Zivile Anwendungen des GPS - Flugnavigation

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Technik des GPS
Das NAVSTAR-GPS wird vom Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten von Amerika finanziert und betrieben. Durch die Freigabe eines zivilen Kanals, dem C/A-Channel, hat sich ein weltweiter Industriezweig entwickelt.

Die rasante Entwicklung der Mikroelektronik, insbesondere auf dem Gebiet der integrierten Schaltkreise, ermöglicht es heute, handliche GPS-Empfänger herzustellen, die preiswert und deren interne Rechner bzw. Mikroprozessoren leistungsfähig genug sind, um sie auf der Erde, auf dem Schiff und im Flugzeug bis zu hohen Geschwindigkeiten zu betreiben. Verfolgt man diesbezügliche Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und auch in verschiedenen Tageszeitungen, dann stellt man fest, dass neben dem, was wir bisher als Navigation bezeichnet haben, weiteren Einsatzmöglichkeiten für GPS-Empfänger fast keine Grenzen gesetzt sind.
 

Die Vermessung des Mount Everest
Im Juli 1993 ging es durch die Tagespresse: Der Mount Everest ist nur noch 8846 Meter hoch! Der bei den Tibetern Chomolongma genannte Berg wurde von 150 Wissenschaftlern, Geodäten und Bergsteigern neu vermessen.

Der französische Bergsteiger Benoit Chamoux erklomm im September 1992 diesen höchsten Berg der Welt mit einem GPS-Empfänger im Rucksack. Vier weitere Stationen wurden rund um den Berg in den Tälern aufgestellt. Durch die Differentialmethode (DGPS) erreichte man damit eine Meßgenauigkeit im Zentimeterbereich. Eine zweite Meßmethode parallel dazu, nach dem Prinzip der Laserdistanzmessung, brachte dasselbe Ergebnis: der Mount Everest ist zwei Meter kleiner als bisher angenommen!
Doch nicht nur die Höhe läßt sich so vermessen. Es ließ sich mit diesem System auch beweisen, dass sich die Bergspitze des Mount Everest langsam von Ost nach West bewegt, und zwar um etwa 30 cm pro Jahr.
 

Getreideertragssteigerung
Bei der Getreideernte in den U.S.A. fahren immer mehr GPS-Empfänger mit. Während ein Ährenhöhenmeßgerät den Ertrag protokolliert, liefert der Empfänger die Positionsdaten des Ernteortes. Diese Aufzeichnungen ermöglichen das gezielte Ausbringen des Düngers für die nächste Erntesaison. Überdüngung wird vermieden bei gleichzeitiger Ertragssteigerung.

 
Schnellere Einsatzmöglichkeit von Feuerwehren und Katastrophenschutz
Ein Rettungs- oder Hilfsfahrzeug mit einem GPS-Empfangssystem an Bord kann seine eigene Position über eines der vorhandenen Funkdatennetze ständig an seine Leitzentrale senden. Im Notfall kann so blitzschnell der Standort des dem neuen Einsatzort nächsten Fahrzeuges ermittelt werden. Damit werden wertvolle und manchmal lebensrettende Minuten eingespart.
 

Vermeidung von Tankerkollisionen
Jeder kennt die sich häufenden Berichte und Bilder von ölverschmutzen Stränden und den dadurch dahinsterbenden Tieren und Pflanzen. Ein überregionales und weltweites Datennetz, das von den Positionsdaten der auf den zumindest großen und größten Schiffen installierten GPS-Empfängern gespeist und mit einem zentralen Rechenzentrum verbunden ist, könnte helfen, diese Umweltkatastrophen zu vermindern. Die diesem Rechenzentrum weiterhin bekannten festliegenden Positionsdaten der Küstenregionen, Inseln, Riffen und sonstigen Untiefen ermöglichten nicht nur die Alarmierung bevorstehender Kollisionsgefahren der Schiffe untereinander, sondern auch die Gefahr evtl. Strandungsmöglichkeiten. Kollisionskurse ließen sich schon lange vor dem vermeintlichen Zusammenstoß vorausberechnen. Eine rechtzeitige Alarmauslösung könnte somit das Schlimmste verhindern.
 

Straßengüterverkehr (Logistik)
Im Güternah- und Fernverkehr werden bereits zunehmend GPS-Geräte eingesetzt. Die Tatsache, dass 50 Prozent aller Güter auf den Straßen befördert werden und 30 bis 35 Prozent des LKW-Verkehrs in Deutschland Leerfahrten sind, zwingt zu modernen technischen Mitteln, um die Leistungsfähigkeit des gewerblichen Verkehrs zu verbessern.

Für den grenzüberschreitenden Verkehr und allgemein bei größeren Reichweiten gibt es zur Positionsübermittlung vom Fahrzeug (oder auch Flugzeug) zur Zentrale ein satellitengestütztes, digitales Kommunikationssystem, das eine weltweite Verbindung sicherstellt: INMARSAT-C (International Maritime Satellite Organization) mit vier geostationären Satelliten, die seit März 1991 genutzt werden können. Die von einem im Fahrzeug installierten GPS-Empfänger berechneten Positionen werden dann über dieses System an eine Zentrale übertragen. Mittels Computer und einem entsprechenden Programm kann der momentane Standort sofort in eine Karte eingeblendet und auf einem Display angezeigt werden.

CAS-Software in Karlsruhe und Cardy in Mönchengladbach haben solche Karteninformationssysteme entwickelt, die unter der Benutzeroberfläche WINDOWS auf jedem gut ausgestatteten Personalcomputer mit mindestens einem 386er Prozessor eingesetzt werden können. Das Programm von CAS nennt sich Map&Guide und enthält alles, was für eine exakte Routen- und Zeitplanung erforderlich ist. Aufbauend auf einem Basismodul können Karten für viele Länder in verschiedenen Auflösungen dazugekauft werden. So gibt es auch ein GPS-Modul. Dieses bietet eine Schnittstelle zur Einbindung der GPS-Satellitendaten. Dadurch wird die Zentrale, welche über Datenfunk die Positionen der darzustellenden Fahrzeuge erhält, über alle Standorte derselben informiert.

Ebenfalls mit einer Schnittstelle, über die GPS-Daten zur Verfügung gestellt werden können, verfügt das Programm CARDY der gleichnamigen Firma in Mönchengladbach. Es läuft wie Map&Guide unter Windows und wird inzwischen aufgrund der großen Datenmengen auch auf Compact-Disk (CD) angeboten. Angezeigt als blinkender Punkt oder als Fahrspur läßt sich am Bildschirm jede Bewegung der Fahrzeuge verfolgen. Da unter sehr breiten Brücken oder in Tunnels ein Satellitenempfang nicht möglich ist, werden die empfangenen Meßdaten gemittelt und danach zusammen mit dem Kartenbild so aufbereitet, dass der Fahrweg stets auf der Straße und nicht daneben angezeigt wird.

 
Autobahngebühren (Elektronik-Maut)
Ein Alptraum (Zitat ADAC Motorwelt, Heft 6/94). Durch die seit 1994 laufenden Tests auf der A 555 bei Bonn-Wesseling soll die Funktionssicherheit verschiedener Autobahngebühren-Erfassungssysteme getestet werden. An einer elektronischen Mautstelle wird die Position des Fahrzeuges ermittelt und zusammen mit den Daten des Kennzeichens über einen Mobilfunksender an eine Gebührenstation übermittelt. DeTeMobil, eine Tochtergesellschaft der Telekom, macht's möglich. Fällt die Entscheidung (falls es überhaupt eine in dieser Richtung gibt) zugunsten satellitengestützter Abkassiersysteme, werden in der BRD rund 50 Millionen GPS-Empfängersysteme benötigt. Das Schröpfen der Autofahrer auf der einen Seite könnte dann allerdings dazu führen, dass durch den darauf folgenden Preisverfall das GPS-System wirklich zum "VolksKompass" wird.
 

Vermessungswesen
Von der für die Landvermessung tätigen Industrie wurde das GPS bis zu einer Präzision weiterentwickelt, die eine Vermessung mit einer Genauigkeit im Millimeterbereich ermöglicht. Es klingt utopisch, aber sogar die Deformation eines Staudammes unter dem Einfluß des Wasserdruckes bei der Schneeschmelze kann genauso beobachtet werden wie die plötzliche Hemmung der Bewegung von Erdplatten und dem damit verbundenen Spannungsaufbau, der auf ein bevorstehendes Erdbeben hinweisen kann. Es ist allerdings nicht möglich (wie ich einem Artikel eines eifrigen Autors in einer Zeitschrift entnommen habe), ein GPS als Vermessungshilfe zum Bau eines Tunnels einsetzen zu können (dafür gibt es bessere Methoden). Die Sichtverbindung zu den Satelliten ist unbedingte Voraussetzung für die Positionsermittlung, wobei immer die Position der Antenne und nicht die des Empfängers, falls der über ein längeres Kabel angeschlossen sein sollte, maßgebend ist.

Und in der Märkischen Oderzeitung berichtete im August 1994 die Journalistin Silke Müller über ein von zwei Brandenburgern zum Patent angemeldetes Verfahren, per GPS Flächen aus der Luft zu vermessen. Für welche Vermessungen die mit 100 Metern Abweichung derzeit noch ungenauen Ortsbestimmungen keine Rolle spielen, geht aus diesem Artikel jedoch nicht hervor. Unzweifelhaft ist jedoch, dass gerade in Gegenden mit großen unbewohnten Flächen, von erfaßten Objekten, wie z.B. Brandherde bei Waldbränden, alten Autowracks, Waldschäden usw, die Positionen auf diese Weise ausreichend genau ermittelt werden können.

 
Zeitmeßtechnik
Die in den GPS-Satelliten vorhandenen Atomuhren bieten sich als Referenz für hochgenaue Meßgeräte geradezu an. So wurde von der Elektronik- und Meßgerätefirma Schomandl ein Phasennormal entwickelt, welches durch GPS-Signale synchronisiert wird. Durch diese Technik wird es möglich, an mehreren Geräten, die beliebig räumlich voneinander entfernt sein können, die Phasen der Ausgangssignale in einem festen Verhältnis zueinander einzustellen. Die Zeitsignale der BBC werden bereits durch GPS-Signale gesteuert und nicht mehr von der Normalzeituhr in Greenwich abgeleitet.
 

Seefahrt
In der Seefahrt wird die Navigation mit dem GPS schon seit Jahren angewendet. Es sind in der deutschen Literatur speziell für diesen Anwendungsbereich einige Bücher erschienen [12], [13]. Doch nicht nur für die Wegfindung wird das System hier eingesetzt. So besitzen immer mehr Handelsschiffe heute für die automatische Seenotmeldung einen GPS-Empfänger, der zu jeder Zeit die Position über den Datenkommunikationssatelliten INMARSAT-C weitergeben kann. Geplant ist die Einführung elektronischer Karten mit überlagerten Radarinformationen. Die vom Radar erfaßten Schiffe senden dann automatisch ihren Namen und ihre Position.
 

Spaß im Urlaub

Ein begeisterter Angler wird wohl kaum ohne seine Angel seinen wohlverdienten Jahresurlaub antreten. Was macht ein Hobbyfotograf ohne Kamera oder Fotoapparat oder ein Funkamateur ohne mindestens ein "Handy" in der Jackentasche beim Kraxeln im Gebirge oder beim Bräunen am Strand. So habe auch ich bei meiner Silberhochzeitsreise im Juli 1994 zwar kein Flugzeug mitnehmen können, dafür jedoch das GARMIN-GPS 55 AVD in meinem Handgepäck verstaut, um einmal auszuprobieren, was sich damit so alles anstellen läßt.

Nach dem Start mit einer Boeing 737-400 vom Flughafen Stuttgart und dem Erreichen der Reiseflughöhe zeigten uns die über dem Mittelgang angeordneten Videomonitore nicht nur Filme von Donald Duck und einige Werbespots, sondern auch öfters unsere in Karten eingeblendete Flugroute und Position an. Im Wechsel dazu zeigten die Bildschirme neben der Außentemperatur noch die aktuelle Flughöhe über dem Meeresspiegel und die aktuelle Geschwindigkeit. Eine gute Gelegenheit, das GPS auszupacken um zu prüfen (mit Erlaubnis des Flugkapitäns), ob uns der Bordrechner hier nicht etwas vorgaukelt!

Die einzige Möglichkeit, Satellitensignale zu empfangen, war durch das kleine Fenster in der Bordwand gegeben. Es dauerte daher etwas länger, bis drei, etwas später dann vier jedoch nie mehr als fünf brauchbare NAVSTAR- Satelliten eingeloggt waren und das System im 3D-Modus arbeitete. Durch die Einengung des kleinen Bordfensters und den dadurch begrenzten Himmelsausschnitt war ein DOP von nur 5,2 und damit eine relative Genauigkeit von nur etwa 100 bis 130 Metern erreichbar.

Allerdings war ich sehr erstaunt, dass es unter diesen Bedingungen überhaupt funktionierte!

Um eine Anzeige unserer aktuellen Fluggeschwindigkeit über Grund zu erhalten, habe ich GOTO und danach die Kennung von Stuttgart EDDS (das hat mir der Flugkapitän freundlicherweise mitgeteilt, da ich diese nicht auswendig wußte) eingetippt und mit der ENT-Taste bestätigt. Prompt erhielt ich die sich eindrucksvoll vergrößernde Entfernung von Stuttgart und die Geschwindigkeit über Grund mit 877 km/h mitgeteilt, welche exakt mit der am Monitor angezeigten übereinstimmte. Einzig bei der Flughöhenangabe, die durch zweimaliges Drücken der NAV -Taste auf der Positionsseite abzulesen war, gab es Differenzen von etwa 250 Metern (bei über 10.000 m Flughöhe! ). Angesichts des sehr schlechten DOPs jedoch ganz passabel!

Die Rechenzeit des Gerätes und die eingestellte Filterzeit von drei Sekunden machten sich erst bei einer schnellen Änderung von Flughöhe und Fluggeschwindigkeit bemerkbar. So "hinkten" die Angaben des GPS 55 kurz vor der Landung auf KOS den Daten auf den Monitoren der 737-400 zeitlich etwa vier bis sechs Sekunden hinterher. Hier ist wohl die Grenze der Leistungsfähigkeit dieses GPS-Navigators erreicht, dafür ist jedoch das hier beschriebene Anwendungsbeispiel sicher nicht alltäglich.

Auf KOS mieteten wir uns einen kleinen Geländewagen, um die Insel zu erforschen. Lateinische Buchstaben auf Wegweisern findet man hier nur an den Hauptstraßen. Um zumindest zu wissen, wie weit wir von unserem Hotel entfernt waren und welche Richtung wir ggf. bei einbrechender Dunkelheit einschlagen müssen, um es in absehbarer Zeit wieder zu finden, schnallte ich mir das handliche Gerät mit den vorbereiteten Schlaufen der mitgelieferten Tragetasche an meinen Gürtel. Zuvor musste ich noch die Koordinaten des Hotels als Wegpunkt abspeichern. Mit der Autostore -Funktion ist dies schnell erledigt, braucht man doch nur noch einen geeigneten Wegpunktnamen einzugeben. Intuitiv tippte ich KOS ein und wunderte mich, dass das Gerät bereits einen Wegpunkt mit diesem Namen kannte! Der Flugplatz konnte damit nicht gemeint sein, hatte ich die Kennung mit der Nearest Waipoint - Funktion bereits mit LGKO von der eingebauten Datenbank ermitteln können. Der Vergleich der Koordinatenpaare des Flugplatzes KOS (LDKO) mit 36°47,74' Ost und 27°05,50' Nord mit dem entdeckten Wegpunkt KOS mit 36°47,50' Ost und 27°05,51' Nord ergab, dass es sich um das VOR KOS handeln musste. Die Zusatzinformation in der eingebauten Datenbank (USR, APR oder VOR), die dem Benutzer die Kategorie der Datenbankeinträge mitteilt, hatte ich doch glatt übersehen.

Doch nur so lernt man sein Gerät kennen! Übrigens, das Hotel hätten wir auch ohne GPS sicher wieder gefunden.
 


GPS für jeden
Die bisher aufgezählten Anwendungen sind nur einige Beispiele. Grenzen für weitere Einsatzmöglichkeiten von GPS-Empfängern sind nur dem Erfindungsgeist der Benutzer gesetzt. Wenn man die technische Weiterentwicklung und Miniaturisierung dieser Geräte verfolgt, kann man sich vorstellen, dass Preis und Größe keine Hindernisse mehr sein werden.

Der amerikanische Elektronikhersteller Rockwell hat unter der Bezeichnung NavCard ® den wohl zur Zeit kleinsten GPS-Empfänger geschaffen. Er entspricht der Größe der im Computersektor üblichen PCMCIA-Chipkarten mit den Abmessungen 13,7 cm x 5,4 cm und wiegt ganze 90 Gramm. Er verfügt über DGPS-Eigenschaften und verbessert damit die übliche Positionsgenauigkeit von üblicherweise 100 Metern, wenn er als DGPS-Receiver betrieben wird, auf weniger als 5 Meter!

Kurz vor der Fertigstellung meines Buches besuchte ich ein GPS-Seminar, welches von der Firma Unitronic und dem Halbleiterhersteller Rockwell in Heidelberg veranstaltet wurde. Dort wurden sowohl diese NavCard als auch der etwas größere OEM-GPS-Sensor MicroTracker ® vorgestellt. Abb. 7.5 zeigt den Aufbau des weitestgehend in SMD-Technik gefertigten Mikrotrackers.
 
Weitere Anwendungsmöglichkeiten
Gelegentlich sieht man schon Kraftfahrzeuge, die einen Aufkleber an der Windschutzscheibe oder an einer Seitenscheibe haben, welcher auf die Überwachung desselben per Satellit hinweist. Abgesehen von Dummies, wie es sie auch bei den konventionellen Alarmanlagen gibt, wird dies bereits heute praktiziert. Im Falle eines Diebstahls kann so über ein Alarmsystem im Auto oder sogar extern über einen Europiepser ein im Auto versteckter oder vielleicht für die Straßennavigation schon sowieso eingebauter GPS-Empfänger aktiviert werden, der seine gerade empfangenen und ausgewerteten Positionsdaten über ein Funkgerät oder über ein GSM-Telefon übermittelt. Sie oder entsprechend eingerichtete Sicherheitsdienste können dann verfolgen, wo Ihr Auto sich gerade befindet bzw. in welche Richtung es bewegt wird. Eine sicherlich ernst zu nehmende Möglichkeit, über solch ein System nachzudenken. Damit kann im Prinzip jedes bewegliche Gerät (Auto, Flugzeug, Schiff oder sogar ein Koffer) überwacht werden. Bei entsprechendem Preisverfall und Miniaturisierung der Geräte wäre selbst ein "elektronischer Babysitter" denkbar.

Oder ist es so abwegig, dass ein Sprachsynthesizer in Verbindung mit einem GPS-Empfänger in einer Straßenbahn oder in einem Linienbus in Zukunft das automatische Ansagen der Haltestellen übernimmt?


 
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