GPS-Navigation und Verkehrslenkung für private Nutzung


Seminararbeit, 2010

22 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Inhalt:

1 Einleitung

2 GPS: NAVSTAR
2.1 Historie
2.2 Technik - Theorie und Praxis
2.2.1 Theorie
2.2.2 Praxis

3 DGPS

4 GLONASS

5 GALILEO

6 GPS-Navigation in privater Anwendung
6.1 GPS in der Kfz-Navigation
6.1.1 InCar-Navigation
6.1.2 Portable Navigation Device
6.1.2.1 PNDs - Marktentwicklung
6.1.3 TCM in der Kfz-Navigation
6.2 GPS auf Mobiltelefonen und Smartphones
6.3 GPS in sonstigen privaten Anwendungen
6.4 Zusammenfassend: Entwicklung des Privatanwendermarktes für GPS

7 Fazit

8 Literatur

1 Einleitung

GPS bzw. Satellitennavigation hat heute auf den Alltag vieler Menschen Einfluss gefunden. Oftmals ist es dem Menschen gar nicht bewusst in welchen Bereichen des täglichen Lebens GPS-Techologie zur Anwendung kommt. Dies liegt darin begründet, dass eine Vielzahl der Anwendungsbereiche nicht der direkten privaten Nutzung unterliegt. Dies bedeutet, dass viele Menschen sich nicht darüber bewusst sind, das GPS-Technologie heute in der Logistik, im ÖPNV, in der Landvermessung, im Baugewerbe in der Landwirtschaft und in vielen weiteren Bereichen, die auch den täglich Alltag aller Menschen bestimmen, Einfluss hat. Aber auch die private, bewusste Nutzung von GPS nimmt rapide zu und findet hohe Akzeptanz.

Diese Arbeit erläutert zu Beginn die Entwicklung und die technischen Grundlagen der heutigen GPS- Navigation. Die wesentliche Anwendung der Satellitennavigationstechnologie im Kfz-Bereich wird anschließend besonders ausführlich betrachtet, da sie in hohem Maße für die moderne Verkehrsführung verantwortlich ist und eine sehr dynamische Marktentwicklung aufweist. Da der Zukunftsmarkt der GPS-Technologie im privaten Bereich im Mobilfunksektor gesehen wird, wir diese anschließen vorgestellt. Auch weitere privaten Anwendungsbereiche, die nicht unmittelbar mit der Verkehrsführung, wohl aber mit der individuellen, privaten Routenführung in Zusammenhang stehen sind darauf folgend kurz beschrieben.

2 GPS: NAVSTAR GPS

Spricht man heute von Satellitennavigation oder GPS so ist meist das US-amerikanische NAVSTAR- Satellitensystem gemeint, welches im Folgenden beschrieben wird. Da neben existieren jedoch weitere nennenswerte System, welche in Kapitel 4 und 5 kurz vorgestellt werden.

In diesem Kapitel werden ausgehend vom NAVSTAR-GPS die Entwicklungen im Bereich der Satellitennavigationstechnik, also der Technik, welche der Anwendung zu Grunde liegt, vorgestellt. Die Entwicklung der (privaten) Anwendungsseite der Satellitennavigation wird in Kapitel 6 genau beschrieben.

2.1 Historie

Das „Global Position Systems", kurz GPS, ist ursprünglich eine rein militärische Entwicklung mit der Vorgabe ein System zu entwickeln, welches eine Bestimmung von Position und Geschwindigkeit von beliebigen ruhenden und sich bewegenden Objekten ermöglicht um damit eine weltweite Navigation mit hoher Genauigkeit zu gewährleisten (Mansfeld 2004: 107). Bisherige terrestrische Navigationsinstrumente konnten dies nicht gewährleisten da sie auf Grund der Erdkrümmung niemals flächendeckend arbeiten konnten. Unter dem Namen NAVSTAR (Navigation System for Timing and Ranging) wurden im Jahr 1978 die ersten Satelliten im Auftrag des amerikanischen Verteidigungsministeriums in die Erdumlaufbahn transportiert. Die erste „Prototypen-Phase" (Block I) dauerte bis zum Jahr 1985 und war mit mäßigem Erfolg gekrönt. Von insgesamt elf in Betrieb genommenen Satelliten wiesen lediglich drei überhaupt keine Probleme auf (Strobel 1995: 82f). Im Jahr 1989 wurden weiterentwickelte „Block II Satelliten" und im Jahr 1990 die ersten „Block IIA Satelliten" (A=advanced) in die Erdumlaufbahn transportiert, welche zuverlässiger arbeiten (Schildt 2008: 36ff). Bis heute wurden über 50 NAVSTAR-Satelliten ins All geschossen. Bei einer Lebensdauer von rund fünf bis 15 Jahren befinden sich der Zeit gut 30 Satelliten in der Umlaufbahn. Eine vollständige Nutzung des Systems war erstmals im Jahr 1992 möglich. Von Beginn an war eine kostenlose zivile Nutzung des GPS-Signals nicht ausgeschlossen. Allerdings wurden die Signale ab dem Block II getrennt (Selective Availability /SA), in Signale für militärische Nutzung (Precise Positioning Service/PPS) und Signale für zivile Nutzung (Standart Positioning Service/SPS). Während PPS eine Genauigkeit von unter 10 Metern erlaubt wurde bei SPS eine künstliche Ungenauigkeit von rund 100 Metern implementiert. Die Überlegungen die hierzu führten lagen wohl im Denken des Kalten Krieges. Nach Ende des Kalten Krieges wurde im Jahr 2000 die SA abgeschaltet (Schildt 2008: 44 & Mansfeld 2004: 107f & Köhne / Wößner (Hrsg.) 2010b) Dies ist ein wichtiger Punkt in der Entwicklung der zivilen Nutzung des GPS-Systems, da erst hier die Nutzung für eine genaue Positionsbestimmung für private Anwender möglich war. Dies ist der Beginn einer ernst zu nehmenden Diffusion der zivilen Nutzung. In neue Satelliten, die ab dem Jahr 2005 in Anwendung gebracht wurden, wurden neue militärische Signale implementiert, welche wohl eine weitere Genauigkeitssteigerung aufweisen jedoch nicht für die zivile Nutzung zugänglich sind (Krebs (Hrsg.) 2009)

2.2 Technik - Theorie und Praxis

Bei der folgenden Beschreibung der Funktionsweise von modernen GPS- Satellitennavigationssystemen werden technische Details wie beispielsweise Frequenzbereiche oder Fehlerkorrekturen bei Laufzeitmessungen ausgelassen, da diese für diese Arbeit nicht weiter relevant sind. Viel mehr soll hier erläutert werden, nach welchem Grundprinzip es möglich ist eine Position auf der Erde zu bestimmen (Theorie) und was nötig ist um das GPS-System zu betreiben (Praxis).

2.2.1 Theorie

Die „Technik" oder besser, das mathematische Verfahren, auf dem Positionsbestimmung in der Satellitennavigation beruhen wird als Trilateration bezeichnet und ist eine Methode der Standortbestimmung welche auf Entferungs- bzw. Abstandsmessungen beruht. Grundsätzlich unterscheidet man Navigationsarten nach Art der Ortung. Während bei der so genannten „Fremdortung" die Position eine Objektes von außerhalb bestimmt wird, ermittelt das Objekt bei der so genannten „Eigenortung" seinen Standpunkt selber (Mansfeld 2004: 1 & Schildt 2008: 28). Bei der Satellitennavigation erfolgt eine Eigenortung des GPS-Empfängers mit Hilfe der Trilateration. Ein GPS- Satellit sendet seine ein Funksignal zur Erde, welches (unter anderem) Sendezeit und Position des Satelliten beinhaltet. Da die Geschwindigkeit der Verbreitung des Signal bekannt ist (300.000 km/s , Lichtgeschwindigkeit) ist es dem Empfänger möglich, nach dem alt bekannten Gesetz „Weg = Geschwindigkeit * Zeit" die Distanz zum Satelliten zu berechnen. Voraussetzung hierfür ist die Synchronisation der „Empfangsgerätzeit" mit der Zeit der Atomuhren der Satelliten. Eine solche Synchronisation geht den Messungen in GPS-Empfangsgeräten voraus. Der Empfänger befindet sich bei Betrachtung der Informationen eines Satelliten irgendwo auf einer Kugeloberfläche, welche durch einen Radius gleich der Entfernung des Satelliten zum Empfänger beschrieben ist (vgl. Abb. 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Kugel um Satellit mir Radius gleich der Entfernung zum Sender.

Quelle: BASE TEN SYSTEMS Electronics GmbH (Hrsg.) 1997: 12

Durch synchrone Messung einer weiteren Distanz zu einem weiteren Satelliten entsteht theoretisch ein Schnittkreis zweier Kugeln (um die zwei Satelliten) auf dem sich der Empfänger befinden muss (vgl. Abb. 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 - Schnittkreis der Kugeln zweier Satelliten.

Quelle: BASE TEN SYSTEMS Electronics GmbH (Hrsg.) 1997: 13

Kommt nun eine dritte Kugel eines dritten Satelliten hinzu kann theoretisch die Position bereits errechnet werden, da es nur noch zwei Schnittpunkte der Schnittkreises der ersten beiden Kugeln mit der dritten Kugel gibt und eine der Beiden so errechneten Position meistens unrealistisch ist und nicht auf der Erdoberfläche liegt (vgl. Abb. 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - Schnittpunkt(e) der Kugeln dreier Satelliten.

Quelle: Strobel 1995: 106 & BASE TEN SYSTEMS Electronics GmbH (Hrsg.) 1997: 14

Hieraus ergibt sich, dass man für eine dreidimensionale Positionsbestimmung einen weiteren Satelliten benötigt. Bei der Positionsbestimmung von Flugzeugen oder Objekten in hohen Bergen beispielsweise kann ein sich nicht auf der Erdoberfläche befindende Punkt auch realistisch sein kann. Durch den Einbezug einer weiteren, vierten theoretischen Kugel in die Berechnung kann die Position eindeutig bestimmt werden. Heute haben Empfangsgeräte weltweit meiste eine Auswahl aus mehr als vier zur Verfügung stehenden Satelliten. Zu Gunsten der Genauigkeit wird in der Praxis auch bei Positionsbestimmungen auf der Erdoberfläche, also im theoretisch zweidimensionalen Raum ein vierter Satellit mit in die Berechnung eingebunden (Schildt 2008: 28ff & BASE TEN SYSTEMS Electronics GmbH (Hrsg.) 1997: 8ff & Strobel 1995: 104ff).

2.2.2. Praxis

Der Betrieb des NAVSTAR- Satellitensystems bedarf drei so genannter Segmente:

- Raumsegment (1)
- Kontrollsegment (Bodensegment)(2)
- Nutzersegment (3)

(1) Das Raumsegment bestehet aus den, sich in der Erdumlaufbahn befindenden, GPS- Satelliten, welche mit Hilfe von Trägerraketen in die Erdumlaufbahn befördert werden. Ihre Energieversorgung erfolgt mittels Solarmodulen. Und ihre Ausstattung umfasst unter anderem bis zu drei Atomuhren und Sender. Die Satelliten umkreisen die Erde in sechs Bahnneigungsebenen. Auf jeder Ebene sind 4 Satelliten in gleichen Abständen vorgesehen, in der Praxis sind es jedoch meist mehr (Schildt 2008: 45ff).

(2) Aufgabe des Kontrollsegmentes ist die Überwachung der Funktion des gesamten Systems. Das Kontrollsegment besteht aus eine Hauptkontrollstation, fünf Monitorstationen und drei Bodensendestationen. Die Organisation der Stationen erfolgt nach dem „Master-Slave-Prinzip". Die Masterstation ist die Bodenkontrollstation in Colorado/Springs, USA. Ihre Aufgabe besteht darin, die Daten der Satelliten, welche von den Monitorstationen gesammelt werden zu verarbeiten. So werden in der Bodenkontrollstation beispielsweise Umlaufbahnen oder Daten, die der Satellit zu Positionsbestimmung senden soll, berechnet. Die Masterstation ist die einzige Station die berechtigt ist, Daten der Satelliten zu aktualisieren. Eine Aktualisierung der Daten wird von den Bodensendestationen ausgeführt (vgl. Abb.5). Abbildung 4 zeigt die Standorte der Kontrollsegmente. Die spezielle Verteilung der Kontrollsegmente ermöglicht bis zu drei Kommunikationen pro Tag zu jedem Satelliten (Mansfeld 2004: 114ff & Schildt 2008: 43ff.).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 - Globale Verteilung der Kontrollsegmente von GPS. Quelle: Köhne / Wößner (Hrsg.) 2010a

(3) Das Nutzsegment ist stellvertretend für die Anwenderseite des Systems. Es Umfasst im Grunde alle in verschiedene Applikationen eingebundenen GPS-Empfänger. Moderne GPS- Empfänger, selbst im zivilen Bereich, besitzen heute i.d.R. 12 Kanäle und können somit bis zu 12 Signal gleichzeitig verarbeiten. Anwendungsbereich außerhalb der privaten Nutzung liegen u.a. in den Bereichen Erderkundung, Lagerstättenerkundung, Kartenaufnahme, Straßenprojekte, Bauprojekte, Geodäsi, Geodynamik, Luft- und Raumfahrt, Seefahrt und Landwirtschaft. Der Hauptanwendungsbereich in der privaten Nutzung, mit dem sich die folgenden Kapitel befassen, liegt im Bereich Landverkehr (Mansfeld 2004: 118f & BASE TEN SYSTEMS Electronics GmbH (Hrsg.) 1997: 10f & Schildt 2008: 51).

Die folgende Abbildung verdeutlicht die Funktion und die Verflechtung der Segmente.

3 DGPS

DGPS (Differential Global Positioning System) ist ein Weiterentwicklung bzw. Ergänzung zum „normalen" GPS. Für das Verfahren des Differential-GPS werden Referenzstationen errichtet. Diese Stationen sind besonders genau vermessen und ermitteln durch den abgleich ihrer eigenen, genau bekannten Position und der aus den GPS-Satelliten ermittelten Position einen Korrekturwert. Dieser Korrekturwert wird an die mit DGPS ausgestatten GPS-Empfangsgeräte gesendet. Hierdurch ist eine erhöhte Genauigkeit zu erzielen. Die Genauigkeit mit DGPS liegt im Zentimeterbereich. Neben Anwendungsbereichen in der Luft- uns Seefahrt und Vermessungswesen ist dieses Verfahren besonders in der Kfz-Navigation von Bedeutung (May 2002: 18f & Mansfeld 2004: 213ff). Die Funktionsweise von DGPS in der Kfz-Navigation wird in Kapitel 6.1.3 beschrieben.

4 GLONASS

Da die Entwicklung der Satellitennavigationssystem, wie bereits beschrieben, während des Kalten Kriegs statt fand, ist es nicht verwunderlich, dass auch die ehemalige Sowjetunion ein dementsprechendes System aufbaute. Das sowjetische Pendant zu NAVSTAR, namens GLONASS (Global Navigation Satellite System), wurde ebenfalls in den 1970er Jahren entwickelt. Der operative Betrieb wurde im Jahr 1993 aufgenommen. Die Grundlagen der Positionsbestimmung sind mit denen des NAVSTAR-System zu vergleichen. Da das „GLONASS-Signal" bereits seit dem Jahr 1988 uneingeschränkt frei zugänglich war und es nie eine „Selective Availability" gab, war vor dem Jahr 2000 über die - noch recht geringe Anzahl der - GLONASS-Satelliten eine höhere Genauigkeit in der Standortbestimmung für private Nutzer möglich. Die heute bessere Leistungsfähigkeit des NAVSTAR- System ergibt sich aus der höheren Anzahl an Satelliten. Im Bereich der Anwendung sorgen besonders ambitionierte GPS-Empfänger, mit der Fähigkeit NAVSTAR und GLONASS Signale zu verarbeiten, für die beste zu erzielenden Leistung. Der Betrieb des GLONASS erfolgt in Raum-, Kontroll- und Nutzersegment, wie vom NAVSTAR bekannt. Das GLONASS-System wird ebenfalls weiterhin ausgebaut und soll mit 24 aktiven von insgesamt 27 Satelliten konstant arbeiten (Mansfeld 2004: 255ff).

5 GALILEO

GALILEO ist der Name der europäischen Variante der Satellitennavigation. Das System befindet sich noch in der Planung und ist als Public-Private-Partnership konzipiert. Neben den Mitgliedsländern der EU beteiligen sich auch private Firmen und andere Länder aus aller Welt am Aufbau des Systems. Initiator von GALILIE war die EU. Anders als GLONASS und NAVSTAR soll GALILEO keiner militärischen Kontrolle unterliegen. Mit dem Aufbau eines eigenen Satellitensystems soll eine Unabhängigkeit von amerikanischen bzw. russischen Systemen erreicht werden, zugleich ist GALILEO so ausgelegt, dass das System mit GLONASS und NAVSTAR kompatibel ist.

[...]

Ende der Leseprobe aus 22 Seiten

Details

Titel
GPS-Navigation und Verkehrslenkung für private Nutzung
Hochschule
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen  (Geographisches Institut)
Veranstaltung
Seminar "Diffusion der Kommunikation"
Note
1,7
Autor
Jahr
2010
Seiten
22
Katalognummer
V153367
ISBN (eBook)
9783640654857
ISBN (Buch)
9783640654871
Dateigröße
1275 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
NAVSTAR, GLONASS, Smartphones, GALILEO, GPS-Martk, Navi, Navigationssysteme, InCar-Navigation, PND, Personal Navigation Device, Portable Navigation Device
Arbeit zitieren
B.Sc. Fabian Seyffarth (Autor), 2010, GPS-Navigation und Verkehrslenkung für private Nutzung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/153367

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