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Technik-Info: kompaktes Wissen für unsere (zukünftigen) Kunden

WAS ist GPS?

WAS kostet GPS?

WIE funktioniert GPS?

WIE funktioniert GPS-Navigation?

WELCHE Zukunft hat GPS?

Grundlagen der Navigation und Verkehrstelematik

Was unterscheidet Navigation von Verkehrstelematik?

Welchen Beitrag leistet dabei das Global Positioning System, und wie funktioniert die Ortung?

Das Bedürfnis nach Navigation und Positionsbestimmung ist mindestens so alt wie die Menschheit selbst. Navigation bedeutet nichts anderes, als ein geographisches Ziel festzulegen, eine Route dorthin zu planen und anhand geeigneter Parameter die tatsächlich eingeschlagene mit der geplanten Route abzugleichen.

In der Antike wurden natürliche Landmarken eingesetzt, wie beispielsweise eine Formation von Bergen oder auch einzeln stehende Bäume. Türme, auf denen nachts zeitweise Feuer entzündet wurden, zählten dabei zu den ersten technischen Navigationshilfsmitteln. Heute werden bei autarken Navigationssystemen Mittel wie GPS (Global Positioning System) eingesetzt, um Satellitendaten zur Standortermittlung zu erhalten. Zugleich werden Meßdaten über die Länge der vom Fahrzeug zurückgelegten Strecke und alle Richtungsänderungen zum kontinuierlichen Abgleich mit einer elektronischen Datenbank verwertet (genannt: Map Matching).

Das Navigationssystem leitet Sie schnell und direkt an jeden beliebigen Ort. Ihren Standort bestimmt das System via Satellit und der Computer berechnet für das von Ihnen gewünschte Ziel die günstigste Route. Der Sprachcomputer gibt Ihnen während der Fahrt die notwendigen akustischen Fahrhinweise und auf dem Bildschirm erhalten Sie über Symbole zusätzliche, eindeutige Informationen. Eine Investition in ein Navigationssystem stellt eine wesentliche Steigerung von Komfort, Konzentrationsvermögen, Orientierungsfähigkeit und Sicherheit dar.

Was ist nun Verkehrstelematik? Es ist ein Fachbegriff für alle Verkehrsleit- und Vernetzungstechniken. Innovative Verkehrstelematik-Systeme haben die Aufgabe, den Straßenverkehr sicherer, schneller und vor allem umweltverträglicher fließen zu lassen. Telematik ist ein Kunstwort, zusammengesetzt aus Telekommunikation und Informatik. Vorrangiges Ziel der Telematik ist, zukünftig bei allen Verkehrsteilnehmern Mobilität, Individualität und Flexibilität zu gewährleisten.

Worin unterscheiden sich Navigation und Telematik? Der grobe Unterschied liegt darin, daß bei den autarken Navigationssystemen die Navigation ein Leistungsmerkmal des Endgerätes selbst ist. Im Rahmen der Verkehrstelematik wird die Unterstützung bei der Navigation als eigenständiger Dienst genutzt (z.B. RDS-TMC) und meistens auch - mehr oder weniger teuer - gekauft (DDG: D1-Tegaron, D2-Passo).

Ein Telematikendgerät verfügt über eine andere Intelligenz als ein autarkes Navigationssystem. Telematikendgeräte beziehen Informationen bei einem Dienstleister. Bei einem autarken Navigationssystem hingegen ist die gesamte Intelligenz innerhalb des Produktes inklusive dessen Peripherie. An diesem markanten Unterschied erkennt man bereits, daß es sich bei der Vermarktung von autarken Navigationssystemen oder Telematik-Endgeräten um unterschiedliche Kundenzielgruppen handelt.

Diese strenge Teilung nach Navigation und Telematik wird seit kurzem aufgehoben: Die Firma TelematikTeam.de - Olaf Bach, mit Sitz in Köln und bundesweitem Montageservice vor Ort bietet als Spezialist im Bereich verkehrstelematischer und navigationstechnischer Lösungen bereits seit Februar 1999 ein Gerät an, welches beide Fachbegriffe und deren Produktnutzen in sich vereint: Ein autarkes Navigationssystem mit 16:9-Color-Breitbilschirm und RDS-TMC-Unterstützung. Diese Navigationslösung empfängt unhörbar alle aktuellen Verkehrsinformationen und setzt sie in Sekundenschnelle um: Der Fahrer wird optisch und akustisch gewarnt – jedoch nur, wenn eine Verkehrsbehinderung auf der aktuell befahrenen bzw. geplanten Route vorliegt. Eine Weltneuheit im Bereich professioneller Nachrüstsysteme. Diese Systeme werden von erfahrenen Spezialisten vor Ort in Ihr Fahrzeug nachgerüstet und können eben so einfach in ein nächstes Fahrzeug mitgenommen werden!

Grundlagen zur Technologie

GPS ist kein terrestrisches, sondern ein satellitengestütztes Ortungssystem. Das Satellitensystem wurde von der amerikanischen Luftwaffe und Marine in den 70er Jahren(!) für über 10 Milliarden Dollar(!) aufgebaut und wird auch heute noch genutzt und gewartet.

Das System besteht aus 21 Satelliten und drei Ersatzsatelliten. Diese Satelliten sind auf sechs nahezu kreisförmigen Bahnen gleichmäßig verteilt: Die Bahnen der Satelliten sind jedoch keineswegs geostationär:

Die GPS-Satelliten kreisen auf 12h(Stunden)-Bahnen im sog. MEO (medium earth orbit), um die Erde.

Die Bahnen der Satelliten verlaufen etwa 21.000 KILOMETER (genau: 20.184 Km) über der Erde. Diese Konfiguration stellt annähernd sicher, daß von jedem Punkt der Erde immer mindestens vier Satelliten erfaßt werden können und somit eine – für die einwandfreie Selbstortung des Systems notwendige – dreidimensionale Ortung erfolgen kann. GPS basiert auf der Messung von Uhrzeit und Signal-Laufzeiten der verschiedenen Satelliten, um so die Entfernung zu den empfangenen Satelliten zu ermitteln. Die Satelliten werden dabei als genaue Referenzpunkte benutzt. Um einen konkreten Punkt im Raum zu bestimmen, werden theoretisch drei exakte Entfernungsangaben von einem Punkt zu drei verschiedenen Satelliten benötigt. Die vierte dient zusätzlich zur Erschließung der dritten Dimension (Höhe).

Im Detail: Die Satelliten werden als Bezugspunkte benutzt, um die eigene Position auf der Erde per "Triangulation" zu bestimmen. Die Grundidee zur Messung einer Entfernung zu einem Satelliten ist die einfache Formel 'Geschwindigkeit mal Zeit gleich Entfernung'. Satelliten und Empfänger sind so synchronisiert, daß sie den gleichen Code zur gleichen Zeit erzeugen. Was jetzt nur noch getan werden muß, ist das vom Satelliten empfangene Signal darauf zu prüfen, vor wie langer Zeit es vom Empfänger erzeugt wurde. So wird die unbekannte 'Zeit' ermittelt. Die 'Geschwindigkeit' ergibt sich aus der Konstanten 'Lichtgeschwindigkeit'.

Zusammenfassend ergibt sich für die autarke Navigation (und teilweise für die Telematik) folgende Sensorik:

1. GPS: Absoluter Sensor; Genauigkeit von ca. 50 – 100 Meter. (Ab Mai 2000 sogar nur 10 bis 20 Meter!). Die GPS-Einheit besteht aus einer aktiven Antenne und einem GPS-Empfänger. Wichtig: Die Verfügbarkeit des GPS-Signals ist zum Beispiel innerhalb von Straßenschluchten in Großstädten oder zwischen Bergen eingeschränkt. Dort hat der GPS-Empfänger mitunter keinen Kontakt zu ausreichend vielen Satelliten. Deshalb findet kontinuierlich ein Vergleich mit weiteren Daten (Karte, Geschwindigkeit, Richtung) statt.

2. Gyroskop: Relativer Sensor; nimmt die Richtungsänderungen auf. Ein Gyroskop ist ein piezoelektrischer Sensor, der den Wert einer vom Auto ausgeführten Drehung um die Hochachse in Grad pro Sekunde registriert. Jede Richtungsänderung bedeutet eine relative Änderung der Feldstärke des Magnetfeldes. Diese Feldstärkeänderung wird in eine Spannung umgewandelt und so dem Navigationssystem zur Verfügung gestellt. Dank dieser Technik ist es bei den autarken KFZ-Navigationssystemen möglich, Kurvenabschnitte genau zu erfassen und Informationen an den Navigationsrechner weiterzugeben.

3. Odometer: Relativer Sensor; mißt die Wegstrecke durch Auswertung des Speed-Impuls des Tachometers.

4. Digitale Karte: Map-Matching; die gesammelten Daten der Sensorik vergleicht der Navigationsrechner im Auto ständig mit den Informationen der elektronischen Straßenkarten, die derzeit bei den autarken Systemen noch auf CD-ROM gespeichert sind. In Zukunft werden hier sicherlich durch die rasante Zunahme an Informationen DVDs eingesetzt. Allein in Deutschland gilt es, ca. 520.000 Straßenkilometer einzuscannens0. Durch diesen Abgleich kann der Navigationsrechner seine Toleranzen korrigieren. Dieses Prinzip wird auch als Koppelnavigation bezeichnet.

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Neue Frequenzen für zivile Anwender

Wie geht es weiter mit GPS?

Im Februar 1997 haben das amerikanische Verteidigungsministerium (Departement of Defence, DoD und das Transportministerium, Departement of Transportation, DoT eine zweite zivile GPS-Frequenz angekündigt. In der Zwischenzeit hat das DoD angekündigt, die heute nur für militärische Belange nutzbare L2 Frequenz auch zivilen Anwendern zu öffnen.

Am 30. März 1998 hat Vice Präsident Gore angekündigt, dass eine zweite zivile Frequenz im L2 Band bei 1227.6 MHz und zusätzlich eine dritte zivile Frequenz zur Verfügung gestellt wird. Die genaue dritte Frequenz, wie auch die genaue Signalstruktur wurden bis heute nicht bekanntgegeben.

Die GPS-Satelliten senden mit drei unterschiedlichen Frequenzen auf dem L-Band:

* Mit der L1-Frequenz auf 1575,42 MHz für das zivile GPS,

* Mit der L2-Frequenz auf 1227,6 MHz für ausschließlich militärische Zwecke (diese bleiben auch, lt. uns vorliegenden Informationen der FH Aachen, Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik, Hr.Steffen Knothe nach wie vor dem Militär vorbehalten, d.h. dieser Frequenzbereich wird wahrscheinlich auch in absehbarer Zeit nicht zur zivilen Nutzung freigegeben - Stand: Januar 2001).

* Mit der L3-Frequenz auf 1381,05 MHz die für das NDS (Nuclear Detonation Dedection System) reserviert ist...

Im August 1998 wurde der Vertrag zum Bau der nächsten GPS Satelliten (Block IIF) unterzeichnet. Weitere Details werden noch bekanntgegeben.

Es wird keine leichte Aufgabe sein, eine zusätzliche freie, weltweit einheitliche und ungestörte Frequenz zu finden. Die Ankündigung der zusätzlichen Frequenz war eine grosse Ueberraschung, denn die ersten Diskussionen darüber fanden bereits in der zweiten Hälfte 1997 statt.

Welchen Nutzen kann der zivile Anwender von der weiteren Frequenz erwarten?

Die nächste Frequenz wird eine wesentliche Erhöhung der Echtzeitgenauigkeit bringen. Viele Fehlereinflüsse lassen sich besser korrigieren. Zusätzlich werden neue Berechnungsalgorithmen zu schnelleren und genaueren Lösungen führen. Das zusätzliche Entwicklungspotential ist enorm und heute noch gar nicht abschätzbar. Der heutige Entwicklungsstand beruht auf einer einzigen voll nutzbaren Frequenz (L1) und einer nur sehr eingeschränkten, verschlüsselten weiteren Frequenz (L2), sowie oben bereits erwähnter Frequenz (L3).

Der grösste Nutzen wird der Anwender aber in der wesentlichen Steigerung der Reichweite beim differentiellen Messen haben. Hier wird mit einer Steigerung von heute 10 bis 20 km auf 100 bis 200 km gerechnet. Dies setzt jedoch auch eine entsprechende Funkverbindung voraus. Die Umstellung auf die digitale Datenübertragung für Radio und Fernsehen (DAB) wird hier völlig neue Möglichkeiten eröffnen.

Wann werden die neuen Frequenzen zur Verfügung stehen?

Die neuen Frequenzen werden vermutlich aus Kostengründen nur in die neu in den Umlauf geschickten Satelliten implementiert werden können. Die heutige Lebenserwartung eines GPS Satelliten beträgt ca. 10 bis 12 Jahre. Der erste Start eines Block IIF Satelliten ist für das Jahr 2002 geplant, gefolgt von drei weiteren im Jahre 2003. Die Planung sieht in den Folgejahren je drei Starts pro Jahr vor. Damit würde die volle Funktionalität des neuen Systems im Jahre 2009 erreicht. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Lebenserwartung der heutigen Satelliten eher grösser sein wird und die neuen Satelliten nur nach Bedarf gestartet werden. Dadurch könnte sich die volle Funktionalität noch um einige zusätzliche Jahre hinausschieben.

Andererseits ist jedoch auch zu beachten, dass der Ersatz der bestehenden Satelliten nur ein finanzielles und kein technisches Problem darstellt. Sollte sich der Zusatznutzen des neuen Systems für einzelne Anwender (z.B. Luftfahrt, Seefahrt etc.) als sehr hilfreich oder sogar zwingend zeigen, sind diese eventuell auch bereit einen Teil der Kosten zu übernehmen.

Das neue System wird unter optimalsten Voraussetzungen frühestens in 10 Jahren voll nutzbar sein. Die Lebenserwartung eines professionell genutzten Zweifrequenz-Gerätes beträgt 4 bis 5 Jahre. Die neue Technik wird sich also frühesten auf die übernächste Generation von GPS-Empfängern auswirken. Zuwarten in den nächsten paar Jahren wird sich nicht lohnen.

(Auszugsweise übersetzt und ergänzt aus GPS World Nr. 9, 5/98, "Two New Civil Signals" von Dee Ann Divis)

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