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Wegweisend und zielsicher! Navigation aus dem All

In einer Zeit vor GPS ...

Sicher haben auch Sie sich schon in einer fremden Stadt nach dem Weg erkundigt. Laut Studie sollen sich Frauen bei der Wegbeschreibung eher an markanten Objekten orientieren. Also z.B.: "Biegen Sie an der Ampel rechts und am Supermarkt links ab". Männer hingegen konzentrieren sich offenbar auf Entfernungen und Himmelsrichtungen. Wie etwa: "Nach ca. 500 Metern in nördliche Richtung weiter fahren." usw.
Wie auch immer. Bekanntlich führen ja viele Wege nach Rom ...


Laut Überlieferung haben sich bereits die biblischen "Heiligen Drei Könige" auf ihrem Weg nach Bethlehem von einem Stern lenken lassen. Und auch die alten Seefahrer, wie Columbus und Magellan, konnten mit Hilfe von Gestirnen, einem Magnetkompass und einer Sanduhr ihre Position und Fahrtrichtung mehr oder weniger gut abschätzen.
Hauptproblem beim Magnetkompass ist die Tatsache, das der geografische Pol nicht mit dem magnetischen Pol zusammen fällt. Man nennt das auch Deklination oder Missweisung.


Aber erst Mitte des 18. Jahrhunderts, wurde die Navigation auf hoher See durch den sogenannten Sextanten weitaus präziser.
Mit Hilfe eines kleinen Fernrohres, eines Spiegels und eines Halbspiegels wurden sowohl der Horizont als auch z.B. die Sonne anvisiert. An der unteren Skala konnte dann der Höhenwinkel der Sonne abgelesen werden. Nach etwas Rechenarbeit wurden schließlich Längen- und Breitengrad mit einer Genauigkeit von etwa 1 Seemeile ermittelt.

Vielleicht erinnern Sie sich ja noch an die gute alte D-Mark. Auf der Rückseite des 10-DM-Scheins war so ein Sextant abgebildet.

Übrigens, die Bezeichnung Sex-Tant hat nicht etwa was mit den Gelüsten seines britischen Erfinders John Hadley zu tun. "Sex" deutet auf die gebogene Skala hin, die ein Sechs-tel eines Kreises, also 60°, ausmacht.

Ein deutlicher Fortschritt in der See-, vor allem aber in der Luftfahrt, war der störungs-unempfindliche Kreiselkompass. Auch als Kurskreisel, künstlicher Horizont oder Gyroskop bekannt. In seinem Innern befindet sich ein winziger elektrisch betriebener und freihängender (kardanischer) Kreisel.
Wird der Kreisel vor dem Start in schnelle Rotation (20.000 U/Min.) versetzt und ausgerichtet, behält er seine Lage auch während des Fluges konsequent bei. Eine Kursänderung kann auf einem mit dem Kreisel verbundenen Zeiger abgelesen werden.

Das Kreiselprinzip lässt sich übrigens recht gut mit einem Kinderkreisel demonstrieren. Wird der Kreisel in Rotation versetzt und dann sich selbst überlassen, erkennt man, dass die Drehachse ziemlich stabil steht. Das ändert sich auch nicht bei einem leichten Schubs gegen den Sockel.

Vielleicht kennen Sie ja den Gyrotwister (Bezugsquellen) mit dem sich Handgelenke und Arme effektiv trainieren lassen. In seinem Innern befindet sich ein schnell rotierender Kreisel. Möchte man das Gerät aus seiner Lage bringen, wirkt eine erstaunliche Gegenkraft von bis zu 15 kg entgegen.

Zur Orientierung und Reiseplanung waren der Hobbywanderer, Rad- und Autofahrer lange Zeit auf Landkarte und im besten Fall auf Kompass und Höhenmesser angewiesen. Mit einem sogenannten Kartenmesser (Bezugsquellen) konnte außerdem die geplante Route "abgefahren" und gemessen werden.

Großen Komfort brachten schließlich spezielle Software-Lösungen, wie z.B. Routenplaner-CDs. Einfach Start- und Zieladresse eingeben und schon kann man sich die optimalste Route innerhalb Europas errechnen und ausdrucken lassen. Nachteil: Kommt man vom vorgeschriebenen Weg ab, z.B. wegen einer Umleitung, ist der gesamte Plan hinfällig.


Das "Weltweite Positions-Bestimmungs-System"
"Das Ei des Columbus" wurde schließlich vom US-Militär entwickelt und als "Global Positioning System" oder kurz GPS bezeichnet. Das "Weltweite Positions-Bestimmungs-System" ist ein "virtueller Pfadfinder" der jederzeit den aktuellen Standort von Fahrzeugen - seit 1995 auch von zivilen - bestimmen kann.

Wie funktioniert das ? Die Erde wird in exakt 20.183 Kilometern Höhe von 24 Ortungs-Satelliten auf 6 Umlaufbahnen umkreist. In Wirklichkeit gibt es noch 8 weitere Satelliten - gewissermaßen zur Reserve.
Jeder Satellit sendet seine augenblickliche Position, sowie die atomgenaue Startzeit dieses Signals. Ein GPS-Empfänger kann nun mit Hilfe seiner eigenen Uhr die Laufzeiten der Signale und damit die exakte Entfernung zum Satelliten berechnen.

Zur Standortbestimmung von Länge und Breite benötigt man zunächst 2 Satelliten. Da allerdings die Quarzuhr im Empfänger vergleichsweise ungenau läuft, synchronisiert ein dritter Satellit die Empfängeruhr mit den Uhren in den Satelliten. Die Ermittlung der Höhe wird durch einen vierten Satelliten möglich.

Nachdem die Genauigkeit der zivilen Ortung vom US-Verteidigungsministerium zunächst künstlich verfälscht wurde, liegt sie mittlerweile (seit 2000) bei etwa 10 Metern.

Apropos. Lange Zeit stand die Finanzierung des europäischen Navigationssystems Galileo genau dort, wo die Satelliten hin sollen: In den Sternen. Seit November 2007 scheint das Projekt jedoch auf einem guten Wege.
Galileo soll 30 Satelliten umfassen und ist mit einer Genauigkeit von einem Meter weitaus präziser als GPS oder das russische Glonass-System.


Möglichkeiten des zivilen GPS-Empfangs
Zu den ersten zivilen Einsatzgebieten von GPS zählte der Outdoor-Bereich. Überall dort, wo es keine ausgewiesenen Wege gibt, also z.B. auf hoher See, im Gebirge oder Gelände, waren und sind kleine robuste GPS-Empfänger (Bezugsquellen) gefragt. Diese Wunderwerke sind in der Lage, den aktuellen Längen- und Breitengrad und auch die Höhe zu ermitteln. Kaum erkennbar, die kleinen GPS-Antennen.

Moderne GPS-Empfänger, z.B. der NAVILOCK-EasyLOGGER, können die zurückgelegte Route speichern und via Google™ Earth sichtbar machen.


Zur Navigation im Straßenverkehr sind neben der Ortung aber noch unzählige digitale Stadt- und Landkarten notwendig.

Die wohl preiswerteste Methode einer komfortablen Navigation ist die sogenannte GPS-Maus (Bezugsquellen). Eine GPS-Maus kostet etwa 50 Euro und enthält neben der GPS-Antenne auch den Empfänger-Chip.
Über einen USB-Anschluss bzw. einer Bluetooth-Verbindung, sowie einer passenden Routing-Software wird so jedes Notebook zu einem vollwertigen Navigationssystem. Nötig ist gegebenenfalls ein Spannungsadapter für den Zigarettenanzünder.

Keine Frage, Navigation per Notebook ist eine sperrige Sache. Wer jedoch das Haus nie ohne seinen Flach-PC verlässt und eine übersichtliche Display-Anzeige bevorzugt, ist damit gut bedient. Vor allem die reine Sprachnavigation ist beeindruckend präzise. Außendienstler und Brummifahrer schwören auf die Notebook-Navigation.


Navigation in der Kompaktklasse
"Autofahrers Liebling" sind zweifelsfrei die kompakten Navigationsgeräte. Bis Ende 2007 wurden in Deutschland bereits 3,2 Millionen davon verkauft - Tendenz stark steigend.

Wer ein tragbares Navigationsgerät mit Kartendarstellung bevorzugt, ist mit dem "TechniSat Mobil-Naviagator 5500" flexibel bedient.
Es wird mittels Saugnapf an der Windschutzscheibe fixiert. Spannungsversorgung erfolgt über den Zigarettenanzünder oder per Akku.

Bestechendste Ausstattung ist das 3,5-Zoll-Farbdisplay. Es ist gerade mal 4 Millimeter dick.
Es besteht aus einer dünnen Flüssigkristall-Zelle, technisch vergleichbar mit einem LCD-Fernseher. Als Hintergrundbeleuchtung dient eine Flach-LED, also eine Art Leuchtdiode.
Die vorderste Folie ist das Touch-Panel. Damit lässt sich das Navi quasi per "Fingerzeig" bedienen.

Ein Touch-Panel besteht aus 2 aufeinander liegenden metallbedampften Folien. Winzige Abstandhalter sorgen dafür, dass sich beide Folien nicht berühren. Erst bei leichtem Druck kommt es zum elektrischen Kontakt. Über eine Widerstandsmessung kann dann der Ort des Druckpunktes bestimmt werden.

Die Straßendaten befinden sich beim Mobil-Navigator auf einer 2-GB-Speicher-Karte. Kaum zu glauben, auf dem Speicher befinden sich die Straßen und Stadtpläne von ganz West-Europa. Selbstverständlich können auch darauf gespeicherte Fotos, MP3-Musik und Videos abgespielt bzw. betrachtet werden.

Das "Navi-Dresden 1" von TechniSat passt in jeden Radioschacht und umfasst gleich "4 Geräte in einem":

Das Radio verfügt über eine hohe Eingangsempfindlichkeit und kann sogar den weltweiten Rundfunk über Kurzwelle empfangen. Selbstverständlich unterstützt es auch RDS (Radio Data System) mit dem z.B. Angaben über den Sendernamen angezeigt werden können.

Der integrierte CD-Player ermöglicht, Musik- und Hörbuch-CD's wiederzugeben. Das Besondere: Sogar CD's im komprimierten MP3-Format werden gelesen.

Zur Navigation muss die mitgelieferte Naviagations-CD eingelegt sein. Dann auf "NAV" drücken. Mit dem rechten Drück- und Drehknopf Land, Stadt, Straße und Hausnummer eingeben. Dann auf Zielführung.
Nach kurzer Routenberechnung startet die grafische und sprachliche Routenführung.


Tücken im Straßenverkehr
Die Routenführung funktioniert übrigens auch unter erschwerten Bedingungen, z.B. bei spontanen Staus und Behinderungen. Durch den Empfang von digitalen Verkehrsfunkdaten, kurz: TMC, kann jederzeit eine dynamische Rotenführung errechnet werden.

Wie funktioniert das ? Jede Verkehrsbeeinträchtigung wird von mehreren Radiostationen der ARD und des Deutschlandfunks als separate TMC-Meldung gesendet. Als Quelle dienen Verkehrsinformationen z.B. von der Polizei und von stationären Kameras.
Seit 2004 senden private Sender den kostenpflichtigen Stauwarndienst TMC-Pro. Dieser ist weitaus präziser, da hier zusätzlich die Daten von Sensoren an Brücken und in der Fahrbahn genutzt werden. Voraussetzung ist allerdings ein  TMC-pro-fähiges Navigationssystem.

Was aber tun, wenn kein ausreichendes GPS-Signal empfangen wird, z.B. im Tunnel ? Hier springt die Koppelnavigation ("Dead-Reckoning") ein:

Damit das Navi weiß, wie viele Meter es gerade zurücklegt, muss es zunächst über den Anschluss A1 mit dem digitalen Ausgang des Tachos verbunden sein. Ganz nebenbei wird so auch die geschwindigkeits-abhängige Lautstärke-Anpassung (kurz: GALA) möglich.

Wie kann das Navi aber Kurven registrieren? Das erledigt ein winziger "Mikro-Mechanischer Drehraten-Sensor" - oft auch "physikalisch unkorrekt" als Kreiselkompass oder Gyroskop bezeichnet.

Im Innern des Sensors wird eine winzige Masse (0,2 mm) durch ein elektrisches Feld zum Schwingen angeregt. Fährt das Auto um eine Kurve, wird die schwingende Masse und der mit ihr verbundene Rahmen abgelenkt. Dadurch verändert sich die messbare Kapazität innerhalb von kammartigen Elektroden. Es handelt sich also um einen nano-technischen Bewegungssensor.

Apropos. Die gleichen Sensoren befinden sich übrigens auch in den Fernbedienungen moderner Nintendo-Spielkonsolen. Allein durch Handbewegungen lassen sich damit z.B. Tennisschläger bewegen.

Wer's ganz genau wissen will, dem sei das Elektronikmagazin "elektor" - Ausgabe Dezember 2007 empfohlen. Im Kapitel "Mikromechanische Siliziumkreisel" kann man viel über die eindrucksvolle Mikrosystemtechnik erfahren (s. Bezugsquellen).


"Die Vermessung der Welt": Digitale Kartenerfassung
Haben Sie sich auch schon einmal gefragt, wie die unzähligen Karten, nebst Wäldern, Seen, etc., ins Navi kommen ?

NAVTEQ ist Anbieter digitaler Geodaten und Software-Partner der TechniSat-Navigationsgeräte. Die digitalen Karten eines Navigationsgerätes sind der Schlüssel zur Genauigkeit der Routingfunktion. Was zeichnet NAVTEQ-Karten aus?

- Abdeckung von 43 europäischen Ländern
- über 7,8 Millionen Straßenkilometer
- ca. 1,4 Millionen POIs
- ca. 100 000 Tankstellen
- über 195 000 Restaurants
- rund 78 000 Hotels
- Zusätzliche Informationen von Geschwindigkeitsbegrenzungen und Brückenhöhen
Damit die digitalen Karten stets genau und auf dem neuesten Stand sind, fahren Teams von über 600 Geoanalysten (Feldforscher) jeden Tag Straßen ab und erfassen weltweit die neuesten Änderungen auf Millionen von Straßenkilometern - von Autobahnen bis Nebenstraßen, von Neubaugebieten bis Tankstellen.
NAVTEQ arbeitet auch an neuen Funktionen, wie zum Beispiel: Erweitertes Routing für mehrspurige Straßen und 3D-Orientierungspunkte (mit Dreh- und Zoom-Optionen).

1. Schritt:
Der erste Schritt bei der Entwicklung der Karten ist die Erfassung von vorhandenem zuverlässigem Datenmaterial bestimmter Städte und Gemeinden, wie z.B. Behörden, Katasterämter, Bauunternehmen und öffentliche Bekanntmachungen (Tageszeitungen). Diese Daten enthalten meist jedoch nicht alle Informationen, die man für eine exakte Routenberechnung benötigt.

2. Schritt:
Mit speziell ausgestatteten Fahrzeugen fahren die Geoanalysten ständig Straßen ab und erfassen die Änderungen, wie sie überall jederzeit vorkommen. Auf dem Autodach ist dazu ein metergenauer GPS-Empfänger angebracht. Dieser ist an einem Laptop mit spezieller Software angeschlossen.
Zur Aktualisierung der Karten stehen Symbole zur Verfügung die direkt auf der Karte platziert werden können. Außerdem können mündliche Eingaben per Headset gemacht werden.
Entscheidend ist: Für Navigationssysteme ist eine horizontale Perspektive, also die Sicht des Autofahrers, erforderlich. Papierkarten aus der Vogelperspektive sind nicht ausreichend.

3. Schritt:
Zurück in den lokalen Niederlassungen (Feldbüros) aktualisieren die Geoanalysten die digitalen Karten mit den erfassten Daten und allen relevanten Straßenmerkmalen wie Einbahnstraßen, Kreisverkehr oder Geschwindigkeitsbegrenzungen, etc.

4. Schritt:
Die erfassten Daten aller Niederlassungen werden an einen zentralen Server übertragen, der damit die digitalen Karten der verschiedenen Länder der Welt erstellt.

5. Schritt:
Zu guter Letzt werden die Daten für die speziellen Anforderungen verschiedener Navigationslösungen programmiert, angepasst und auf unterschiedlichen Medien - z. B. CD oder SmartCards - angeboten. Fertig ist die perfekte Grundlage für eine zuverlässige Routenberechnung und Navigation.


Übrigens, wer eine neue Straße, eine veränderte Verkehrsführung oder einen neuen "Point of Interest" entdeckt, kann mithelfen, die Kartendaten zu aktualisieren. Einfach unter www.navteq.com den Reiter "Map-Reporter" anklicken und die entsprechende Veränderung, z.B. einen neuen Kreisverkehr, angeben und absenden.


Der TechniTipp: Angenehmes Klima, schlechter Empfang
Viele Autos sind mit wärmeschützenden Scheiben ausgestattet. Der Wärmeschutz wird meist durch eine hauchdünne Metallschicht erreicht, die einen Teil der Sonnenstrahlen reflektiert. Die Effizienz haben wir im Studio mit einem beeindruckenden Experiment demonstriert:

Eine Scheibe aus Standard-Glas und eine aus Wärmeschutzglas wird von einer Infrarotlampe (OSRAM-Siccatherm 250 Watt) bestrahlt. Vor jeder Scheibe befindet sich ein Digitalthermometer (Greisinger). Schon nach kurzer Zeit konnte eine Temperaturdifferenz von etwa 10 °C gemessen werden.

Leider können metallisierte Scheiben den Empfang des GPS-Signals beeinflussen. Die Signalstärke kann derart abgeschwächt sein, dass der Kontakt zu mindestens drei Satelliten fehlt. Die Folge: Bereits ein Laufzeitfehler von 1 Mikrosekunde (0,000001 Sekunden) ergibt eine Fehleranzeige von 300 Metern.
Gleiches gilt übrigens auch in Häuserschluchten, bei starker Bewölkung und bei Fahrzeugen mit steiler Frontscheibe.

Den Einfluss von metallischer Abschirmung auf elektromagnetische Wellen kann man auch mit Hilfe eines Radios verdeutlichen. Hält man ein Metallsieb über ein altes Transistorradio, wird der Empfang gestört.


Mein Tipp: Besorgen Sie sich eine externe GPS-Antenne mit aktivem Signalverstärker (NAVILOCK). Die gibt's passend für alle Anschlüsse und kosten etwa 15 €.

Die magnetischen und wasserdichten Antennen können sowohl innen, oder noch besser außerhalb des Fahrzeugs angebracht werden. Z.B. auf dem Dach, unter den Lüftungsschlitzen der Motorhaube oder hinter dem Kühlergrill. Achten Sie aber auf eine ausreichende Kabellänge.

Übrigens, seit einiger Zeit werden im Internet sogenannte "GPS-Strahler" angeboten. Diese empfangen das GPS-Signal mit einer Außenantenne, verstärken es und strahlen es mit einer Sendeantenne in die Fahrgastzelle.
Allerdings ist die Nutzung dieser Strahler laut Bundesnetzagentur aus frequenzrechtlichen Gründen in Deutschland und den meisten EU-Ländern untersagt. Außerdem können die Sender die Fahrzeugelektronik stören.

So, "Sie haben das Ziel erreicht!". Bleibt zu hoffen, dass diese Informationen Sie auf den "richtigen Weg bringen werden".

Idee, Text, Experimente: Horst Minge