Global Positioning System/ Navigation

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Global Positioning System/ Navigation

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem globalen Navigationssatellitensystem Global Positioning System (GPS) und seiner Bedeutung speziell für den Bereich Offroad.
Mit "GPS" ist meistens umgangssprachlich Satellitennavigation gemeint. Der Begriff GPS steht jedoch für ein konkretes System mit der Bezeichnung NAVSTAR.


Dieser Artikel soll nicht die gesamte technische Funktionsweise des GPS-Systems erklären; dies wurde an anderen Stellen bereits besser umgesetzt.


Geschichte

HTC HD2 mit GPS Sport Tracker
Das Global Positioning System wurde vom US-Verteidigungsministerium entwickelt und in Betrieb genommen. Am 02. Mai 2000 wurde in dem System eine künstliche Verschlechterung des Signals SA - Selective Availability abgeschaltet und so wurde GPS für Jedermann nutzbar.

Funktion

Die Positionsbestimmung über Satelliten basiert auf der Übermittlung von der exakten Uhrzeit und der aktuellen Position der Satelliten selbst. Mittels Triangulation, (siehe Globales Navigationssatellitensystem), wird aus diesen Signalen dann die aktuelle Position bestimmt. Mit einem für das jeweilige System geeigneten Empfänger (GPSR) können diese Signale ausgewertet und die eigene Postion berechnet werden.

Geräte und Karten

Grundsätzlich wird auf Grund der oben beschriebenen Funktionsweise nur eine aktuelle Ortsbestimmung durchgeführt. Die tatsächliche Navigation ergibt sich aus der Funktion der verwendeten Empfänger. Hier kann man zwischen Punkt-zu-Punkt-Navigation (über sog. Wegpunkte oder Waypoints) und dem selbständigen Routing unterscheiden. Bei Navigation über Wegpunkte wird im einfachsten Fall ein Ziel definiert und dann über den Empfänger der direkte Weg in einer geraden Linie angezeigt. Hierbei ist zu beachten, dass man sich den tatsächlichen Weg (die "Route") zu dem Zielpunkt selbst suchen muss. In der zweiten Variante wird ebenfalls der Zielpunkt definiert und dann mit dem entsprechenden GPSR und einer routenfähigen Software eine Route automatisch berechnet. Um Einfluss auf die Route zu nehmen, kann man bei vielen Geräten Schwerpunkte setzen (z. B. vorwiegend Autobahn, kürzeste Strecke, schnellste Fahrzeit).

Die Offroad-Navigation beinhaltet spezielle Vorgehensweisen, da -wie der Name schon sagt- die Navigation "abseits der Straße" statt findet. Der überwiegende Teil der routingfähigen Karten und Software kann genau mit diesem Umstand jedoch nicht wirklich gute Ergebnisse liefern, da die benutzen Wege im besten Fall noch auf dem Kartenmaterial abgebildet, aber nicht aktiv in das Routing mit einbezogen werden.

Der Offroader muss also zusätzliche Vorbereitungen treffen, um zuverlässig von einem Punkt zum nächsten zu navigieren.


Was wird benötigt?

Geräte (beispielhafte Aufzählung)
Fahrzeug-GPS, Zusätzlicher GPS-Receiver (sog. Handhelds), Smartphone, Notebook/Netbook mit GPS-Maus

Nach Erfahrungen des Autors sind zusätzliche GPS-Receiver am besten für die Offroad-Navigation geeignet. Zum Beispiel Empfänger der Hersteller Garmin, Magellan oder Trimble, um nur einige Hersteller zu nennen. Eine konkrete Geräteempfehlung soll hier bewusst nicht gegeben werden, da die Auswahl sehr stark vom Einsatzzweck und den persönlichen Vorlieben des Anwenders abhängig ist. Für alle Geräte gilt jedoch, dass man sich intensiv mit den Möglichkeiten und der späteren Systempflege beschäftigen muss. Für die Geräte der Markenhersteller werden regelmässig Firmware-Updates, aktualisiertes Kartenmaterial (für das Gerät und ggf. vorhandene Software), sowie Tools zur Modifizierung und Steuerung bereitgestellt.

Die fahrzeugspezifischen Empfänger (Festeinbau) sind im Regelfall auf ein Kartensystem festgelegt und unterstützen meistens nur ein Koordinatensystem. Der Kartentausch ist zwar grundsätzlich möglich, jedoch aus lizenzrechtlichen Gründen und technischen Beschränkungen, z. B. die Verwendung von zusätzlichen Speichermedien nur eingeschränkt durchführbar. Teilweise wird der Zugriff auf das System auch vollständig durch den Hersteller unterbunden und ein Austausch der Karten oder Upgrade der Firmware ist nur durch eine Fachwerkstatt möglich.

Smartphones sind zwar grundsätzlich von der Funktion her geeignet, jedoch sind die Navigationsmöglichkeiten im Regelfall rudimentär und durch die verwendete Software im flexiblen Gebrauch eingeschränkt. Weitere Nachteile sind mangelnde Robustheit durch nicht ausreichenden Gehäuseschutz und die im Vergleich zu einem speziellen GPSR mangelnde Funktionssicherheit. 

Ebenfalls sollte im Offroad-Bereich immer der Notfallgedanke eine wichtige Rolle spielen. Ein GPSR sollte mit handelsüblichen Batterien (z. B. AA oder AAA Zellen) bestückt werden können. Dies ist bei Smartphones durch die Verwendung von Akkus regelmäßig nicht möglich. In diesen Fällen muss dann eine externe Stromquelle zur Verfügung stehen. Muss das Fahrzeug im Gelände aufgegeben werden, fällt früher oder später auch die Navigation aus, während man einen Handheld mit einem kleinen Vorrat an Batterien tagelang weiter nutzen kann.

Notebooks oder Netbooks können relativ leicht für die Nutzung des GPS-Signals aus- bzw. umgerüstet werden. Z. B. durch eine "GPS-Maus" der Firmen Navilock oder Holux. Auch über Bluetooth ist eine Verbindung zu einem Mobiltelefon mit GPS oder einem Navigationsgerät, welches Bluetooth unterstützt, möglich. In Verbindung mit der geeigneten Software kann man im Fahrzeug damit eine sehr gute Kartendarstellung erzielen und hat die Vorteile von Touchpad und Tastatur. Auch die Planung einer manuellen Route ist damit komfortabel möglich. Die Einschränkungen hinsichtlich Stromversorgung und Ausfallsicherheit gelten allerdings auch für diese Kombination. Zur Navigationsunterstützung sind Notebooks jedoch meiner Meinung nach sehr empfehlenswert.

 
Kartenmaterial (beispielhafte Aufzählung)
Geräte-Karten, kommerzielle Karten, freies Kartenmaterial, topografische Karten, Straßennetzkarten, selbst erstellte Karten z. B. mittels Scanner

Es gibt unterschiedliche Arten von Kartenmaterial und schon beim Kauf eines Gerätes kann man diesbezüglich häufig eine Entscheidung treffen. Da das Kartenmaterial der Gerätehersteller in Relation zu dem Gerätepreis relativ teuer ist, lohnt es sich in Einzelfällen sogar auf eine werkseitige Ausstattung mit Karten zu verzichten. Die Geräte werden dann im Regelfall mit einer weltweiten "Basiskarte" ausgeliefert. Das Gerät muss dann durch den Besitzer auf seine eigenen Bedürfnisse angepasst werden.

Übersicht der unterschiedlichen Kartenarten

  1. Geräte-Karten werden mit dem Gerät erworben und können durch den Anwender sofort genutzt werden. Welche Karte sich auf dem Gerät befindet, muss vor dem Kauf beachtet werden.
  2. Kommerzielle Karten können nachträglich gekauft und auf dem Gerät für unterschiedliche Anwendungszwecke installiert werden. Bei Verwendung von Speicherkarten ist auch ein Wechsel der Karten möglich.
  3. Freies Kartenmaterial wird aus unterschiedlichen Quellen bereitgestellt. Ein sehr gutes Beispiel für freie Karten ist z. B. Open Street Map. Diese Karten bieten eine sehr hohe Detaildichte, werden ständig erweitert und aktualisiert. Für Garmin GPSR gibt es dort Images, die direkt auf die Speicherkarte des GPSR kopiert werden können (zur Zeit meistens in der Aufteilung Deutschland, Europa oder Global). Der hauptsächliche Vorteil ist, dass der Anwender sich nicht das Wissen aneignen muss, wie man die Karten selbst anlegt und die oft stundenlange Berechnung des Kartenmaterials auf dem PC und das spätere Kopieren auf das GPSR entfallen.
    Als Beispiele möchte ich auf die Karten All-in-one Garmin Map und die Karten von Computerteddy hinweisen. Seit Jahren sind die beiden Karten kostenfrei verfügbar und von sehr hoher Qualität (soweit sich das durch Stichproben überprüfen lässt).
    Seit einiger Zeit sind die Karten sogar für das Straßennetz routingfähig.
  4. Topgrafische Karten stellen das Gelände und z. B. auch kleine Feldwege und oft auch Höhenlinien dar. Sie sind für Offroad-Touren meistens am besten geeignet.
  5. Straßennetzkarten stellen das -öffentlich- befahrbare Straßennetz dar und sind routingfähig. Sie können also in Verbindung mit einem entsprechenden Empfänger selbständig ein Weg vom Startpunkt bis zum Zielpunkt generieren.
  6. Für selbst erstellte Karten ist ein umfangreiches Wissen über die Quelle des Materials und das verwendete Gerät erforderlich. Der Zeitaufwand zum Erstellen einer verlässlichen Karte kann mehrere Stunden betragen. Dafür kann sie dann aber auch die individuellen Anforderungen des Besitzers erfüllen. Besonders wichtig ist das "Einmessen" der Karte mit Geo-Referenzpunkten. Diese müssen so exakt wie möglich sein.
  7. Hybridkarten stellen eine Mischung von Straßen- und Gelände- oder Satellitenkarten dar. Sie können einem Offroad gute Anhaltspunkte für den Standort und die zu wählende Fahrtrichtung geben.


Beispieldarstellungen des Offroad-Gelände "Freizeitpark Mammut", Stadtoldendorf
An den Bildausschnitten kann man deutlich erkennen, warum die topografische Karte für Offroad-Navigation am besten geeignet ist. Während die
Straßenkarten das Gelände im Regelfall überhaupt nicht abbilden, kann man auf der topografischen Karte sowohl die Wege, als auch Höhenlinien finden.


Sonstiges
Konventionelles Kartenmaterial, Kompass, Neigungsmesser (Clinometer)
Zur Navigation oder zur Unterstützung der GPS-Navigation kann selbstverständlich auch jede andere Art von Kartenmaterial genutzt werden. Gerade in entlegenen Gebieten kann es sein, dass die digitalen Karten keinen aktuellen Stand oder eine zu geringe Detaildichte haben.
Auch ein Kompass kann in Verbindung mit einem GPSR sinnvoll genutzt werden. Sei es zur Kontrolle des GPSR oder auch als Backup, wenn der Batterievorrat des GPSR erschöpft ist.
Letztlich kann durch gutes Kartenmaterial, Kompass und das entsprechende Wissen mit gleichem Erfolg navigiert werden, wie mit einem GPSR. Es ist nur aufwändiger und im Regelfall zeitintensiver.


Wie man sich Online-Kartenmaterial für Notebooks und mobile Handgeräte (PDA) erstellen kann, findet Ihr hier: Internet Kartenmaterial.

Anwendung (speziell Offroad)

Straßennavigation
Dieser Navigationstyp ist sicherlich am einfachsten. Man gibt den Zielpunkt ein und das Gerät berechnet von der aktuellen Position den Weg zum Ziel. Je nach Gerätetyp können noch zusätzliche Parameter (z. B. kürzeste/ längste Strecke) angegeben werden. Problematisch ist dabei nur, wenn es keine Straßen mehr gibt, die das Gerät zur Routenberechnung heranziehen kann. Dann bleibt nur die Punkt-zu-Punkt-Navigation.


Punkt-zu-Punkt-Navigation
Für die Offroad-Navigation bietet sich zum Beispiel die Möglichkeit an, Routen mit Hilfe von Wegpunkten zu erstellen. Das Beispiel zeigt das Anlegen einer Route mit der Software "Basemap" von Garmin.
Routenerstellung mit der Software "Basemap" von Garmin


  • Im ersten Schritt werden die Wegpunkte manuell mit der Software erstellt (Abb. 1). Diese können entweder grafisch über das vorhandene Kartenmaterial gesetzt, oder aber auch nach Koordinate eingegeben werden. Es bietet sich an für die Auswahl der Waypoints markante Geländepunkte, wie zum Beispiel Abzweigungen, Erhebungen oder bereits bekannte POI (Points of Interest) zu wählen.


  • Im zweiten Schritt werden die einzelnen Punkte in der richtigen Reihenfolge ausgewählt und dann die Route von Punkt zu Punkt automatisch erstellt (Abb. 2). Die Route kann dann über die Software direkt in das Gerät übertragen werden. Durch die PC-gestützte Routenerstellung kann man einzelne Wegpunkte verschieben, neu erstellen oder auch löschen. So lässt sich eine einmal erstellte Route immer wieder an die persönlichen Bedürfnisse anpassen.


 

Trackauswertung
Wenn der GPSR über einen Datenlogger verfügt, kann man nach Aufzeichnung der gefahrenen Route als Track diesen auswerten. Eine sehr gute Software für diesen Zweck ist die Freeware GPS-Track-Analyse.NET von Dietmar Domin.
Trackanalyse mit Höhenprofil (o.) und Geschwindigkeit (u.)



Trackanalyse mit Höhenprofil (o.) und Geschwindigkeit (u.) in 3D-Darstellung


































Darüber hinaus bietet das Programm die Möglichkeit sich ausführliche Statistiken oder ein 3D-Modell für den Track erstellen zu lassen oder den Track z. B. in eine Google KML/KMZ-Datei zu exportieren. 
Auch das GPX-Format wird unterstützt. Innerhalb der Programmoberfläche kann man sich auch die Strecke auf Bing Maps (inklusive 3D-Darstellung) anzeigen lassen.



Weiterführende Links