beobachtungen besonders geeignet macht. Für das Loggen von Touren kommt allerdings eher der weggesteuerte Modus in Betracht, bei dem der Logger offensichtlich optimierte Informationen ausgibt (als lohnend hat sich hier die Wahl "Distance; Intervall; 10 m" erwiesen – "ruhigerer" Trackverlauf, weniger weitläufige Punktewolke).

Bei dem hier untersuchten Verhalten war der Logger "PocketGPS_S1" im ebenfalls für Touren günstigen Modus "Distance; Intervall; 30 m" betrieben worden.

Beobachtungen an den Logdateien des ”PocketGPS S1”

Einzelheiten zu einigen Möglichkeiten sind in einem eigenen Eintrag – "Beobachtungen an Daten aus GPS-Loggern" – beschrieben.

Zur

Charakterisierung der Empfangsbedingungen

soll im Folgenden grob zwischen

  • guten,
  • eingeschränkten und
  • schwierigen Empfangsbedingungen

unterschieden werden – vgl. die Charakterisierung im Eintrag ”GPS-Empfang bei der Fortbewegung als Fußgänger”

Exemplarische Auffälligkeiten bei einem ”PocketGPS_S1”

Allgemeines
Die Beschränkung der Log-Daten-Aufzeichnung auf die eigentlich zuverlässsigeren 3D-Fix-Werte trifft nicht bei allen Logger-Modellen zu, sondern vielfach wird automatisch oder in den Konfigurationseinstellungen abwählbar auch im 2D-Fix ins Log geschrieben. Bei Bedarf könnten dann die 2D-Werte bei der Auswertung der Logdateien verworfen werden.

Darüberhinaus gibt es – wie bekanntlich oft an aufgezeichneten Tracks sichtbar – Situationen, in denen auch abweichend von den beiden genannten Kriterien in die Logdatei geschrieben wird. Ein geläufiges Beispiel ist die Datenaufzeichnung während eines Zeitraums bis zu etwa einer Minute nach dem Einschalten, innerhalb dessen – gerade auch durch AGPS forciert – bereits 3D-Fix-Angaben, die mit den vorerst nur grob aus den EPO-Werten bekannten Satellitenparameter errechnet wurden. in das Log geschrieben wurden, während der GPS-Modul die Bahndaten noch aktualisiert. Ohnehin kann es aber auch während des normalen Betriebs zu Empfangsbeeinträchtigungen kommen, die trotz des Empfangs von mindestens vier Satelliten bei längerer Dauer den Verlust des korrekten 3D-Fix nach sich ziehen.

2D-Fix / 3D-Fix in den Logdateien des ”PocketGPS S1”
Beim Sichten der Logdateien des aktuellen "PocketGPS S1" (Firmware-Stand V.11.08.16 – als letzter erschienen) wurde bisher kein einziger Datensatz mit der Kennung ”2D-Fix” gefunden. In einem einzigen Ausnahmefall gab es unter vielen hundert Datensätzen einen einzigen, so eigentlich nicht erlaubten 3D-Fix-Datensatz mit lediglich 3 genutzten Satelliten.

Wie sich an im Netz gefundenen älteren S1-Log-Dateien (dort eingetragene, sehr frühe FW-Version: V.10.01.25) zeigt, wurden ursprünglich neben den 3D-Fix-Datensätzen über weite Strecken, offenbar während der Einlaufzeit nach dem Einschalten, auch mit 2D-Fix-Kennung versehene Datensätze aufgezeichnet. Auffällig sind deren durchgängig hohe SNR-Werte: Häufig wurden 9 Satelliten mit SNR zwischen wenig über 20 und über 40 dB eingetragen. Als genutzt ("Used") sind aber nur die drei stärksten aufgeführt. Offensichtlich sind hier in der Folgezeit Änderungen in der Firmware des ”PocketGPS S1” vorgenommen worden, so dass nunmehr für das Zustandekommen des 3D-Fix auch schwächere Satellitensignale einbezogen werden.

"PocketGPS S1" bei guten Empfangsbedingungen
Ein deutlicher Hinweis auf gute Empfangsbedingungen ist eine große Anzahl von "Used Sat" – weitaus mehr als 4, also etwa 7 oder mehr – mit SNR-Werten > ca. 35 dB. Allerdings fällt beim "PocketGPS-S1" ein hoher Anteil dieser Datensätze aus offensichtlich guten Empfangsbedingungen dadurch auf, dass sich unter den ”Used Satellites” neben denen mit solch hohen SNR-Werten auch Satelliten mit bis unter 25 dB hinab befinden.

Dem entsprechend zeigten sich bei vergleichenden Pegelauswertungen von Logdateien des CuuB-Loggers mit Logdateien eines auf den Touren (zu Fuß) zusätzlich mitgeführten i-Blue747 (Transystem Inc.; MediaTek – älteres Modell mit MT3318 Anm1) einerseits kleinere "Used Sat"-Anzahlen, andererseits aber deutlich höhere Minimalwerte der "Used Sat"-SNR-Werte beim "i-Blue747". Das drückt sich auch in höheren SNR-Durchschnitten der einzelnen Datensätze einander zeitlich und räumlich entsprechender Punkte sowie dem höheren SNR-Gesamtdurchschnitt einer Tour beim "i-Blue" verglichen mit dem "PocketGPS S1" aus. Zu beiden Geräten bleibt allerdings das Zustandekommen der SNR-Angaben bzw. die jeweils verwendete Bewertungsskala unklar. Somit kommt derartigen zahlenmäßigen Vergleichen allein von SNR-Angaben unterschiedlicher Logger-Modelle keine allzu hohe Aussagekraft zu.

Bei der
Einbeziehung auch von Satelliten mit kleineren SNR-Werten
sind zwei Aspekte zu berücksichtigen –

  • zum einen der offensichtlich abgesenkte Pegel des betreffenden Satelliten,
  • zum anderen die Ursache für den Pegelverlust.

Ein abgesenkter Pegel hat ein stärkeres Hervortreten des stets vorhandenen Empfänger-Rauschens zur Folge, was zu größeren zufälligen Fehlern der im Zuge der Auswertung ermittelten Signal-Laufzeit, somit zu einem verstärkt fehlerbehafteten Entfernungswert des Satelliten führt und schließlich bei Einbeziehung dieses Satelliten in die Positionsermittlung erhöhte Beiträge zum Fehler der ermittelten Position liefert (zum Einfluss dieser Art vgl. die Anmerkung 9 im Eintrag "Interne Beiträge zum Positionierungs-Fehler einfacher GPS-Logger (Tests)).

Hinsichtlich der Ursache für den Pegelverlust ist davon auszugehen, dass es – abgesehen von der nicht so häufigen Beeinträchtigung der Signale der LOS-Satelliten (Satelliten mit direkter Sicht – LOS-Situation /Line of Sight/) durch z. B. hohe Wolkenberge – immer dann zu SNR-Verlusten kommt, wenn sich in der Umgebung des Empfängers Hindernisse befinden (direkt zwischen Satellit und Empfänger: NLOS-Situation /non-LOS/, ansonsten: Mehrwege-Situation), verbunden mit

  • Umwegen von nicht selten vielen Metern bzw. Verfälschungen der im GPS-Modul ermittelten Satellitenposition in dieser Größenordnung

sowie mit

  • Pegelverlusten
    direkt infolge Dämpfung durch Abschattung

und

  • Pegelabsenkungen
    in Gestalt von Fading (zeit- und ortsabhängig veränderlicher resultierender Empfangssignal-Pegel) als Folge der Überlagerung (Interferenz) unterschiedlicher Signalbeiträge (LOS-Beitrag, ggf. gedämpft einerseits und Umweg-Beiträge andererseits) des Signals ein und desselben Satelliten.

Allerdings ist zurzeit keine direkte Möglichkeit bekannt herauszufinden, ob und in welcher Weise im ”PocketGPS S1” eine Einbeziehung dieser Art wirklich erfolgt. Bekanntlich wurde der im Cuu:B-Logger eingesetzte MT3329 mit dank spezieller Auswertetechniken gegenüber dem Vorgänger erhöhter Empfindlichkeit beworben, was – sollte sie auf der Einbeziehung der weniger hochwertigen schwachen Satellitensignale beruhen – die bereits beträchtliche Beeinträchtigung der Qualität der Logs aus dem ”PocketGPS S1” verglichen mit dem iBlue747 erklären könnte Anm2.

”PocketGPS S1” bei eingeschränkten Empfangsbedingungen
– hier also in Innenräumen.

In Innenräumen lassen sich zwei hinsichtlich der Empfangsbedingungen wesentlich unterschiedliche Bereiche unterscheiden:

  • der Bereich in Fenster-Nähe,
  • das Raum-Innere.

Zu den Empfangsbedingungen unmittelbar am Fenster siehe unter ”GPS-Empfang bei der Fortbewegung als Fußgänger”, zu denen im Raum-Inneren im selben Eintrag.

Parallelen zu GPS hinsichtlich Frequenzlage /GPS: 1575 MHz; DAB-L-Band: 1452 – 1479 MHz/ und Bandbreite finden sich in Untersuchungen zur Rundfunkversorgung im DAB-L-Band (siehe z. B. [Michler,Strey 1998]). Unterschiede betreffen insbesondere die gegenüber GPS ausgeprägte Horizontnähe der DAB-Senderantennen einerseits und die aus den höheren Elevationen der GPS-Signalquellen folgenden schrägen und damit längeren Wege der Satellitensignale in der Wand und folglich höheren Signal-Dämpfungen beim Durchtritt in den Innenraum andererseits.

Bei
orientierenden Versuchen zum Verhalten des "PocketGPS-S1"

wurde der Logger im Rauminneren betrieben. Dabei wurden sowohl am Display des Loggers die Sat-Balken des Sky-Plot und deren Farbwechsel beobachtet als auch nachfolgend die Logdateien analysiert.
Einfach durch abschirmendes Umfassen des Loggers mit der Hand wurde der Pegel des Logger-Eingangssignals variiert und damit immer wieder der Wechsel zwischen ”2D-Fix” und ”3D-Fix” herbeigeführt, wobei die Logaufzeichnung während des ”2D-Fix” aussetzt, bei ”3D_Fix”-Pegel aber sofort wieder aufgenommen wird. Wird die Bedämpfung so weit erhöht, dass auch nicht mehr die für den ”2D-Fix” benötigten drei Satelliten zugeordnet werden können, kommt es zum		 Zum Vergrößern auf das Bild klicken

Verbindungsabriss. Im Anschluss an diesen musste in Fensternähe wieder der ”3D-Fix” abgewartet werden. Für besser reproduzierbare Ergebnisse bei einfachen Mitteln wäre es denkbar, den Logger in einem schirmenden Metallbehältnis unterzubringen und dessen Öffnungsweite definiert zu ändern.

In dieser Grenzsituation enthalten (mit ganz einzelnen Ausnahmen – siehe die SNR-Werte im obigem Skyplot: SV# 17 mit nur 8 dB dennoch als 5. Satellit – wohl ein Fehler) die festgehaltenen Datensätze vier genutzte Satelliten, deren SNR sich in einem einzelne Dezibel umfassenden Bereich in der Nähe von 20 dB bewegen.

Die Besonderheit im Verhalten des Loggers ist darin zu sehen, dass – wohl wegen der skizzierten Gegebenheiten am Fenster – nach den Verbindungsabrissen trotz aktueller AGPS-EPO-Daten und vollständigem Sky-Plot der sichtbaren Satelliten sowie bis zu sechs gelben SNR-Balken auf dem Logger-Display anders als bei einem Heiß-Start regelmäßig Minuten vergehen, ehe es wieder zum ”2D-Fix” (Farbumschlag nach Blau) und schließlich ”3D-Fix” (grüne Balken) und damit zur Weiterführung des GPS-Logs kommt.

”PocketGPS S1” bei schwierigen Empfangsbedingungen

Als eine Umgebung mit einer für das ”PocketGPS S1” schwierigen Empfangssituation erwies sich das in den Ansichten der folgenden beiden Bilder festgehaltene Gebiet im Dresdener Norden. Die Fronten der beiden Gebäude (auf der Nordseite ein Bürohaus, auf der Südseite der Straße ein Wohngebäude) sind etwa 35 m voneinander entfernt. Beide Häuser sind etwa 20 m hoch. Die Logs entstanden auf dem südlichen Gehweg.

Ansicht von West Ansicht von Ost Zum Vergrößern
auf das Bild klicken

Zusätzliche Erschwernis: Der Logger befand sich nahezu mittig an der Körpervorderseite seitlich liegend, Display/Antenne vom Körper ”wegschauend”, in der recht tiefen linken Brusttasche eines Hemds.

Hier ist das Verhalten des ”PocketGPS S1” in diesem Umfeld ersichtlich:

Linkes Bild –
Der Verlauf auf dem Hinweg (blau) entspricht dem üblichen Verhalten des ”PocketGPS S1” in der Nachbarschaft von Gebäuden.
Auf dem Rückweg (grüner Verlauf) kommt es jedoch bei der Ankunft an der westlichen Ecke des Wohngebäudes (Koordinaten N 51°04’38.69″ E 13°41’37.48″) dazu, dass der Logger ”die Orientierung verliert”.

Bis er diese wiederfindet, vergehen während des fortgesetzten Wegs – vom dargestellten Ausschnitt nicht erfasst – etwa 20 Minuten. Innerhalb dieser Zeit verlief der Weg wiederholt unmittelbar neben Gebäuden und Stützmauern größerer Elevation, die den Empfang überwiegend aus Richtung NW behinderten.

Die Gänge wurden nach jeweils einigen Tagen stets mit ähnlichem Ergebnis wiederholt, einmal auch zum Vergleich mit dem gleichartig transportierten iBlue747 (gelber Verlauf).

Am Skyplot (rechtes Bild; eingetragen sind in diesem Fall die SNR-Werte) zum genannten Trackpunkt wird deutlich, dass wegen Abschattungen von dieser Stelle des Weges an sämtliche Satelliten für etwa zwei Minuten der direkten Sicht entzogen sind – in Richtung NO durch das nördliche Gebäude, Richtungen NW bis SW durch den Körper, Richtung Zenit durch den Oberkörper, Richtung S durch das südliche Gebäude. Somit erreichen den Logger alle Satellitensignale nur noch auf – unterschiedlichen – Umwegen. Auch hier fällt auf, dass jeweils mindestens 4 Satelliten ausreichende SNR-Werte aufweisen; im Log als ”used” eingetragen sind dagegen alle im Skyplot farbig dargestellten.

Richtungsänderungen, z. B. etwa drei Minuten nach dem Erreichen des kritischen Punkts, erkennt das ”PocketGPS S1” zunächst zwar noch. Jedoch vermittelt das Verhalten den Eindruck, dass ihm korrekte Bahndaten als Voraussetzung für die korrekte Positionsermittlung intern – trotz aktuellem AGPS-EPO-File – nicht mehr zur Verfügung stehen.

Zur Bewertung dieses Verhaltens ist zu ergänzen: Normale Unterbringungsorte dieses Loggers bei den Touren sind der obere Bereich des Rucksack-Schultergurts bzw. die Rucksack-Deckelklappe. In dieser Weise sichtbar auffällig geworden ist das ”PocketGPS S1” dabei ein einziges Mal, unentdeckt eventuell einzelne Mal.

Für den "frühen" iBlue 747 gemäß untenstehender Anmerkung 1 kann hier bestätigt werden, dass ein derartiger Ausfall noch nie vorgefunden wurde. Erstrecht sollte der MT3329 des ”PocketGPS S1” von einem Fehler dieser Art nicht betroffen sein. Dass dem vielleicht doch nicht immer so ist? Ab 2009 (der betreffende Blog wurde zwischenzeitlich beendet) hatte es eine zeitlang einen ausführlichen Bericht zum Blumax Bluetooth GPS-4044 Datalogger – ebenfalls mit einem MTK-II-Modul bestückt – gegeben, in dem neben einem Lob für im Normalfall sehr überzeugende Logs ebenfalls genau die oben bemängelten Auffälligkeiten beanstandet wurden.

Als

Fazit

verbleibt:

  • Durch ungünstige Unterbringung des Loggers auf der Tour kann leicht eine ungünstige Empfangssituation zu einer (zu) schwierigen Situation werden.
  • Das in der Firmware abgelegte Datenmanagement lässt Optimierungspotenzial vermuten.
    Einer Mitteilung von Cuu:B vom 06.10.2012 (Posting Nr. 1268 im ehemaligen User-Board von Cuu:B; die Webpräsenz von Cuu:B ist im Frühjahr 2014 beendet worden) zufolge war eine Aktualisierung der Firmware des ”PocketGPS S1” vom nunmehr letzten Stand ”11.08.16” nicht geplant.

Anmerkungen

Anm1  iBlue747 – Modell 0011 (Speicher 2 MB); Firmware 1.902, M-core 1.8, 32 Kanäle, nicht updatefähig
(vgl. Haase: MTK-Tabelle)

Anm2  Auf Verfahren zur Empfindlichkeits-Steigerung (High Sensitivity GPS – HSGPS) wird, wenn auch für eine andere Linie von GPS-Chips, z. B. in [MacGougan 2003] eingegangen

Verweise

[Michler, Strey 1998] Michler, O.; Strey, M.: DAB-Indoor-Versorgung im L-Band – Ausbreitungsmessungen und Untersuchungen zur Verbesserung der DAB-Indoor-Versorgung. Schriftenreihe der SLM, Band 6, VISTAS-Verlag, Berlin, 1998 (ISBN 3-89158-222-6).

[MacGougan 2003] MacGougan, G.: High Sensitivity GPS Performance Analysis in Degraded Signal Environments, MSc Thesis (veröffentlicht als UCGE Report No. 20176), Department of Geomatics Engineering, University of Calgary, Canada, 2003 – Web-Link (PDF)

Klaus Dannowski – Klaus‘ GPS-Ecke
13.O8.2O12

”Some abnormalities during logging with the ”PocketGPS S1” as pedestrian”