GPS - Navigation - ABC


Hier eine kleine Navigationshilfe zum Thema GPS. Es ist vorallem für Anfänger gedacht, oder auch für Fortgeschritte um nachzusehen was genau was heisst.

Was ist GPS Was gehört zu GPS POI Wegpunkte Tracks
Routen Tracks(Pfade)   Wie ist GPS entstanden Links zu GPS-Seiten


Was ist GPS?

Global Positioning System - Das GPS Satellitensystem wurde vom US Verteidigungsministerium installiert um die Steuerung von Militärfahrzeugen und Waffensystemen zu vereinfachen. Der US-Congress hat die Mittel zur Installation des Systems jedoch nur unter der Bedingung genehmigt, dass es auch der freien zivilen Nutzung zur Verfügung steht. Von diesem Stück amerikanischer Freiheit können wir alle profitieren. Damit das US-Militär mit GPS seine Waffen präzise steuern kann, ohne dass ein Kriegsgegner dies mit gleicher Treffsicherheit tun könnte, senden die GPS-Satelliten zwei Signale aus, ein verschlüsseltes präzises für die NATO (P) und ein unverschlüsseltes für jedermann (L1). Die erreichbare Genauigkeit für das zivile Signal liegt heute bei ca. 15 Meter. Vor dem 2. Mai 2000 wurde dieses Signal von den USA künstlich verfälscht (siehe SA), die erreichbare Genauigkeit lag bei 100 m. Der zivile Code kann mittels GPS-Navigationsgeräten "rund um den Globus, rund um die Uhr", also von jedermann, jederzeit, weltweit, bei jedem Wetter, lizenzkostenfrei zur Navigation benutzt werden. Wann immer der Benutzer eines GPS-Navigationsgerätes den Himmel über dem Kopf hat, kann er binnen Sekunden seine Position, Richtung, Geschwindigkeit, Höhe, Entfernung und Zeit zum Ziel bestimmen. Es sind ca. 30 Satelliten auf sechs Bahnen in Umlauf, von welchen bis zu zwölf über dem Horizont stehen können. Moderne GPS-Navigationsgeräte mit 12-Kanaltechnik können die Signale von all diesen 12 Satelliten gleichzeitig empfangen und so die Position des Empfängers optimal berechnen.

Was gehört noch zu GPS?

MapSource ist Garmin's Oberbegriff für elektronische Kartensoftware, bestehend aus digitalem Kartenmaterial und dem zu seiner Verwendung notwendigen Windows-Programm. Zur MapSource Produktfamilie gehören City Navigator, City Select, BlueChart, Metroguide und viele andere elektronische Kartenprodukte

Das MapSource PC-Programm wird verwendet, um digitales Kartenmaterial im PC zu verwalten, anzuzeigen, und in geeignete (zur Darstellung von Karten vorgesehene) Garmins GPS-Empfänger zu laden. Zudem erlaubt MapSource auch bei Geräten, die keine Karten darstellen können, wie z.B. GPS 12, Wegpunkte, Routen und Tracks mit dem PC auszutauschen, auf Festplatte zu speichern, und für spätere Wiederverwendung auch wieder ins GPS zu laden.

POI (Point of Interessts)

POI - steht für Points of Interest.
Wie der Name schon sagt, handelt es sich hier um "interessante Punkte".
Diese POI sind auf dem Kartenmaterial (zB. CN) als Wegpunkte bereits eingezeichnet.
Es sind dies die Standorte von Hotels, Restaurants, Sehenswürdigkeiten, Einkaufsmöglichkeiten, Servicestellen und Behörden&Nothilfen. In diesen POI finden wir also Tankstellen ebenso wie das Hotel Imperial und den nächsten Mc Donalds (kein Scherz die Filialen der Fastfoodkette sind aufgelistet). Es sind aber auch Plätze, Museen, Wahrzeichen, Parkplätze, schöne Aussichtspunkte usw. in den POI aufgelistet. Diese POI können durch drücken der FIND Taste am GPS-Gerät aufgelistet werden

Wegpunkte

Wegpunkte (Waypoint, Abk.: WP) - wie der Name schon sagt, Punkte welche wir auf unserer Route (unserem Weg) setzen können um einen markanten Punkt zu kennzeichnen
um diesen später wieder finden zu können. Durch drücken der FIND Taste am GPS-Gerät kann dieser WP auch wieder gefunden werden.

Tracks

Trackpunkte (Abk.: TP) - Wenn man mit einem GPS Gerät unterwegs ist, wird die zurückgelegte Strecke (Route) mit aufgezeichnet. Diese Punkte der Aufzeichnung im Gerät nennen sich Trackpunkte. Bei jedem "Richtungswechsel" wird also vom GPS automatisch ein Trackpunkt gesetzt. Die dadurch entstehende "Brotkrümmelspur" bezeichnet man dann als Tracklog (Spuraufzeichnung), diese kann später auf dem PC übertragen werden und man kann sich dort seine zurückgelegte Route im Detail nochmal genau ansehen.

Routen

Routen - unsere Route(n), unser Weg von A nach B.
Wir verbinden also unsere Wegpunkte (WP) zu einer Route.

Pfade(Tracks)

Pfade (Track) - Pfad oder auch track (tracklog,Spuraufzeichnung) genannt, so wird die zurückgelegte Streckenaufzeichnung im GPS bezeichnet.
Wenn am GPS die Option Spuraufzeichnung eingeschaltet wird, so setzt das GPS selbstständig Trackpunkte und zeichnet damit unsere zurückgelegte Strecke auf. Diese Pfadaufzeichnung sieht aus wie eine "Brotkrümmelspur" und kann mit dem Programm MapSource auf den PC übertragen werden. Damit ist eine lückenlose Aufzeichnung der zurückgelegten Wegstrecke möglich. Diese Aufzeichnung ist ein komplettes Fahrtenbuch. Man kann später nachschauen zu welchem Zeitpunkt man an welchem Ort war, wie schnell man gefahren ist und wieviele Meter über dem Meer man unterwegs war. Es sind also folgende Daten enthalten: Datum, Uhrzeit, exakter Standort, Geschwindigkeit und Höhenangabe.

Wie ist GPS entstanden Nach oben

Mit dem BC-4 Kamerasystem wurde zum ersten Mal der Versuch unternommen, astronomisch gestützte Positionsbestimmungen mit weltweiter Gültigkeit mittels künstlicher Erdtrabanten zu erlangen. Dazu wurden hoch reflektierende Satelliten mit sogenannten 'Verfolgungs-' oder 'Spurkameras' (tracking cameras) am nächtlichen Firmament in bestimmten Zeitintervallen photographiert (vgl. Kap.1.1). Die Orbitdaten der Satelliten müssen dazu exakt bekannt sein. Mittels photogrammetrischer Methoden wurden dann die astronomischen Koordinaten ausgewählter Sterne und die der Satelliten berechnet bzw. in Bezug zum jeweiligen Beobachtungsort gesetzt. Verglich man nun die zeitgleichen Aufnahmen der Satelliten und der Sternenbahnen mit zeitgleichen Aufnahmen anderer Basispunkte (meist mehrere 1000 km voneinander entfernt!) ließ sich eine gemeinsame Raumrichtung zwischen den Beobachtungspunkten errechnen. Derartige Basisrichtungen wurden dann global aufgespannt und bildeten ein weltweites Netz von Traversen.

Das Hauptproblem dieses Verfahrens war neben seiner Statik und Umständlichkeit die wechselnde Wetterlage: Bei nächtlicher Bewölkung ließen sich keine gemeinsamen Meßstrecken aufspannen, so daß optisch globale Triangulationen sehr schnell durch wetterunabhängige, elektromagnetische Techniken zur astronomischen Positionsbestimmung ersetzt wurden. Zudem lag die Genauigkeit des Verfahrens aufgrund photo-optischer Mängel (z.B. Lichtbrechung in der Atmosphäre) bei nur etwa 5 m. Optische Systeme spielen heute noch eine Rolle in der astronomischen Vermessung von Satellitenbahnen.

Neben der allgemeinen Satellitenphotographie fanden besonders C- und S-Band Radar, GRARR (Goddard Range and Range Rate), SECOR (Sequential collation of range) und Minitrack ihren Einsatz.

Aus den Erfahrungen mit TRANSIT/NAVSTAR hatte man schnell den zwingenden Bedarf eines wesentlich erweiterten Satellitenkontingentes für die weltweit verfügbare GPS-Technik erkannt. TRANSIT bot mit sechs Satelliten eine nur stark eingeschränkte Verfügbarkeit, da nur zu wenigen Augenblicken optimale Konstellationen von drei bzw. vier Satelliten zur exakten, dreidimesionalen Positionsbestimmung gegeben waren. Eine derartige Positionsbestimmung war mittels der alten Systeme nicht weltweit durchfürbar.$

Um eine kontinuierliche globale Abdeckung mit Satelliten zu erreichen, wurde ein Orbit-System berechnet, welches an jedem Punkt der Erde mindestes vier Satelliten für die exakte GPS-Positionsbestimmung zu jeder Tages- und Nachtzeit gewährleistet. Für eine Mindestumsetzung des GPS-Konzeptes wurden 24 Satelliten geplant, welche in einem 12-stündigen Kreisorbital in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination zur Äquartorebene die Erde in Vierergruppen pro Orbit gleichverteilt umkreisen (die Orbits sind gegeneinander um 60° geneigt). Man bezeichnet die 21 ständig aktiven Satelliten als Block II-, die Mindestreservesatelliten (drei, heute acht!) als Block IIA-Typen.

Die Übertragungsfrequenzen für die Positionsdaten liegen bei L1 = 1575,42 (C/A-Code, P-Code) und L2 = 1227,6 MHz (P-Code). Beide Trägerfrequenzen werden in einem zufälligen Impulscode, dem PRN-Code moduliert (Pseudo Random Noise Code) und stehen für militärische (P-Code) bzw. zivile (C/A-Code) Nutzungen zur Verfügung (vgl. Kap. 2.3). Die Master Control Station der Satelliten befindet sich in Colorado Springs, USA.

Prinzipiell erhöht jeder zusätzlich 'sichtbare' Satellit die momentane Positionierungsqualität erheblich, da auf der Erde lokal auch mit ungünstigen topographischen Verhältnissen gerechnet werden muß, welche während der terrestrischen GPS-Messungen zur Abschattung einer oder mehrerer der vier zwingend erforderlichen Satelliten führen kann.

Ursprünglich sollte das Gesamtsystem 1989/90 voll ausgebaut sein, ihm wurde jedoch erst 1994 (bedingt durch den hohen finanziellen Aufwand sowie einiger technische Rückschläge, wie z.B. der Challenger-Explosion) von dem DOD (Dept. Of Defence) eine vorläufige Betriebsfähigkeit bescheinigt. Allerdings ließ sich schon 1990 im ausreichenden Umfang mit den GPS-Daten auf See navigieren (fehlende topographische Hindernisse!.) Damals nahm die US-Küstenwache das System in ihre Standardausrüstung zur Navigationsunterstützung von Schiffen innerhalb der US-Hoheitsgewässer auf. Am 17. Juli 1995 wurde offiziell die endgültige Betriebsbereitschaft erklärt. 1997 befanden sich bereits 26 Satelliten im Orbit, so daß man (je nach lokalen Bedingungen) meist deutlich mehr als 4 Satelliten (durchschnittlich etwa 5-8) mit ausreichender Signalqualität zur Positionsberechnung empfangen konnte. Diese hohe Anzahl von Trabanten erlaubt eine zuverlässige Messung von geographischer Länge, Breite, Höhe, Geschwindigkeit, Richtung der Bewegung und speziellerer Parameter.