GPS im Motorsport

Ausdauersportler dokumentieren ihre Trainingseinheiten immer häufiger mit einer GPS Pulsuhr.
Dass hochpräzises GPS Einfluss auch auf Wettkampfergebnisse in hochtechnisierten Sportarten haben kann, zeigt ein Beispiel aus dem Motorsport.

Bei Rennen – egal ob Auto oder Motorrad – wird die Rundenzeit über eine Induktionsschleife gemessen. Jedes Fahrzeug wird dazu mit einem Transponder ausgerüstet und gibt seine Kennung beim überfahren der Induktionsschleife ab. Mit dem Verfahren werden Rundenzeiten höchst genau ermittelt und in der Racecontrol der jeweiligen Rennstrecke erfasst.

Zur Information des Fahrers gibt es sogenannte Laptimer, die auf einem LCD Display die momentane und bisher schnellste Rundenzeit anzeigt. Früher waren diese Laptimer mit einem Infrarot Sender, der auf der Boxenmauer stand und einem onbord Empfänger ausgestattet.

Abschattung durch andere Fahrzeuge konnte zur Folge haben, dass Runden nicht richtig erfasst wurden. Heute verfügen Laptimer über ein GPS Modul, das von den meisten Rennstrecken die Ziellinie kennt und so die Rundenzeiten durch überfahren der Ziellinie mit GPS-Signalen berechnet.

Die Laptimer sind sehr kompakt, oft nur so groß wie ein Müsliriegel, damit diese auch an Rennmaschinen im Sichtfeld des Fahrers montiert werden können. Externe Software kann die Rundenzeiten und Rennstreckensegmente sehr gut analysieren und Potentiale aufzeigen. Das kann unter Umständen zur Verbesserung von Rundenzeiten beitragen.

Komponenten im Visier

Wenn man sich ein wenig mit GPS-Empfängern beschäftigt dann weiß man, dass die Genauigkeit von vielen Faktoren abhängt. Die Leistungsfähigkeit des GPS-Chipsatzes spielt, neben anderen Faktoren, ebenso eine Rolle, wie die Größe der Antenne. Und da sind wir schon beim ersten Problem: Eine gute Antenne, deren Qualität großen Einfluss auf die Qualität der Datenströme der Satelliten und Frequenzen hat, ist etwa 4x4cm groß und mehr als einen Zentimeter dick. Optimalerweise wäre sogar eine noch größere Metallplatte darunter montiert.

So eine Antenne würde niemals in einem hochkompakten Laptimer Platz finden. Zudem muss in dem Gerät noch Elektronik, der Akku und das LCD-Display Platz finden. Also wird die Technik auf den Platz optimiert,die Antenne stark reduziert. Auch die Kosten spielen eine Rolle. Gebräuchliche, gute Laptimer kosten schnell über 250 Euro und das schränkt den Kreis der Kaufwilligen ein.

Aber hochgenaue und damit noch wesentlich teurere GPS können auch Vorteile bringen. Bedenkt man, dass Rennfahrzeuge auf der Start/Ziellinie gerne mal über 200 km/h schnell sind, bedeutet dies, dass bei einer Abtastrate von 1Hz, also 1x pro Sekunde, das Fahrzeug zwischen zwei Messungen rund 55m zurücklegt. Dem kann man entgegen wirken, wenn die Abtastrate deutlich erhöht wird – auf 20Hz oder gar 50Hz. Dann läge man noch bei 1 Meter. Nun kommt aber auch noch die Ungenauigkeit des Empfängers, bedingt durch Antenne und Frequenzbandbreite ins Spiel. Und das kann sich in Metern ausdrücken oder in Zentimetern.

Herausforderung an die Technik

Klartext: Das Objekt ist extrem schnell und die Zielline im Prinzip unscharf definiert – eine echte Herausforderung!

Glücklicherweise kann man die Genauigkeit deutlich verbessern, wenn man das GPS-Signal einer Korrektur unterzieht, die Abweichungen weitgehend entfernt. Sehr gute GPS-Empfänger schaffen es so auf 2cm Genauigkeit – eine entsprechende Antenne vorausgesetzt.

Hohe Abtastrate, gute Antenne, Top-GPS-Empfänger und Korrektur bringen verlässliche Koordinaten – das wissen wir aus der Vermessung. Wie ist das im Motorsport leistbar? Wir haben den Versuch gemacht und einen Versuchsaufbau gewagt.

Unsere Wahl fiel auf einen Ublox F9P GPS Chipsatz, der im sehr kompakten EMLID M2 Modul verbaut ist. Übrigens derselbe Chipsatz wie im Flagschiff EMLID RS2. Kombiniert wurde das Gerät mit einer Ublox Antenne für die Satelliten des GPS-, Glonas- und Gallileo-Systems, also höchstmögliche Satellitenabdeckung und -auswahl. Versorgt werden das GPS-Modul und die aktive Antenne mit einem 10000mha Akkupack. Das GPS-Modul ist per Bluetooth zu Anzeigegeräten und mobile Units pairing fähig. Wir haben uns der Einfachheit halber für ein Smartphone mit hellem Display entschieden.

Als Lösung im Einsatz

Die Lösung setzt sich aus folgenden Bausteinen zusammen:
– EMLID M2
– Antenne
– Smartphone
– Akkupack

Mit RaceChrono die Rennstrecke in Segmente unterteilen und analysieren

RaceChrono

Die Software zum Aufzeichnen der GPS-Spur und weiterer Daten aus einem Telemetriemodul ist ein wesentlicher Baustein, die zum Gelingen des Projektes beiträgt.

Nach diversen Tests haben wir uns für RaceChrono entschieden.

Aufzeichnung in Sektoren

Aufzeichnung Runde für Runde, unbarmherzig genau und in Sektoren unterteilt. Aus allen besten Sektoren wird die mögliche „virtuelle, schnellste Runde“ errechnet.

Detaillierte Auswertung und Analyse der Daten an jedem beliebigen Punkt


Die Software erlaubt es, die Rennstrecke in Segmente zu unterteilen, um die Abschnittsanalyse zu unterstützen. Gleichzeitig kann aus allen optimal durchfahrenen Segmenten die optimale Runde ermittelt werden – die Rundenzeit, die der Fahrer erreichen könnte, wenn er es schafft, alle optimalen Streckensegmente aneinander zu reihen.

Weil über ein OBD Interface alle Fahrzeugparameter synchron zum GPS mitgeschnitten werden, ist schnell sichtbar, wo die Drosselklappen zu spät geöffnet oder der Bremspunkt beherzt übersehen wurde. Richtig analysiert und umgesetzt, verhilft es zu besseren Rundenzeiten. Auch die präzise Anzeige der Linienwahl auf der Strecke hilft dem Fahrer, die schnellste Linie auf der Rennstrecke zu identifizieren. Einen halben Meter weiter außen kann bedeuten, am Kurvenausgang früher am Gas und beim nächsten Bremspunkt 5 km/h schneller zu sein als bisher! Das bringt die Rundenzeiten nach unten.

Zum Test mit der Suzuki auf die Rennstrecke

Suzuki GSX-R750
Versuchsträger war eine Suzuki GSX-R750, die explizit für die Rennstrecke aufgebaut wurde.

Die Elektronik wurde im Heck des Fahrzeugs verstaut, die GPS Antenne wurde auf dem Sitzhöcker mit extrem starkem Klett fixiert.

Das Anzeigedisplay – in unserem Fall ein Smartphone von Sony – fand seinen Platz, ebenfalls mit Klett fixiert, auf dem Tank im direkten Sichtbereich des Fahrers.

RaceChrono-Display im Rennbetrieb

Die Anzeige für den Fahrer ist auf das Wesentliche reduziert und zeigt die letzte Runde, die gegenwärtige Runde und die schnellste Runde. Zusätzlich ist die Rundendifferenz zwischen der gegenwärtigen und der schnellsten Runde im Display eingeblendet, was den Fahrer bei seiner Attacke unterstützt.


Rennstrecke von Mettet

Die Tests fanden in Belgien auf der neuen Rennstrecke von Mettet statt.


GPS-Korrektur NTRIP Dienst 

Zur GPS-Korrektur wurde der Ntrip Dienst des EUREF Permanent GNSS Networks genutzt, dessen nächstgelegenen Referenzstation nur wenige Kilometer entfernt in Dourbes steht.


Sollte kein entsprechend nahe gelegener und frei konsumierbarer Korrekturdienst zur Verfügung stehen, kann mit dem EMLID M2 und einem EMLID RS2 eine Base-Rover-Konstellation aufgebaut werden. Dabei sendet der EMLID RS2 Empfänger, der an einem festen Punkt als Base steht, die Korrekturdaten an das EMLID M2 am Fahrzeug. Die Sendereichweite im freien Feld ist mit über 50km mehr als ausreichend.

Die Ergebnisse unseres Tests

Sehr schnell zeigte sich, dass die hohe Genauigkeit der Positionsbestimmung sich bemerkbar macht.

Während ein anderer, alternativ installierter GPS Empfänger – Modell NAVILOCK BT-821G Bluetooth GNSS – große Abweichungen in der Lage und damit in der Genauigkeit erkennen ließ, zeigte sich das Ublox F9P basierende EMLID M2 mit aktiver Antenne höchst Lagegenau. Die aufgezeichneten Fahrspuren stimmten exakt mit den gewählten Linien auf der Rennstrecke überein.  Selbst Überholmanöver waren in der Datenaufzeichnung deutlich erkennbar.

Da auch die Neigungswinkel des Fahrzeuges mitgeschrieben wurden war erkennbar, wo das Fahrzeug in Schräglage ging – und das Datarecording über OBD zeigte, wie tief in Schräglage in die Kurve hinein gebremst und ab wann – noch in Schräglage – wieder Gas angelegt wurde.

Die Empfängereinheit am Fahrzeug arbeitet sehr stabil und unbeeinflusst von elektronischen Störquellen, die von Fahrzeug ausgehen, wie zum Beispiel Hochleistungszündspulen und elektronische Steuereinheiten.

Die Montage des Display am vorderen Tank war gut ablesbar und zeigte – zur Freude des Fahrers – klare Informationen über aktuelle und schnellste Runde sowie die tendenzielle Veränderung der Rundenzeit.  Die Akkuleistung aller Bauteile reichte über alle, über den Tag verteilte Trainingssessions.

Der Vergleich mit der offiziellen Zeitnahme ergab eine minimale Differenz im Bereich von Null bis wenige Hundertstel der Rundenzeiten.

Abschließend kann man feststellen, dass mit vergleichbar geringem finanziellem und technischem Aufwand eine signifikante Verbesserung der Genauigkeit in Verbindung mit dem OBD Datarecording erreicht wurde.