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Wenn die Satelliten für Sie lenken und schalten

Beim Test der Maisdrillen mit automatischer Teilbreitenschaltung im letztem Jahr wurde es uns mal wieder deutlich: Praktisch ist nicht immer einfach. Teils hatten selbst die Produktspezialisten der Firmen Schwierigkeiten, die GPS-Systeme zum Laufen zu bringen. Guido Höner berichtet für die top agrar 8/2017

Lesezeit: 14 Minuten

Beim Test der Maisdrillen mit automatischer Teilbreitenschaltung im letztem Jahr wurde es uns mal wieder deutlich: Praktisch ist nicht immer einfach. Teils hatten selbst die Produktspezialisten der Firmen Schwierigkeiten, die GPS-Systeme zum Laufen zu bringen. Guido Höner berichtet für die top agrar 8/2017:


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Wir wollten deshalb wissen, wie die Technik genau funktioniert und wo es noch hakt. Deshalb haben wir Spezialisten von Case IH, Claas-Easy, Fendt, John Deere, Müller-Elektronik und Vantage ES/geo-konzept (Trimble) zu einem Expertengespräch in die Redaktion eingeladen und das Thema intensiv mit ihnen diskutiert. Dabei ging es weniger um die Herstellerlösungen, sondern um grundsätzliche Zusammenhänge.


1. Wie funktioniert das?


Die Positionierung arbeitet mit einem „Netz“ von Satelliten, die permanent Signale bzw. Datenpakete zur Erde senden. Eine Antenne leitet die Signale an hochgenaue Empfänger auf der Maschine weiter. Die Empfänger – die entweder direkt in der Antenne oder aber im Terminal integriert sind – errechnen aus der Laufzeit der Signale mehrerer Satelliten zum Empfänger die Position.


Derzeit gibt es zwei nutzbare Satelliten-Systeme:

Das amerikanische NavStar-GPS und das russische Glonass. Inklusive der Reservesatelliten hat das NavStar aktuell 31 und das Glonass 24 Satelliten. In Europa lassen sich davon maximal zwölf NavStar- und sechs bis acht Glonass-Satelliten nutzen.


Die Anzahl der verfügbaren Satellitenverbindungen ist abhängig von der Tageszeit. Für die präzise Position sind vier Satelliten eines Systems die absolute Untergrenze. Geht dann die Verbindung zu einem dieser Satelliten verloren, fällt das System aus. Mit der kostenlosen App „GPS Plan“ kann man per Smartphone testen, wie viele Satelliten gerade verfügbar sind. Generell wechselt die „Abdeckung“ mit nutzbaren Satelliten je nach Tageszeit. Wobei gute oder weniger gute Zeiten wechseln.


Auch Europäer und Chinesen arbeiten an eigenen Systemen. Für das europäische Galileo der Raumfahrtagentur ESA sind derzeit erst acht Satelliten im All. Der Testbetrieb soll 2018 starten. Es wird noch einige Jahre dauern, bis das System komplett ist. Ein kompatibles Korrektursignal ist noch nicht verfügbar, soll aber ebenfalls von der ESA kommen. Die meisten aktuellen Empfänger können die Frequenz des Galileo-Systems empfangen – Käufer begeben sich also nicht in eine Sackgasse.


2. Was stört den Empfang?


Störungen und Ungenauigkeiten sind relativ häufig und ärgerlich. Die Atmosphäre dämpft das Signal der Satelliten. Dazu kommen vor allem in südlicher Richtung Reflektionen bzw. Abschattungen, z. B. von Waldkanten, Hochspannungstrassen mit datenführenden Leitungen oder schnell drehenden Windrädern. Wenn es also auf Genauigkeit ankommt, sollte man diese Bereiche außerhalb der satellitenschwachen Zeiten bearbeiten.


In Richtung Süden geht es um geostationäre Satelliten, die Korrektursignale wie RTX oder StarFire versenden. Für GPS oder Glonass ist die Sicht speziell Richtung Süden nicht relevant – diese Satelliten sind über den kompletten Horizont verteilt. Umso weiter die Bahn aber Richtung Horizont frei ist, desto besser.

Um möglichst viele Satelliten zu empfangen, nutzen höherwertige Systeme auf den Maschinen beide Satelliten-Verbünde parallel. Diese Systeme greifen auf alle „sichtbaren“ Satelliten zu. Dazu muss der Empfänger teils auf „Autoscann“ eingestellt sein, was aber meist ab Werk der Fall ist. Je nach Hersteller ist das serienmäßig oder für rund 100 € freischaltbar.


3. Warum muss man korrigieren?


Durch die genannten Störungen liegt die Genauigkeit der reinen Satelliten-Navigation bei maximal ± 3 Meter. Das reicht für ein Auto-Navi oder den GPS-Empfänger im Smartphone, nicht aber für Anwendungen wie die Teilbreitenschaltung SectionControl oder das präzise Lenken.


Für mehr Genauigkeit sorgen Korrektur-Signale: Diese Signale arbeiten mit festen Referenzstationen, deren Position am Boden exakt vermessen ist. Die Referenzstation empfängt ebenfalls das Satelliten-Signal und vergleicht dieses mit seiner genauen Position. Daraus ergibt sich ein Korrekturfaktor. Die Maschine im Feld empfängt den Faktor per Satellit, per Funk oder übers Mobilfunknetz. Der Empfänger korrigiert die Satelliten-Position dann entsprechend.


Die Genauigkeit und damit auch der Preis des Korrektur-Signals richten sich nach dem Aufwand. Entscheidend ist die Maschenweite des Korrekturnetzwerks. In Netzwerken wird durch die Differenzmessung eine höhere Genauigkeit erreicht. Je mehr Referenzstationen integriert sind und je näher diese am Feld sind, auf dem die Maschine gerade arbeitet, desto besser. Im Idealfall kommuniziert die Referenzstation mit derselben Satellitenkonstellation wie die Maschine. Im Schnitt wächst die Ungenauigkeit um 0,1 cm pro km Entfernung von der Referenzstation. Das jeweilige Korrektursignal muss zum Satelliten-System passen. Reine Signale für das NavStar können keine Glonass-Werte korrigieren und umgekehrt.


Wichtig bei der Angabe der Genauigkeit eines Referenzsignals ist der Zeitraum. Je länger die Positionierung her ist, desto größer die Abweichung. Viele Anbieter geben die „relative“ Genauigkeit von Spur-zu-Spur und die „statische“ Genauigkeit an. Bei Spur-zu-Spur beträgt der Zeitraum meist 15 Minuten. Nach einer längeren Arbeitsunterbrechung ist die Abweichung also größer.


Zudem braucht der Empfänger eine gewisse Zeit nach dem Start, bis die maximale Genauigkeit vor Ort erreicht ist – er muss sich auf das Signal einrichten. Dieser Zeitraum ist von Signal zu Signal unterschiedlich. So erreicht das relativ „grobe“ Egnos nach 1 bis 5 Minuten seine maximale Genauigkeit, andere präzisere Systeme brauchen bis zu 15 (oder teils 30) Minuten. Bei den meisten Empfängern ist zumindest ein einfacheres Korrektur-Signal serienmäßig. RTK ist oft direkt nach dem Hochfahren des Systems verfügbar.


4. Welche Korrektur-Signale?


Die Expertenrunde hat uns einen Überblick über Korrektur-Signale und Preise gegeben. Meist fällt eine einmalige Gebühr zum Freischalten der einfacheren Signale an. Für die genaueren Signale berechnen die Anbieter oft eine jährliche Gebühr. Zwar bieten einige die Möglichkeit, das Signal für einen kürzeren Zeitraum zu buchen, der Preis dafür ist aber oft so nah an der Jahresgebühr, dass sich das kaum lohnt. Teils lässt sich das Signal abwechselnd auf verschiedenen Maschinen eines Betriebes nutzen.


  • Egnos: Das Einsteiger-Signal stammt von der ESA. Es lässt sich kostenlos empfangen und korrigiert lediglich die NavStar-Satelliten. Die Spur-zu-Spur-Genauigkeit liegt bei ± 30 cm, die statische bei ca. 1,50 m.



  • John Deere: Das Signal StarFire 1 (SF1) ist ohne weitere Kosten nutzbar und soll eine Genauigkeit von ± 15 cm erreichen. Wenn das Lenken freigeschaltet wird, steht es direkt zur Verfügung. Das Signal SF2 für die bisherigen StarFire 3000-Empfänger erreicht eine Genauigkeit von ± 5 cm Spur-zu-Spur und kostet 650 €/Jahr. Das SF3-Signal, das es nur für die StarFire 6000 gibt, erreicht eine relative Genauigkeit von ± 3 cm und kostet jährlich 850 € (bei einem 3-Jahres-Abo 666 €/Jahr). John Deere garantiert auf neun Monate eine wiederholbare Genauigkeit (alle Preise im Text: Herstellerlistenpreise, o. MwSt.). Für die automatische Teilbreitenschaltung steht das GPS bei John Deere direkt zur Verfügung. Das automatische Lenken AutoTrac muss man am Terminal kostenpflichtig freischalten.



  • Trimble beliefert u.a. Agco (Fendt, MF, Valtra) und CNH Industrial (Case IH, Steyr, New Holland) mit Sat-Systemen. Im ersten Jahr sind die Signale kostenlos. Das Signal RangePoint RTX kostet dann ab dem zweiten Nutzungsjahr 295 €/Jahr und erreicht 10 bis 15 cm Genauigkeit Spur-zu-Spur (50 cm statisch). Es lässt sich auch kostenlos für Glonass freischalten. Das genauere CenterPoint RTX kostet rund 900 €. Es erreicht relativ und statisch ± 4 cm.



  • Novatel: Fendt, CNH Industrial sowie Müller-Elektronik setzen teils auf die Technik von Novatel mit den Signalen Terrastar C und Terrastar L.



  • Claas arbeitet mit den Korrekturdiensten Egnos und OmniStar zusammen.



  • RTK: Das RTK (Real-Time-Kinematic) bietet die höchste Genauigkeit und eine Wiederholbarkeit teils über Jahre. Das geht über räumliche Nähe, ein enges Netzwerk und/oder aufwendige Berechnungsverfahren. Die Bezeichnung RTK ist kein einzelnes Signal oder ein spezieller Anbieter, sondern meint das Verfahren. Deshalb kann die Qualität je nach Anbieter auch unterschiedlich sein. Einige RTK-Anbieter bzw. Signale sind kompatibel mit Glonass, einige nicht. Gängige sind u.a. AgcelNet, Axionet mit FarmRTK, Trimble VRS now, Case IH mit RTK+, SmartNet von Leica Geosystems.


Teils basieren die Angebote einiger Landmaschinenhersteller auf diesen Diensten, wie z. B. das John Deere Mobile-RTK-Signal auf Basis des Leica SmartNet. Der Dienst Sapos ist eine Kooperation der Vermessungsdienste der Länder mit Leica Geosystems. Das Leica SmartNet nutzt die Sapos Rohdaten und bereitet sie mit der SpiderNet-Software auf. In einigen Bundesländern steht er sogar kostenlos zur Verfügung, wie z. B. in Thüringen oder Rheinland-Pfalz.


Je nach System nimmt der Schlepper Kontakt mit der jeweils nächsten Referenzstation auf (Nearest Base). Diese Station kann z. B. beim Landhandel oder Maschinenhändler montiert sein. Mobile Stationen auf Dreibeinen haben heute nur noch bei speziellen Arbeiten eine Bedeutung (z. B. Planierarbeiten). Oder der Traktor nutzt ein RTK-Netzwerk (Mobile RTK) und verwendet den Korrekturfaktor der nächsten Station, bzw. greift zu auf eine sogenannte Virtuelle Referenzstation (VRS). Hierbei wird mithilfe der umliegenden Stationen eine virtuelle Station errechnet.


Die Übertragung der Signale läuft entweder über ein teilweise genehmigungspflichtiges Funksignal oder über das GSM-Mobilfunknetz (Mobile RTK). Die Übertragung per Funk hat eine Reichweite von maximal 15 km. Wenn das Gelände eben ist und der Sender nicht zu weit weg ist, funktioniert das ordentlich.


Mobile RTK setzt sich durch:


Der Trend geht aber in Richtung Mobile RTK. Dazu sind die Maschinen mit einer Mobilfunk-Einheit ausgestattet, die das Handynetz nutzt. Die Datenmenge ist überschaubar: Das Standard-Datenformat RTCM erzeugt in etwa eine Datenmenge von 1,3 MB pro Stunde. Auch in der Saison reicht ein Datenvolumen von 1 GB/Monat aus. Wichtig ist, dass die Datenübertragung bei eventuell aufgebrauchten Volumen nicht komplett stoppt. Eine gedrosselte Datenübertragung ist dagegen meist kein Problem. Doch einige Praktiker berichten uns, dass es in der Nähe von Autobahnen bei Staus oder bei benachbarten Schulen in den Pausen durch intensive Nutzung zu Problemen mit dem Mobilnetz kam. In unserer Diskussion hielten das die Experten aber eher für unwahrscheinlich.


Die Fachleute raten dazu, sich für SIM-Karten vom Netzbetreiber und nicht von Billiganbietern zu entscheiden. Bei bestehenden Handyverträgen geht das meist über eine Twin- oder Partnerkarte. Wenn der Schlepper ohnehin mit einem Telemetrie-System ausgestattet ist, können einige Systeme auch so die Mobile RTK-Daten empfangen.


Probleme mit dem Empfang kann es mitunter bei schlechter Netzabdeckung und/oder in Grenzregionen zu Nachbarländern geben. Dann sind Multi-SIM- Karten sinnvoll, die unterschiedliche Netze nutzen können (z. B. von KPN oder AT&T).


5. Und wenn das RTK abreißt?


Bei Ausfall des RTK-Signals irren die Maschinen nicht orientierungslos über den Acker. Einige Firmen haben Möglichkeiten gefunden, das Signal zu überbrücken. Trimble nennt das bspw. XFill: Bei Ausfall des RTK-Signals übernimmt automatisch das eigene, recht genaue Korrektur-Signal vom CenterPoint RTX. Ein Rechenalgorithmus verknüpft dazu die zuletzt empfangenen RTK-Korrekturen mit dem CenterPoint RTX). In der Basisausstattung geht das 20 Minuten (laut Anbieter in den ersten 5 Minuten in RTK-Genauigkeit, danach abnehmend).


In der kostenpflichtigen Premium- Version steht das Signal auch länger zur Verfügung. Novatel oder Müller-Elektronik schalten bei RTK-Ausfall in den Gleitalgorithmus GLIDE und arbeiten mit einer empfängerinternen Überbrückung.


Claas nutzt einen dynamischen Rechenprozess über zwei bis fünf Minuten und schaltet dann in den Egnos-Gleitmodus. John Deere bietet bei allen RTK-Systemen das RTK-X an. Sollte das RTK verloren sein, rechnet der Empfänger den wahrscheinlichen Verlauf der Satellitendrift weiter (StarFire 6000 bietet 14 Tage RTK-X, wenn vorher mindestens eine Stunde RTK verfügbar war).


Alle Systeme schalten automatisch auf RTK zurück, sobald das Signal wieder zur Verfügung steht. Natürlich muss während der gesamten Phase der Empfang der GPS- oder Glonass-Satelliten gewährleistet sein.


6. Welche Systeme für die Praxis?


Beim Einstieg sollte man generell beachten, dass die Hersteller ihre Systeme unterschiedlich aufbauen: Lässt sich das System später ausbauen bzw. weiter freischalten oder endet die Architektur in einer Sackgasse?


Ein komplettes Lenksystem besteht aus einem Display, der GPS-Antenne plus einer GSM-Antenne für Mobile RTK, aus dem Empfänger (entweder in der Antenne oder im Display integriert), dem Navigationsrechner (Controller), dem Lenkventil und ggf. dem Lenkwinkelsensor. Neben den Positionsdaten muss der Rechner fürs präzise Lenken auch die Abstände der Antenne zu den Achsen sowie ihre Höhe kennen und u.a. über Gyroskope die Bewegungen in allen Richtungen erfassen.


Nach wie vor gibt es eine Nachfrage nach Parallelfahr-Hilfen. Der Fahrer richtet sich dabei nach dem Monitor und lenkt selbst. Korrigiert mit Egnos oder RangePoint RTX liegt die erreichbare Genauigkeit Spur-zu-Spur bei ± 10 bis 15 cm – je nach Fähigkeiten des Fahrers. Der Preis für diese Einsteigerlösungen beträgt 1 600 bis 2 000 €. Einige Systeme lassen sich auch nachträglich auf Lenkradmotoren freischalten bzw. aufrüsten.


Ein Lenkrad mit einem integrierten Elektromotor gibt es ab rund 800 €. Diese Systeme lassen sich oft herstellerübergreifend an Traktoren nachrüsten. Auch hiernach gibt es immer noch Nachfrage. Alternativ bieten Zulieferer, wie z. B. Müller-Elektronik, Trimble oder auch Traktorenhersteller maßgeschneiderte Nachrüstlösungen mit elektronischen Lenkventilen an, die auf die Schleppermodelle abgestimmt sind. Weil es um einen Eingriff in das Lenksystem geht, gehört ein Mustergutachten dazu. Trotzdem muss der Traktor nach dem Einbau beim Sachverständigen von TÜV oder Dekra vorgestellt werden. Wichtig für die Genauigkeit ist auch die Fahrgeschwindigkeit: Lenkassistenten erreichen über 5 km/h Genauigkeiten bis auf RTK-Niveau. Bei geringeren Geschwindigkeiten sind zusätzliche Lenkwinkelsensoren für hohe Genauigkeiten notwendig, was die Sache deutlich teurer macht.


Vorrüstung ab 90 PS:


Ab Werk gibt es optionale Vorrüstungen fürs Lenksystem mittlerweile ab ca. 90 PS. Darin enthalten sind das Lenkventil, der fertig verlegte Kabelbaum sowie die passenden Stecker in der Kabine. Der Preis dafür liegt im Schnitt bei 2 500 €. Vor allem wenn der Traktor in absehbarer Zeit wieder verkauft werden soll, ist diese Ausstattung sinnvoll, auch wenn man nicht direkt selbst die Lenkung nutzen möchte. In der Klasse bis 180 PS werden mittlerweile ca. 50 % der Traktoren in Deutschland so ausgeliefert, darüber nahezu 100 %.


Viele Praktiker wollen die Komponenten gerne innerhalb ihres mehrfarbigen Maschinenparks tauschen. Generell ist das bei Zulieferern wie Trimble oder Müller-Elektronik einfacher möglich als bei geschlossenen Lösungen. Wichtig ist wieder die Architektur des Systems und wo welche Komponenten angeordnet sind. Man sollte also vor dem Kauf klären, ob das System auch mit dem gesamten Maschinenpark kompatibel ist und wie sich die Komponenten (Terminal/Empfänger) von einer Maschine zur anderen wechseln lassen.


Bei neueren Schleppern mit elektronischen Lenkventilen können die Systeme teils direkt über das BUS-System angeschlossen werden (Standard: Steer-Ready bzw. AutoguidanceReady). Der Lenk-BUS ist vom restlichen Daten-BUS des Traktors abgeschirmt und bei vielen Firmen zugänglich. Claas bietet diese Schnittstellen bei den Traktoren bisher nicht an, aber Claas-Lenksysteme kann man wie die der anderen Firmen sehr wohl auf anderen Schleppern einsetzen. Doch eine offizielle, genormte Standard- Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Lenksystem wird derzeit noch von keinem Hersteller angeboten. Die AEF arbeitet daran, dass im Rahmen der Isobus- Funktionalität TIM auch eine genormte Steuerung der Lenkung möglich ist.


Die Positionsdaten lassen sich per serieller Schnittstelle für angebaute Geräte nutzen, z. B. für die automatische Teilbreitenschaltung SectionControl. Die Daten sind über das NMEA-Protokoll genormt. Eigentlich können alle Systeme darüber miteinander kommunizieren.


Doch in der Praxis scheitert die Kommunikation teils an der falschen Einstellung der Treiber. Unter anderem müssen die Datenrate (Baudrate, Bits pro Sekunde) und die Frequenz passend eingestellt sein. Die Teilbreitenschaltung kommt meistens mit einer Frequenz von 5 Hz und 1 920 Baudrate aus. Ein Lenksystem braucht bereits eine Frequenz von 10 bis 20 Hz.


Eine Ursache von Störungen sind auch Updates (bzw. unterschiedliche Software-Stände der Traktoren/Geräte). Die Experten raten deshalb dazu, nach einem Update die Funktionen rechtzeitig zu testen und nicht erst unmittelbar vor dem Einsatz. Wenn das System bisher vernünftig arbeitet, das Update lieber nach den Einsatz durchführen.


7. Spuren kaum zu übertragen


Je genauer das System arbeitet, desto mehr wünschen sich die Praktiker das exakte Übertragen der Spuren von einer zur nächsten Maschine: hochpräzises Legen der Rüben, hacken längs und quer. Gülle einbringen per StripTill.


Vor allem wenn der Lohnunternehmer einen Teil erledigt hat, sind herstellerübergreifende Lösungen gefragt. Doch bisher ist das Übertragen von exakten Spuren zwischen unterschiedlichen Systemen kaum möglich. Lediglich die Schlaggrenzen und die erste AB-Linie kann man teils per Stick im Shape-Format von Terminal zu Terminal spielen.


Eventuell klappt das auch per Umweg über die Ackerschlagkartei im Dateiformat ISO-XML. Und bei beiden Wegen ist es alles andere als sicher, dass sich die folgenden Spuren exakt decken. Bei Konturen wird es nahezu unmöglich.


Grund sind die stark unterschiedlichen Berechnungen, die hinter der Spurführung liegen. Das eine System betrachtet die Erde als Ebene, das andere berücksichtigt auch die Erdkrümmung. Selbst wenn die Ausgangskoordinaten passen: Bei der Weiterberechnung unterscheiden sich die Systeme stark. Je weiter die Distanzen und je stärker die Hangneigung, desto größer die Abweichung. Eine kurzfristige Verbesserung der Situation erwarten nur wenige unserer Experten. Mit RTK lenken alle sehr genau – nur auf ihren eigenen Spuren.

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