Laptimer von Starlane. GPS Zeitnahme, wie sie funktioniert.

Laptimer, auf GPS basierende Zeitnahme und Datenaufzeichnung. 
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Einführung in die GPS Technologie

Für die GPS Zeitnahme stehen derzeit drei verschiedene GPS Posizionierungssysteme zur Verfügung:

Das amerikanische Global Positioning System (GPS)
ist derzeitig eines von drei  Globale Satelliten Navigations- Systemen. Durch die 24 Satelliten im Erdorbit werden präzise Radiosignale erzeugt, die den GPS Empfänger in die Lage versetzen, den Ort die Geschwindigkeit und die Richtung eines Objektes anzuzeigen.
Entwickelt durch das US Verteidigungsministerium, wird es offiziell NAVSTAR GPS genannt (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) Die Satelliten werden verwaltet vom von 50. United States Air Force Space Wing. Die Kosten für die Erhaltung des Systems belaufen sich auf jährlich 750 Millionen US Dollar, einschließlich dem Austausch verbrauchter Satelliten und Forschung und Entwicklung. Trotz dieser Fakten ist GPS frei für die Öffentlichkeit und die zivile Nutzung.


Das russische GLONASS
Das russische GLONASS wurde 1993 in den Dienst gestellt. Die Entwicklung dieses GPS System begann bereits in den 70iger Jahren. Die ersten drei Satelliten wurden 1982 in ihre Umlaufbahn gebracht. Das System besteht aus 21 Arbeitssatelliten und drei Reservesatelliten.

Das europäische GALILEO
Das europäische GALILEO ist das jüngste der drei genannten GPS Positionierungssysteme und wurde 2015 für die Nutzung zugänglich gemacht. Das System besteht aus 30 Satelliten.
 

GPS allgemeine Funktion und Verwendung:

GPS ist zu einer viel genutzten Hilfe für die weltweite Navigation geworden und ein nützliches Werkzeug für die Erstellung von Landkarten, Landvermessung, kommerzielle und wissenschaftliche Nutzung. GPS bietet auch eine sehr präzise Zeitreferenz, die in vielen Anwendungen genutzt wird, einschließlich der wissenschaftlichen Studien von Erdbeben und der Synchronisation von Telekommunikationsnetzwerken.
Ein GPS Empfänger stellt seine Position fest, durch das Messen des Abstands zwischen sich selbst und mindestens 3 Satelliten. Das Messen der Zeitdistanz zwischen Senden und Empfangen des Signals gibt die Entfernung zu jedem Satelliten an, da sich das Signal ja mit einer bekannten Geschwindigkeit bewegt. Die Signale enthalten auch Informationen über den Satellitenstandort. Durch das Feststellen der Orte von 3 Satelliten und dem Abstand zu diesen 3 kann der Empfänger seine Position durch Trilateration berechnen. Normalerweise haben die Empfänger nicht sehr genaue Uhren, daher benutzen sie einen oder mehrere andere Satelliten, um den Uhrenfehler zu korrigieren.
Die Koordinaten werden nach dem World Geodetic System WGS84 Koordinaten-System berechnet. Um die Position zu bestimmen benötigt der Empfänger die genaue Uhrzeit. Die Satelliten sind mit extrem genauen Atomuhren ausgestattet. Der Empfänger benutzt eine interne Kristall Oszillation basierte Uhr, welche Abweichungen über die Satellitenuhr korrigiert.
Der Empfänger identifiziert jedes Satellitensignal durch sein C/A Code Muster und misst dann die Zeitverzögerung zu jedem Satelliten. Um dies zu tun, produziert der Empfänger eine identische C/A Sequenz mit derselben Satznummer des Satelliten. Durch das Angleichen der beiden Sequenzen kann der Empfänger die Verzögerung messen und damit die Entfernung zum Satelliten, Pseudorange genannt.
Überlagern dieser Pseudoranges, repräsentiert in Form von Kurven, werden modifiziert um die ungefähre Position zu erhalten. Die orbitalen Positionsdaten von der Navigationsnachricht werden dann benutzt, um die genaue Satellitenposition zu bestimmen. Wenn man die Position und den Abstand des Satelliten kennt, kann man daraus entnehmen das sich der Empfänger irgendwo auf der Oberfläche einer imaginären Kugel befindet, dieser dann auf diesen Satelliten zentriert ist und dessen Radius dem Abstand entspricht. Wenn 4 Satelliten gleichzeitig vermessen werden, ergibt die Überlagerung dieser 4 imaginären Kugeln die genaue Position des Empfängers auf der Erde. Die Empfänger auf der Erde substituieren dann die Kugelgestalt der Erde für einen Satelliten, indem er seine Höhe über dem Meeresspiegel benutzt. Oftmals überlappen sich diese Kugeln leicht, anstatt sich in einem Punkt zu treffen, sodass der Empfänger die wahrscheinlichste Position mathematisch berechnet.
Die Berechnung der Position mit dem P(Y) Signal ist im Grunde genommen ähnlich, vorausgesetzt man kann das Signal entschlüsseln. Der Verschlüsselung ist nichts weiter als ein Sicherheitsmechanismus. Wenn ein Signal erfolgreich entschlüsselt werden kann, ist es sicher das es sich wirklich um ein Signal von einem GPS Satelliten handelt. Im Vergleich sind zivile Empfänger sehr anfällig für Manipulationen, da korrekt formatierte C/A Signale durch jeden verfügbaren Signal Generator erzeugt werden können. RAIM Merkmale können sich nicht gegen Manipulationen schützen, da RAIM die Signale nur vom Gesichtspunkt der Navigation aus überprüft.

 

Laptimer mit GPS Zeitnahme:

 
Einführung Zeitnahme über Laptimer mit IR / Magnetschleife / GPS
Pionier der damaligen Zeit war Starlane, die im Jahr 2007 einen 5 Hz Empfänger in einem Laptimer integrierten. Das System bot viele Vorteile. Man konnte völlig autark vom Veranstalter und Strecke seine Rundenzeit erfassen. Nun waren sogar die Zeitnahme von einzelnen Sektoren möglich! Ein besonderer Vorteil lag darin das man keinen Sender mehr für die damals aktuellen Infrarot Laptimer an der Strecke benötigte. Diese waren Fehleranfällig was die Positionierung und Abschattung durch andere Fahrer anging. Aber auch Sektorzeiten waren fast unmöglich zu realisieren. Wenn überhaupt nur mit extremen Aufwand.
Die an den Kartstrecken häufig genutzte Magnetschleife, bot zwar schon zur damaligen Zeit eine sehr genaue Zeitnahme an, jedoch wurde es bereits bei der Erfassung von Sektoren für den Laptimer schwierig, wenn nicht sogar unmöglich diese korrekt umzusetzen. Und die Magnetschleifen konnten nur von den deutlich flacheren Karts genutzt werden, da die Positionierung des Empfängers dicht über der Fahrbahn erfolgen musste.
Ganz anders bei der neuen Generation der Laptimer die über GPS die Rundenzeit nehmen.
Ein Abschatten durch einen Fahrer der überholt wird...? Nicht möglich!
Die Ausrichtung des Senders an einer Boxenmauer oder über ein Stativ...?  Nicht mehr notwendig!
Die neue Zeitnahme über GPS machte die Fahrer deutlich freier und bot zudem viele Möglichkeiten in die wir in den nächsten Abschnitten kommen.
GPS Laptimer und ihre Variationen
Zu Beginn der Entwicklung waren es vor allem 5 Hz Laptimer zumeist noch mit einer externen GPS Antenne. Lediglich Starlane stieg nach dem Stealth-1 Laptimer im Jahr 2009 komplett auf ein "on Board" GPS bei ihren Laptimer um.
Die Zeitnahme war mit 5 Hz ebenso genau wie die eines Infrarot-Laptimer mit ca. +/- 1/300 Sekunde.
Parallel dazu wurden auch Apps für Android und iOS entwickelt die den GPS Empfänger eines Smartphone für die Zeitnahme nutzten. Großer Nachteil dieser Apps ist, das die Aktualisierungsrate mit 1 Hz zu gering für eine akzeptable Zeitmessung im Motorsport ist. So kann es je nach Fahr- und Ortsbedingungen zu Abweichungen im Zehntelbereich, aber auch von einigen Sekunden geben. Ausschlaggebend für die Ungenauigkeit ist die fehlende Korrekturmöglichkeit wenn sich die Geschwindigkeit durch Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorgänge anders verhält als vom Laptimer vorausberechnet.
In den Folgejahren wurde von immer weiter dazukommenden Herstellern mit verschiedenen Wiederholungsraten experimentiert.  So gab es Laptimer mit 10, 15, 20 und gar 50 Hz Empfängern.
Praxisgerecht wurden vor allem die 10 Hz Empfänger, da diese eine völlig ausreichende Genauigkeit von +/- 1/ 100 Sekunde lieferten.
GPS Antennen mit einer höheren Taktung bringen keine durchschlaggebende Erhöhung der Genauigkeit, sondern bringen eher ein Problem mit sich, dass wenn das Signal abreißt dieses nicht mehr so schnell wieder aufgenommen werden kann. Somit würden Sektoren oder gar ganze Runden fehlen. Auch würde ein ganz entscheidender Vorteil der GPS Technologie verloren gehen. Denn zu allen getakteten Daten werden die Position und die Geschwindigkeit festgehalten. Zudem fallen bei Empfängern extrem viele Daten, bei einem unwirtschaftlichen Energieverbrauch an, dem gerade Laptimer mit interner Stromversorgung nicht gewachsen wären.
Ein sehr innovativer und erfolgreicher Schritt war das Einbinden eines weiteren GPS Anbieter. So brachte Starlane im 2016 den ersten TWIN GPS Laptimer auf den Markt, der das amerikanische GPS und das russische GLONASS nutzt. Auch die Nutzung des sehr neuen Galileo GPS wäre denkbar. Der unschlagbare Vorteil einer GPS Zeitnahme mit mehreren GPS Systemen ist die steigende Anzahl der zur Verfügung stehenden Satelliten und damit die Absicherung der Zeitnahme auch unter schwierigen Geografischen Bedingungen und eine deutlich verbesserte Genauigkeit in der GPS Linienaufzeichnung. Eine Eigenschaft die jeder professionelle Laptimer mit sich bringt und anhand der ich einsehen kann wo genau auf der Rennstrecke meine gefahrene Linie verläuft.
Die Zeitnahme über GPS erfolgt NICHT wie ursprünglich und lange angenommen, indem das Überfahren eine bestimmten Breiten- und Längenkoordinate als Auslöse genutzt wird. Diese Möglichkeit wäre unsicher und vor allem jedoch extrem ungenau.
Wie dann..?!
Im Laptimer sind bereits die Daten der Zielkoordinate (Längen- / Breitengrad) und die der Sektoren hinterlegt. Durch das GPS Signal ist dem Laptimer seine eigene Position, die Geschwindigkeit und auch die Beschleunigung, bzw. die Verzögerung bekannt mit der sich dieser auf die Zielkoordinate zubewegt. Anhand dieser Daten, Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung berechnet ein interner Algorithmus wann die Zielkoordinate erreicht wird.
Dieser Berechnungsvorgang wird mit der jeweiligen Taktung der GPS Antenne aktualisiert, bis die Zielkoordinate erreicht wird.
Da das "Ziel Kreutz" der beiden sich kreuzenden Koordinaten (Längen- / Breitengrad) zu punktuell für eine genaue Zeitmessung wären, wird eine imaginäre Linie (Ziellinie) quer zur Fahrtrichtung als Hilfslinie gezogen.
Je nach Geschwindigkeit wird diese bei hohen Geschwindigkeiten breiter gewählt um auch Überholvorgänge auf der Zielgeraden mit erfassen zu können. Bei geringer Geschwindigkeit wird die Hilfslinie verschmälert um bei Kart-Strecken oder Crossbahnen nicht mit parallel laufenden Streckenverläufen zu kollidieren.
Jedoch ist es problemlos möglich auf benachbarten Bahnverläufen eine Sektorkoordinate zu setzen, da der Laptimer in seiner Zeitmessung auch die Fahrtrichtung berücksichtigt.

Möglichkeiten der GPS Zeitnahme

 Mit der GPS Zeitnahme stehen uns als Fahrer eine ganze Reiher  völlig neuer Möglichkeiten zur Verfügung.
  • Autarke Zeiterfassung
  • Beliebige Anzahl von Sektoren
  • Späteres Ändern der Sektoren in der Analysesoftware um Fahrweise zu untersuchen
  • Virtuelle Rennen mit anderen Fahrern
  • Das erfassen der Zeit auf geschlossenen Strecken und offenen Rennstrecken (Bergrennen)
  • Performancetools, wie Beschleunigungsmessung, Messung von Durchzugswerten (z.B. von 100 auf 200 km/h)
  • Vorhersehende Rundenzeit 
  • Speicherung von Daten wie Speed, Beschleunigung und Verzögerung)
  • Speicherung der eigenen Position auf der Strecke mit Ansicht auf eine Google Map Karte 

Beispiel für die GPS Datenerfassung

Im unten gezeigten Beispiel werden die GPS Daten einer GSXR1000 (rote Kurve) mit denen einer GSXR750 (gelbe Kurve) verglichen.
Deutlich zu sehen ist der höhere Topspeed der GSXR1000.
Aber auch der steilere Anstig der roten Kurve im höheren Geschwindigkeitsbereich ist ein klares Zeichen für die Power der 1000er.
Die Position P1 und P2 zeigen ein "lupfen" beim Bremsen. Auch diese, wenn auch kurzen Sequenzen werden vom Laptimer klar erfasst und lassen sich sehr gut mit einer Software anakysieren.

 
 
Datarecording mit den GPS Laptimer CORSARO und STEALTH, Beschleunigungskurve
 

Spezielle Begebenheiten bei der Verwendung eines GPS Laptimer

Bei der Inbetriebnahme an einem neuen Standort, oder nach einer längeren Zeit, macht der Laptimer einen Kaltstart. Dieser dauert ca. 3-5 Minuten und muss stehend unter freinen Himmel erfolgen um die Sichtbarkeit zu den Satelliten zu gewährleisten.
Beim erneuten einschalten, am gleichen Standort, macht der Laptimer einen Warmstart, dieser dauert nur noch 5-15 Sekunden, jedoch sollte auch dieser im Stillstand erfolgen, damit das Gerät seine Position bestmöglich aktualisieren kann, was insbesondere für die Linienaufzeichnung wichtig ist.
Erst  nach der eigenen Standortbestimmung kann der Laptimer korrekt die Koordinaten an der Strecke erfassen.
Ja ein paar kleine Hintergrundinformationen helfen sicher einen perfekten Start mit dem neuen Laptimer zu bekommen.
Gib es grundsätzliche Dinge die bei der Verwendung einer GPS basierte Zeitnahme zu beachten sind?
Im Laptimer Stealth sind von uns bereits 16 Tracks hinterlegt worden, welche Sie bei der Bestellung mit angeben können (diese können auch wieder überschrieben werden). Beim Corsaro hinterlegen wir weitere 200 Standartstrecken, +16 von Ihnen wählbare Strecken.  Wählen sie ihre Strecke über das Menü aus.
Nach einem Standortwechsel erkennt der Laptimer in der Regel bereits beim Kaltstart die hinterlegte Strecke und bietet diese zur Verwendung an.
Wenn Sie an einer für das System unbekannten Strecke sind, kann der Laptimer die GPS Koordinaten für die Zeitnahme selbstständig und gänzlich ohne Ihr Zutun vom Corsaro oder auch Stealth Laptimer eingelesen werden. Verfahren Sie wie folgt:
Im Menü GPS bzw. TRACKS befindet sich der Unterpunkt „ SAFD-2“ oder „ Finish Linie Detect“.
Bitte wählen Sie diesen Punkt aus und bestätigen die Abfrage erst  in der Boxengasse.
Der Laptimer sucht sich nun bei der Fahrt nach der zweiten Runde anhand der max. Geschwindigkeit und Länge der Gerade eine eigene Ziellinie und in der dritten Runde die Zwischenzeiten. Die Zeitnahme beginnt in der 3. Runde automatisch. Wenn die Koordinaten gespeichert werden, muss dieser Vorgang nach einem Standortwechsel nicht mehr wiederholt werden.
Wenn Sie die GPS Koordinaten für die Zeitnahme des Laptimer selber setzen möchten, erklären wir Ihnen dies in den folgenden Absatz.
Gehen sie in das Menü „GPS“ / „TRACKS“ und wählen „learn Position
Bestätigen sie die Abfrage.
Es erscheint „INTERMED. 1
Fahren Sie nun auf die Strecke und drücken an der Stelle, wo die erste Zwischenzeit gesetzt werden soll die „ENTER“ Taste.
Es erscheint darauf „INTERMED. 2“ >>> „ENTER
Es erscheint darauf „INTERMED. 3“ >>> „ENTER
Es erscheint darauf „FINISH LINE

Wir haben hier einen weiteren Link der dir Informationen gibt wie du den Laptimer auch direkt auf der Rennstrecke anlernen kannst:
Setze die Streckenkoordinaten mit deinem Laptimer
 
Nehmen Sie sich die Zeit die originale Anleitung zu lesen, damit sie den vollen Umfang des Gerätes nutzen können, das weit mehr beinhaltet als nur einen GPS Laptimer.