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Global Positioning System GPS

Das GPS-System ist das komlexeste, was man sich überhaupt vorstellen kann. Ich will so einfach als möglich zu erklären, wie das GPS-Gerät aus den Signalen der Satelliten einen Standort erstellen kann. Hilfreich für den Leser wäre vorab das Studieren meiner astroanalytischen Standortbestimmung. Dort habe ich aufgezeigt, daß sich zwei Höhengleichen in zwei Schnittpunkten auf der Erdoberfläche schneiden, wovon einer der Standort ist. Beim GPS sind es die Zeitgleichen, die um den Satellitenstandort (Bildpunkt bei astronomischer Navigation) auf der Erdoberfläche einen Kreis bilden.

Die über dreißig GPS-Satelliten senden alle unterschiedliche Signale aus. Der GPS-Empfänger kann diese Signalstränge den jeweiligen Satelliten zuordnen. Er erkennt mit unglaublicher Genauigkeit, wie lange das Signal unterwegs war. Bei ca. 18 m Genauigkeit muß die Dauer eines solchen Signals unter 18/300 000 000 s = sechs hundertmillionstel Sekunde sein! Jetzt muß das GPS-Gerät noch wissen, wo der Satellit bei der Aussendung des Signals gestanden hat. Dazu sendet ihm jeder Satellit seine Bahndaten, was beim ersten Anstellen des GPS-Empfängers etwas Zeit beansprucht. Sein Standort bei Signalaussendung ist dem Bildpunkt der astronomischen Navigation gleichzusetzen. Die Höhengleiche der astronomischen Navigation ist die Zeitgleiche der Satellitennavigation. Die Zeitgleiche ist ein Kreis auf der Erdoberfläche um den Satellitenort auf der Erde, an welchem das vom Satelliten ausgesendete Signal mit der gleichen Zeitverzögerung auf der Erdoberfläche auftrifft, d.h. gleich weit entfernt ist. So kann mit Hilfe der Sphärischen Trigonometrie der Standort ermittelt werden. Um einen Standort auf der Erdoberfläche bilden zu können, braucht der GPS-Empfänger drei Satellitensignale. Mit dem dritten Signal wird die Zeit so verändert, daß sich aus den drei Signalen ein Schnittpunkt ergibt. Der GPS-Empfänger hat keine Atomuhr, die ihm die nötige Zeitgenauigkeit bereitstellt, deshalb wird mit diesem Kniff die Genauigkeit der Uhrensynchronisation erreicht. Für die Höhenermittlung braucht es drei Satelliten plus einen für die Zeitkorrektur. Da die GPS-Empfänger alle paar Sekunden einen Standort errechnen, wird aus diesen, bei Bewegung immer neuen Standorten, Kurs und Geschwindigkeit errechnet. Keinesfalls wird dazu von unseren Konsumergeräten der Dopplereffekt benutzt, wie in vielen Veröffentlichungen behauptet wird. Zu weiteren Erkenntnissen führen die linken Links. Ich habe dazu einen Link bei "planet erde" gefunden, welcher in einem Film die Problematik der Koordinatenermittlung mittels GPS aufzeigt.

Unter NOeGS findet man viel zum Thema GPS und die Erstellung und Verwendung von Karten.

Die Seiten von Kawoma stellen das gesamte GPS System recht umfangreich dar, so daß ich mir hier weitere Erleuterungen spare.

Das GPS hat die Navigation auf See weitgehend verändert. Auf größeren Schiffen zeigt ein GPS gesteuerter Lichtpunkt auf der Karte in einem Plotter den jeweiligen Standort an. Der Navigator macht in vorgeschriebenen Zeitabständen mit dem Bleistift einen Punkt auf die Karte und trägt daneben die Uhrzeit ein. Auf kleineren Schiffen (Yachten) werden GPS-Geräte verwendet, die den Standort auf einer Karte im Display als Kreuz oder Pfeil darstellen. Ebenso den Kurs und die Geschwindigkeit und vieles andere mehr. Es gibt eine Unmenge von Geräten und dazugehörigen Karten. Es existieren zwei unterschiedliche Systeme. Einmal die Navigation auf der Pixelkarte und einmal die auf vektorisierten Karten. Sie unterscheiden sich folgendermaßen:

Die Pixelkarte ist eine Bildkarte vergleichbar mit der bekannten Seekarte. Alle Informationen sind sichtbar und bei Vergrößerung kommt keine Information hinzu, sie wird dabei immer pixelliger.

Die Vektorkarte kann verschiedene Ebenen haben, die je nach Bedarf ein- oder ausgeblendet werden können. Bei Vergrößerung verliert sie nicht an Schärfe.

Welches System der Navigator in Anspruch nimmt, ist schon fast eine Glaubenssache geworden. Mich hat die Fa. NV-Verlag in Arnis benachrichtigt, daß sie in Zukunft pixelorientierte Karten vertreiben wird. Übrigens hat dieser Verlag die Ostseehäfen mit Karten, Informationen und Links unter nv-pedia.de online gestellt. Für Ostsee-Skipper reinschauen. Es lohnt sich! Um mich auch ohne Internetanschluß (auf See) schlau machen zu können, habe ich mir davon eine DVD erstellt.

Auf den Nord-Ostseekarten, Link links, habe ich die Häfen mit Google Earth verküpft. Link anklicken, Karte auswählen mit Klick und Hafen anklicken und schon kann dieser von oben angesehen werden. Google Earth muß natürlich vorher installiert sein. Zum kostenlosen Runterladen links der Link. Hier wird Google Earth über Mozilla Firefox aufgerufen. Das Programm muß dafür nicht extra installiert sein.

Deutsche Häfen mit Wetter und Versorgungsmöglichkeiten sowie GoogleEarth Ansicht findet man hier.

Die Nord- und Ostseehäfen mit vielen Erläuterungen.

Ein Alternative zu Google Earth ist das Microsoft Bing Programm.
Es bietet Häuseransichten aus vier Richtungen von oben und 3d Ansichten von Gebäuden. Kann dann von Firefox oder Internet Browser von Microsoft aufgerufen werden. Hier der Lohheidesee in unserer Nähe. Mit Verschieben und dem Scrollrad läßt sich die ganze Welt entdecken. Das Anklicken des Doppelpfeils links über dem Kartenbild vergrößert dieses auf Bildschirmgröße. Das Anklicken der Pfeile links und rechts der Kompaßrose verändert den Blickwinkel.

Eine weitere Alternative zu Google Earth ist das Programm Flash Earth. Es zeigt die Erde auch aus Satellitenperspektive.

Luftbildaufnahmen von Deutschen und Niederländischen Städten kann man mit dem Programm Aeroview ansehen.

Die Fa. Garmin war meines Wissens nach die erste in der Herstellung von Hand-GPS-Geräten für die Navigation. Sie zeigten dem Steuermann auf See an wo er ist (Breit und Länge) und wie er steuern muß, um den nächsten Wegepunkt zu erreichen. Karten waren in diesen ersten Geräten noch nicht vorhanden. Das hat sich in der Zwischenzeit gehörig verändert. Jetzt gibt es Garmin Geräte mit Land- und Seekarten der ganzen Welt. Diese sind Vektorkarten.

Zur Navigation benutze ich ein PDA und ein Lab-Top. Im Internet fand ich dafür das Navi-Programm OziExplorer des Australiers, Des Newman, fürs PDA (CE) und den Lab-Top und jetzt auch für Tablets mit Android System. Er verwendet Pixelorientierte Karten. So können aus vorliegenden Wander- oder Seekarten bemaßte Navi-Karten erstellt werden. Auch vektorisierte Karten werden ja am Computerbildschirm pixelmäßig abgebildet, so können auch daraus Karten für den OziExplorer erstellt werden. Wie das geht beschreibe ich auf der Seite Navigation mit dem OziExplorer.

Hier eine Outdoorkarte, die Wander-Fahrad-Motorrad- und Autorouten enthält, die für die unterschiedlichsten Navigationssysteme heruntergeladen werden können.

Die Straßennavigation, welche man in Autos zum Ankommen verwendet, beinhalten vektorisierte Karten. Dort sind die Straßen digitalisiert. Das Navigationsgerät setzt das Fahrzeug immer mitten auf die Straße, auch wenn es daneben steht. Ist es weiter entfernt, zeigt es an: "keine Straße digitalisiert" Zum Wandern, neudeutsch outdoor, oder für die Seefahrt ist das natürlich ungeeignet. Neben dem OziExplorer läuft auf meinem PDA auch ein Straßen-Navi-Programm.