Outdoor- Navigation. Rainer Höh. Empfängeraufbau und Funktionen Arbeiten mit Routen Grundlagen dernavigation GPS in der Praxis GPS und Karte

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1 Rainer Höh Empfängeraufbau und Funktionen Arbeiten mit Routen Grundlagen dernavigation GPS in der Praxis GPS und Karte Grenzen und GPS Risiken Gerätekunde Kauftipps Digitale Karten Koordinaten Wegpunkte Genauigkeit Zuverlässigkeit Outdoor- Navigation

2 Inhalt Inhalt 10 GPS-Grundlagen 12 Was ist GPS? 13 Wie funktioniert GPS? 18 Koordinaten und Wegpunkte 19 Koordinatensysteme (Kartengitter) 36 Kartenbezugssysteme (Kartendatum) 41 GPS-fähige Karten 43 Wie genau ist GPS? 44 Fehlerquellen 52 Korrekturdaten für höhere Genauigkeit 54 Grenzen und Risiken der GPS-Navigation 58 GPS-Empfänger die Hardware 60 Überblick 61 Antenne 63 Kanäle 64 Empfänger (Chipsatz) 65 Speicher 68 Display 70 Tastatur 71 Gehäuse 73 Wasserdichtheit 74 Stromversorgung 76 Computerschnittstelle 77 Elektronischer Kompass und Höhenmesser 79 Zubehör 84 Outdoor-Geräte im Überblick 100 GPS-Software und Funktionen 102 Was kann GPS? 103 Grundfunktionen 106 Display-Anzeigen (Menüs) 122 Vor dem Start 124 Initialisierung 126 Kalt-/Warmstart 127 Setup: die richtige Einstellung 6

3 Inhalt 138 Koordinaten ermitteln und speichern 140 Koordinaten der aktuellen Position: Mehr Genauigkeit durch Mitteln (141); Bezeichnung gespeicherter Punkte (143) 145 Wegpunkte: Koordinaten von Wegpunkten ermitteln (145); Koordinaten aus der Karte ermitteln (146); Koordinaten per Referenzpunkt (Wegpunkt-Projektion) (158); Koordinaten aus dem Kartendisplay (162); Koordinaten aus dem Computer (162); Koordinaten aus dem Internet (162) 164 Orientierung und Navigation 166 Standortbestimmung: Im geodätischen Gitter (166); Im geografischen Netz (169); Standortbestimmung per Referenzpunkt (171); Standortbestimmung mit zwei Referenzpunkten (173); Standortbestimmung auf dem Display (173) 174 Navigation: GoTo-Navigation (174); Track-Navigation (178); Sight n Go-Navigation (185); Routen-Navigation (186); GPS-/Kompass-Navigation (189); Navigation nach Moving Map (191) 192 Praktische Beispiele der GPS-Arbeit 194 Spektrum der Möglichkeiten; GPS ohne Landkarte 198 GPS und Landkarte 199 GPS, Landkarte und Kompass 208 Routenplanung 210 GPS und digitale Landkarten 212 Einführung 216 Digitale Karten 244 Software für Karten und GPS 260 Adressen 272 Anhang 274 Glossar 281 GPS-Abkürzungen und -Terminologie 284 Bildnachweis 292 Register 296 Der Autor 7

4 GPS-Grundlagen GPS- Grundlagen GPS-Grundlagen 11

5 Was ist GPS? Was ist GPS? Das GPS (Global Positioning System) ist ein Satellitensystem zur weltweiten Standortbestimmung. Das mit allen derzeitigen Geräten nutzbare GPS heißt NAVSTAR (Navigation System for Timing and Ranging) und wurde vom US-Verteidigungsministerium entwickelt. Das Department of Defence (DOD) kontrolliert dieses System und kann seine Genauigkeit beeinflussen. NAVSTAR wurde 1978 gestartet und ist seit 1995 voll betriebsfähig. Ursprünglich als rein militärisches System konzipiert, hat es auch im zivilen Bereich (z. B. Luftverkehr, Schifffahrt etc.) so große Bedeutung erlangt, dass ein Abschalten oder Ausfall zu einer Katastrophe im Verkehrswesen führen würde. Der US-Kongress hat die Finanzierung des Systems daher nur mit der Auflage genehmigt, dass es auch der zivilen Nutzung zur Verfügung steht. Eine verbesserte und mit GALILEO kompatible Version (GPSIII) soll ab 2012 betriebsbereit sein. Ein mit NAVSTAR weitgehend identisches System mit der Bezeichnung GLONASS hat das russische Militär in Betrieb. Es sendet jedoch auf einer anderen Frequenz, sodass seine Signale von unseren derzeitigen Empfängern nicht genutzt werden können. Zukünftige Galileo-Empfänger sollen auch diese Satelliten nutzen können. (auch auf Englisch) Die europäische Gemeinschaft baut derzeit das zivile System GALILEO auf. Es wird noch genauer und zuverlässiger funktionieren als das amerikanische NAVSTAR und soll etwa 2012 in vollem Umfang zur Verfügung stehen (erste Satelliten sind bereits seit 1995 im Orbit). Für höchste Präzision (im 1-m-Bereich!) wird es mit zwei Frequenzen operieren (s. S. 47), die auch von zivilen Nutzern zu empfangen sind. Zudem soll es mit den Systemen NAVSTAR 12

6 Wie funktioniert GPS? und GLONASS kompatibel sein; d. h. Satelliten aller drei Systeme sind mit einem Gerät zu empfangen und das Gerät kann die Signale der verschiedenen Satelliten wahlweise bzw. kombiniert verwerten. Außerdem wird es eine völlig neue, globale Search & Rescue- (SAR-)Funktion bieten, die Notsignale sofort an ein Rettungszentrum weiterleitet und sogar den Absender informiert, dass Hilfe unterwegs ist. index_en.htm GPS-Grundlagen Wie funktioniert GPS? Für die praktische Arbeit mit dem GPS-Gerät muss man die (hier vereinfacht dargestellten) technischen Grundlagen des Systems nicht unbedingt kennen und kann diesen Abschnitt ggf. überspringen, um sich gleich mit den Geräten und ihrer Anwendung zu befassen. Ein Überblick über die Funktionsweise des Systems kann jedoch sehr hilfreich sein, um einzelne Funktionen, Fehlerquellen und Einschränkungen besser zu verstehen. Jedes GPS-System (ob NAVSTAR, GALILEO oder GLONASS) besteht aus drei Segmenten: dem Kontrollsegment (Bodenkontrollstationen), dem Raumsegment (Satelliten im Weltraum) und dem Nutzersegment (GPS-Empfänger). Das Kontrollsegment, ein Netz von Bodenstationen, kontrolliert und korrigiert die Bahn der Satelliten und sorgt dafür, dass diese Satelliten stets ihre exakte Position und die genaue Uhrzeit kennen. Das Raumsystem umfasst Satelliten, die den Erdball in ca km Höhe alle 12 Stunden einmal umrunden. Ihre Umlaufbahnen sind jeweils um 60 gegeneinander und um 55 gegen den 13

7 Wie funktioniert GPS? Anordnung der Satellitenbahnen 901gp Äquator geneigt, sodass sie um so tiefer über dem Horizont stehen, je mehr man sich den Polen nähert. Sie sind so angeordnet, dass man von jedem Punkt der Erdoberfläche (abgesehen von den Polkappen) zu jeder Zeit Sichtkontakt zu mindestens 4 6 Satelliten gleichzeitig hat sofern die Sicht nicht durch Hindernisse eingeschränkt ist. Das heißt natürlich nicht, dass man die Satelliten tatsächlich sieht, sondern dass die Blickrichtung frei ist. Jeder dieser Satelliten sendet laufend per Funk Informationen über seine Position, die per Atomuhr ermittelte Uhrzeit und eine Zahlenreihe, aus der das GPS-Gerät seine Entfernung vom jeweiligen Satelliten bis auf wenige Meter genau errechnen kann. Das Nutzersegment sind die Endgeräte: also z. B. der GPS-Empfänger, den Sie in der Hand halten. Er empfängt die Signale von mehreren dieser Navigationssatelliten (Bahndaten, Uhrzeit und Zahlensequenz) und errechnet daraus rund um die Uhr zu 14

8 Wie funktioniert GPS? jeder Sekunde und an jedem beliebigen Punkt der Erdoberfläche seine momentane Position und seine Höhe über dem Meer. Neben dem eigentlichen Empfänger umfasst das GPS-Gerät eine genaue Quarzuhr, einen Datenspeicher und einen Rechner (CPU), der aus den empfangenen Signalen neben seiner Position eine Vielfalt von weiteren Informationen errechnen kann. Für die Positionsbestimmung in der Ebene (2D) braucht das Gerät die Signale von mindestens drei Satelliten, für eine ausreichend präzise Positionsbestimmung und die zusätzliche Ermittlung der Höhe über dem Meer (3D) benötigt es mindestens vier Satelliten. Das GPS-Gerät errechnet seine Position aus den Entfernungen zu mindestens drei Satelliten. Diese Entfernungen ermittelt das Gerät, indem es die Zeit misst, die die Funksignale brauchen, um den Weg vom Satelliten bis zum Empfänger zurückzulegen. Für die Zeitmessung benutzt das System eine festgelegte Binärsequenz. Jeder Satellit sendet in einer periodisch sich wiederholenden Folge und in genau festgelegten (extrem kurzen!) Zeitabständen eine bestimmte Sequenz von Einsen und Nullen aus. Die gleiche Sequenz läuft genau synchron auch im Empfänger ab. Achtung 2D Die ermittelte Position ist bei 2D weitaus ungenauer als bei 3D und sollte nicht verwendet werden! (s.s und 48) GPS-Grundlagen Sequenz Satellit Sequenz im GPS-Gerät GPS-Gerät empfängt Wenn das GPS-Gerät nun die Folge 1101 empfängt und zugleich mit seiner eigenen Sequenz bei 1000 (also sechs Schritte weiter) angelangt ist, dann weiß es, dass das Funksignal sechs Zeiteinheiten vom Satelliten bis zum Empfänger unterwegs war und kann 15

9 Register Register 2D-Modus 48 A Abschattung 44, 125 Adressen 261 Alan 96, 262 Alarm 118 Alarmfunktionen 120 Almanach-Daten 124 Alpenvereinskarten 231 Ankunft 119 Antenne 61, 80 Anzeige 136 Approaching 119 atmosphärische Bedingungen 47 Autolocate 126 B Backtracking 181 barometrische Höhe 43 barometrischer Höhenmesser 78 Basemap 233 Basemaps 67 Basiskarten 67 Batterien 74 Betrachter-Software 244 C CEP 109 Chipsatz 64 CityNavigator 234 Computerschnittstelle 76 D Datenspeicher 66 Deklination 134 DGPS 52 digitale Karten 216 Dilution of Precision 46 Display 68 Display-Anzeigen 106 DOP 109 DRG 221 E EasyGPS 246 ECEF-Koordinaten 34 Ecklineal 147, 168 Edge 87 EGNOS 53, 262 Einheiten 129 elektronischer Höhenmesser 77 elektronischer Kompass 77 Ellipsoid 37 Empfang, schlechter 118 Empfänger 64 Entfernungen 120 EPE 109 Ephemeris-Daten 126 Ephemeris-Fehler 48 Estimated Position Error 46 etrex 88 ETRS explorist Serie 94 F Fehlerquellen 44 Foren

10 Register Forerunner 86 Foretrex 85 Fugawi 252 G G7ToWin 246 GALILEO 12, 262 Garmin 85, 262 GarTrip 247 Gauß-Krüger-Gitter 33 Gefahrenzone 119 Gehäuse 71 Geko 88 Geocaching 271 geodätische Gitter 24 geografische Koordinaten 23 geografische Pole 21 geografisches Netz 21 Geografisch-Nord 132 Geoid 37 Georeferenzierung 224, 241 Gitter 20 Gitter-Nord 133 GLONASS 12, 262 GoTo-Navigation 174 GPS, Definition 12 GPS 60 Serie 90 GPS GPS 76 Serie 91 GPS Utility 249 GPS-Geräte 262 GPS-Navigation 189 GPS-Offline 224 GPS-Online 226 GPS-Systeme 262 GPSTrackMaker 248 GPSy 249 Gradnetz 21 Grundfunktionen 103 H, I Halterung 79 Hauptmenü 112 Heading 131 Hemisphäre 155 Höhenangaben 43 Höhendaten 225 Höhenmesser, elektronischer 77 Initialisierung 124 IPX-Standard 82 K Kacheln 219 Kalibrieren 241 Kalibrierung 224 Kaltstart 126 Kanäle 63 kardanischer Kompass 78 Karten 264, 265 Karten, digitale 216 Karten, GPS-fähige 41 Karten, topografische 9, 42, 216 Kartenbezugssysteme 36, 130 Kartendatum 36, 130 Kartengitter 19 Kartenseite 111 Karten-Software 247 Kartenspeicher 66 Kartenzubehör 267 Kompass Karten 231 Kompass, elektronischer 77 Kompass-Einstellung 135 Kompass-Kalibrierung 136 Anhang 293

11 Register Kompassmissweisung 41 Kompass-Navigation 189 Kompass-Seite 113 Kontrollpunkt 241 Kontrollsegment 13 Koordinaten 19 Koordinaten ermitteln 140 Koordinaten, geografische 23 Koordinaten-Eingabe 153 Koordinatensysteme 19, 129 Korrekturdaten 52 Kursabweichung 119 Kursreferenz 131 Kurswinkel übertragen 189 L Landkartenspeicher 66 LCD 68 Leitlinie 172 Lineal 147, 168 Lowrance 97, 263 M MacGPS Pro 249 Magellan 93, 263 Magnetisch-Nord 132 MapSend DirectRoute 236 MapSend Topo 237 MapSource 227 MapSource MetroGuide 234 MapSource Topos 236 Maßeinheiten 131 Memoryeffekt 74 Menüs 106 Moving Map 191, 226 Multipath Interference 48 N Nachrichten 118 Navigation 174 Navigationsseite 113 Navigations-Software 250, 264 NAVSTAR 12, 262 Netz 20 Nordreferenz 131 Nordrichtungen 132 Nutzersegment 13 O Off Course Alarm 119 Overlay 218 OziExplorer 256 P Passpunkt 241 PDA 258 Planzeiger 147, 168 POI 177 Poor Coverage 118 Position Dilution of Precision 46 Positionsbestimmung 15 Positionsformate 129 Positionsseite 110 Pseudo Range 17 R Ranging 16 Rasterkarten 221, 227 Raumsegment 13 Routen-Menü 117 Routen-Navigation

12 Register Routenplanung 208, 213 routingfähig 83 S Satellitenkonstellation 45 Satellitenseite 107 Scannen 240 Scanservice 267 Schutztaschen 81 Selective Availability 49 Setup 127 Shadowing 44 Sight n Go-Navigation 185 Signalablenkung 48 Silva 95, 263 SiRF 64 Software 244, 267 SPD 114 Speicher 65 Speicherkarten 67 Standortbestimmung 166 Steuerkurs 131 Strahlenbüschel 285 Straßenseite 114 Stromversorgung 74 System-Menü 128 T Tastatur 70 TFT 69 Tiles 219 Top topografische Karten 9, 42, 216 Touratech QV 254 Tourenportale 271 TracBack 181 Track-Aufzeichnung 179 TrackLog 183 Track-Menü 117 Track-Navigation 178 Trackpunkt 180 Tracks speichern 183 Trip-Computer 105 U Units 131 UPS-Gitter 28 UTM 21, 25 UTM-Gitter 25 UTM-Koordinaten 29 V, W Vektorkarten 222, 232, 264 Vermessungsämter 267 VMG 114 WAAS 53 Warmstart 126 Wasserdichtheit 73, 82 Waypoint+ 245 Wegpunkte 145, 180 Wegpunkt-Menü 116 Wegpunktsammlungen 271 Wegpunkt-Software 245 WGS84 21 Z Zeit 136 Zubehör 79, 264 Zusatzantenne 80 Anhang 295