Entwicklung der satellitengesteuerten Navigation in der Automobilindustrie

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Geschichte der Navigation
2.1 Grundlagen
2.2 Ältere Navigationsmethoden
2.3 Funknavigation/Radar
2.4 Satellitennavigation

3 Satellitenortung
3.1 Entstehungsgeschichte
3.2 Technik
3.3 Systeme

4 Navigation in der Automobilindustrie
4.1 Festeinbau / Mobiles Navigationsgerät (PND)
4.2 PKW/LKW/Motorrad
4.3 Kartenhersteller
4.4 Techniken/Entwicklung
4.4.1 Visuelle Verbesserungen
4.4.2 Routenberechnung
4.4.3 Fußgängernavigation
4.4.4 Verkehrsstau
4.4.5 Navigation-Online
4.5 Navigation mit Mobiltelefonen/Smartphones
4.6 Umbruch in der Navigationsbranche

5 Schlusswort/Zukunft

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

„Wo bin ich?“ und „Wie komme ich zum Ziel?“ sind Fragen, die die Menschheit schon immer vor Probleme stellten. Im Laufe der Geschichte konnten sie durch die Wissenschaft und den technischen Fortschritt immer präziser, immer schneller, immer komfortabler beantwortet werden.

Besonders im Straßenverkehr stellen wir uns diese Fragen besonders oft. Sind wir ortskundig, haben wir natürlich keine Probleme das Ziel zu erreichen. Kennen wir uns jedoch nicht aus, helfen Straßenschilder, eine Straßenkarte oder im Notfall die Beschreibung eines Fußgängers. Jedoch ist dies alles andere als optimal. Die Konzentration auf den Verkehr sinkt, da wir Ortsschilder beachten. Wir halten an, um eine Straßenkarte zu lesen oder um einen Passanten nach dem Weg zu fragen. Wir verfahren uns, der Benzinverbrauch steigt, wir erreichen unser Ziel gestresst und wesentlich später und verpassen eventuell einen wichtigen Termin.

Um ein Ziel auf dem optimalen Weg sicher und exakt zu erreichen, bedient sich die Automobilindustrie Satelliten gestützter Navigationsgeräte. Sie weisen jedoch nicht nur den genauen Weg, sondern bei Bedarf auch den schnellsten, kürzesten oder Kraftstoff ärmsten. Sie zeigen an großen unübersichtlichen Kreuzungen, in welche Fahrspur man sich einzuordnen hat. Sie leiten am Stau vorbei, warnen bei Überschreitung der Höchstgeschwindigkeit, kennen günstige Tankstellen entlang der Route oder den nächsten Blumenladen, um noch schnell ein Geschenk zu besorgen.

Die Entwicklung der satellitengesteuerten Navigation ist in den letzten Jahren rasant fortgeschritten und bietet heute dem Fahrer eine Fülle von Hilfen, die die Orientierung in vielen Bereichen vereinfacht.

2 Geschichte der Navigation

2.1 Grundlagen

Die Tätigkeit des Navigierens – von lat. navigare^[1], besteht aus zwei Teilbereichen:

- Standortbestimmung à durch Ortung
- Zielführung à durch Navigation^[2]

Bachmann definiert Navigation als „die Planung und Überwachung der Fahrzeugbewegung (…) in möglichst optimaler Weise. Dazu gehört die Ankunft an bestimmten Orten zu bestimmten Zeiten, das Ermitteln des bereits zurückgelegten Weges, das Einhalten eines vorgeschriebenen Kurses, das möglichst schnelle und Treibstoff sparende Erreichen eines Zieles.“^[3]

Tiere bedienen sich bei der Navigation oftmals verschiedenster Sinne. So konnten zum Beispiel bei Zugvögeln Eisenoxidpartikel im Schnabel nachgewiesen werden, die sich entsprechend dem Erdmagnetfeld ausrichten – wie ein eingebauter Kompass.^[4]

Was dem Menschen an Sinnen gegenüber der Tierwelt fehlt, hat er durch verschiedenste Methoden der Positionsbestimmung ausgeglichen. Die meisten Verfahren der Navigation entstammen dabei der Nautik: der Ortsbestimmung und Steuerung von Schiffen.

2.2 Ältere Navigationsmethoden

Die einfachste und älteste Form der Navigation ist die Sichtnavigation. Hierbei bewegt man sich von einem sichtbaren Merkmal zum nächsten und vergleicht das Gelände mit einfachen See- oder Küstenkarten.

Durch die Koppelnavigation wird die Position, beginnend von einem bekannten Ausgangsort, durch laufende Messung des Kurses und der zurückgelegten Strecke ermittelt. Der Kurs wurde seit dem 12. Jahrhundert durch den magnetischen Kompass ermittelt, die zurückgelegte Strecke bzw. die Geschwindigkeit durch ein Log. Bei dem Relingslog wurde ein Gegenstand während der Fahrt ins Wasser geworfen und die Zeit ermittelt, bis es eine an der Reling markierte Strecke passierte. Beim Handlog wurde eine mit Knoten markierte Leine ins Wasser geworfen und anhand der durchgelaufenen Knoten während einer festen Laufzeit die Geschwindigkeit des Schiffes errechnet. Die noch heute gebräuchliche Geschwindigkeitseinheit Knoten bzw. Seemeile (1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h) geht auf das seemännische Handlog zurück. Die seitliche Verlagerung durch den Wind (Abdrift) musste bei diesem Verfahren durch Schätzung mit einbezogen werden.^[5]

Um die Ergebnisse der Koppelnavigation zu kontrollieren und zu verbessern bediente man sich der Astronavigation. Hierbei wurden Himmelskörper in die Positionsbestimmung mit einbezogen. Mithilfe eines Sextanten wurden die Gestirne angepeilt und durch Messung von Winkeln eine Ortsbestimmung erreicht.^[6]

2.3 Funknavigation/Radar

1862 erkannte der britische Physiker James Clerk Maxwell, dass elektrische und magnetische Felder sich zu fortschreitenden Wellen verbinden ließen. Ca. 30 Jahre später entwickelten Guglielmo Marconi und Ferdinand Braun ein Verfahren, um Mithilfe von elektromagnetischen Wellen, drahtlos Nachrichten zu übertragen und leiteten so das Zeitalter der Funktechnik ein. Ihre Arbeit wurde 1909 mit der Verleihung des Nobelpreises gekrönt.^[7]

Anfangs wurde die Funktechnik zur reinen Nachrichtenübertragung genutzt. So konnten Fehler in Seekarten schnell weiter gegeben werden oder Küstenfunkstellen und in der Nähe befindliche Schiffe in Seenotfällen benachrichtigt werden.^[8]

Die Funkpeilung – also die Standortbestimmung durch drahtlose Telegrafie – beruht auf dem Prinzip, Sendestationen in Reichweite anzupeilen und so den eigenen Standort zu ermitteln. Durch die weite Verbreitung dieser Sender konnte vor allen Dingen in Küstennähe auf diese Technik gesetzt werden.^[9]

Die Funknavigation erhielt einen starken Antrieb durch die Weltkriege und wurde kurz nach dem Zweiten Weltkrieg international für viele Schiffe zur Vorschrift und ebenso das Radar, als Mittel zur Vermeidung von Kollisionen, setzte sich durch.^[10]

Beim RADAR (Radio Detecting And Ranging) wird die Eigenschaft elektromagnetischer Wellen genutzt, sich mit Lichtgeschwindigkeit (299.792.458 m/Sekunde) auszubreiten. Mithilfe genauer Zeitmesseinrichtungen kann man die Laufzeit der „Wellen messen und über die bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit deren zurückgelegte Entfernung berechnen.“^[11] Da Strahlung, die auf Gegenstände trifft, wieder zurückgeworfen wird, kann aus dem Echo die Distanz eines Objektes zum Sender errechnet werden und so Schiffe oder Flugzeuge lokalisiert werden.^[12]

Was in der zivilen Schiff- und Luftfahrt von großem Vorteil ist, kann sich in Kriegszeiten nachteilig auswirken. Objekte können vom gegnerischen Radar entdeckt und angegriffen werden. Um die Radarsignatur zu minimieren, wird durch die Stealthtechnik^[13] die Ortung militärischer Objekte minimiert: speziell beschichtete, Radar absorbierende Oberflächen und gesonderte Konstruktionsformen schlucken bzw. zerstreuen auf sie treffendes Radar, anstatt es zum Sender zurückzustrahlen.^[14]

2.4 Satellitennavigation

Die zuvor genannten Navigationsmethoden^[15] sind jedoch häufig fehleranfällig und in ihrer Anwendung unpraktisch. Erst durch die Satellitennavigation wurde es möglich, Tag und Nacht bei jedem Wetter eine Positionsbestimmung in kürzester Zeit an jedem Ort der Erde durchzuführen – und dies auf wenige Meter genau. Sie ist ein Meilenstein in der Geschichte der Navigation und macht alle bisher bekannten Navigationsverfahren entbehrlich.

3 Satellitenortung

3.1 Entstehungsgeschichte

Anfang der 1960er Jahre entwickelte das US-Militär TRANSIT, den Vorgänger von NAVSTAR-GPS (kurz: GPS). Anders als sein Nachfolger basierte TRANSIT auf Messungen von Dopplerverschiebungen^[16] der von sechs Satelliten ausgestrahlten Signale. Nur alle 1 bis 6 Stunden konnte eine Positionsbestimmung bei einer Genauigkeit von etwa 200 Metern durchgeführt werden. Anfangs nur für das amerikanische Militär nutzbar, wurde es später auch der Zivilbevölkerung zugänglich gemacht.^[17]

1978 startete das amerikanische Verteidigungsministerium den ersten Satelliten des NAVSTAR-GPS Programms.

NAVSTAR = NAVigation System with Time and Raging
GPS = Global Positioning System

Der Leitgedanke des Projektes lautete:

“The Mission of this Program is to:
1. Drop 5 bombs in the same hole, and
2. built a cheap set that navigates.”^[18]

Während der Golf Krise (1990-1992) waren 16 GPS-Satelliten aktiv. Sie spielten eine Schlüsselrolle in der amerikanischen Kriegsstrategie und hatten einen entscheidenden Anteil am schnellen Erfolg des Irakkrieges. Ursprünglich sollte das System 1989/90 voll funktionsfähig sein, jedoch verzögerte unter anderem die Explosion des Space Shuttle Challenger das Projekt und so war NAVSTAR-GPS erst 1995 mit 24 aktiven Satelliten voll ausgebaut und offiziell in Betrieb.^[19]

Wie auch TRANSIT war GPS anfangs für die reine militärische Nutzung vorgesehen. Dennoch war deutlich, dass auch die Zivilbevölkerung und die Industrie ein großes Interesse daran hegten. Um im Kriegsfall gegenüber gegnerischen Truppen den strategischen Vorteil des GPS zu wahren, entschied sich das amerikanische Verteidigungsministerium, einen künstlichen Fehler (Selective Availability bzw. S/A) in das Satellitensignal einzubauen und gab GPS mit einer Genauigkeit von ca. 100 Metern für die Zivilbevölkerung frei.^[20]

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Abbildung 1: Selective Availability
Quelle: www.traditionalmountaineering.org/FAQ_GPS-Accuracy.htm

In der Nacht auf den 2. Mai 2000 wurde die künstliche Signalverschlechterung im Auftrag der damaligen Clinton Regierung abgeschaltet. Abbildung 1 zeigt die Genauigkeit von GPS vor und nach der Abschaltung. Ortungsgenauigkeiten in der Größenordnung von wenigen Metern waren nun jedem weltweit zugänglich. Dies geschah vor dem Hintergrund, Selective Availability im Kriegsfall auf bestimmte Regionen zu beschränken. Auch die Möglichkeit der Funkstörung besteht: Mithilfe eines GPS-Jammers, der das Satellitensignal auf derselben Frequenz überlagert, können Fehlortungen erreicht oder eine Ortung gänzlich blockiert werden (vergleichbar mit Handy-Blockern, die Kinobetreiber einsetzten, um störendes Klingeln zu unterbinden).^[21]

[...]

^[1] Duden – Das große Wörterbuch der deutschen Sprache (1999)

^[2] Vgl. Schrödter – GPS Satelliten-Navigation (1994), S.15

^[3] Bachmann – Handbuch der Satellitennavigation (1993), S.20

^[4] Vgl. Schulte von Drach – Wie navigieren Tiere? (2009), www.sueddeutsche.de

^[5] Vgl. Prasad/Ruggieri – Applied Satellite Navigation (2005), S.2

Vgl. Schrödter – GPS Satelliten-Navigation (1994), S.15 f.

Vgl. Brockhaus Enzyklopädie (2006), Band 17, S.100

^[6] Vgl. Freiesleben – Geschichte der Navigation (1978), S.68 ff.

Vgl. Schrödter – GPS Satelliten-Navigation (1994), S.16

^[7] Vgl. Brockhaus Enzyklopädie (2006), Band 7, S.708

^[8] Vgl. Freiesleben – Geschichte der Navigation (1978), S.64 f.

^[9] Vgl. ebenda S.99

^[10] Vgl. ebenda S.99

^[11] Schrödter – GPS-Satelliten-Navigation (1994), S.20

^[12] Vgl. Schrödter – GPS Satelliten-Navigation (1994), S.17 ff.
Vgl. Rietveld – Decca, Radar, Satellitennavigation (1990), S.88 ff.

^[13] stealth = engl. für verdeckt

^[14] Vgl. Brockhaus Enzyklopädie (2006), Band 26, S.198

^[15] Es gibt noch weitere wie z.B. die Doppler- oder die Trägheitsnavigation.

^[16] Vgl. Brockhaus Enzyklopädie (2006), Band 7, S.204 f. Nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler benanntes Prinzip, dass bei allen Wellenvorgängen, „die Frequenz (…) beeinflusst wird, wenn Quelle (Schall-, Lichtquelle u.a.) und Beobachter sich relativ zueinander bewegen.“ Beispiel: Ein, am Beobachter vorbeifahrendes Fahrzeug klingt beim Herankommen höher, als beim Entfernen.

^[17] Vgl. Kumm – GPS Global Positioning System (1994), S.17

Vgl. Prasad/Ruggieri – Applied Satellite Navigation (2005), S.5

^[18] Parkinson/Spilker – The Global Positioning System (1996), S.9

^[19] Vgl. Prasad/Ruggieri – Applied Satellite Navigation (2005), S.4 ff.

Vgl. Kumm – GPS Global Positioning System (1994), S.24 ff.

^[20] Vgl. Prasad/Ruggieri – Applied Satellite Navigation (2005), S.6

^[21] Vgl. Prasad/Ruggieri – Applied Satellite Navigation (2005), S.6 f.