Informatik in der Automobilbranche am Beispiel von Navigationssystemen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Formen von Navigationssystemen
2.1 Mobile Systeme
2.1.1 Onboard-Lösungen
2.1.2 Offboard-Lösungen
2.2 Autarke Navigationssysteme
2.2.1 Systemkomponenten
2.2.2 Sensoren

3 Ablauf der Navigation
3.1 Positionsbestimmung
3.2 Routenplanung
3.2.1 Anforderungen
3.2.2 Karten
3.2.3 Berechnung

4 Satellitenortungssysteme
4.1 GPS
4.1.1 Ortung
4.1.2 Selective Availability
4.2 Alternative Satellitensysteme
4.2.1 GLONASS
4.2.2 Galileo

5 Trends und zukünftige Entwicklungen
5.1 Dezentrale Funknetze

1 Einleitung

Navigationssysteme für das Auto erfreuen sich einer immer größeren Beliebtheit. Nicht nur in Neuwagen nimmt die Anzahl der installierten Systeme rapide zu. Auch rüsten immer mehr Menschen ihre Autos nach. Laut Bundesverbandes Technik des Einzelhandels (BVT) wurden 2002 700000 Geräte verkauft. In diesem Jahr (2003) sollen es 900000 werden. Das entspricht einem Umsatz von 1,5 Mrd. Euro.¹

Die hohe Akzeptanz dieser Geräte im Markt ist begründet durch ihren Komfort, hohen Nutzen sowie eine einfache Bedienung. In den letzten 20 Jahren wurden diese Merkmale kontinuierlich verbessert. Bei ersten Geräten musste noch umständlich die aktuelle Startposition des Fahrzeugs eingeben werden. Die „Navigationshilfe“ bestand dann aus einer Art Kompassnadel, die Richtung und Entfernung zum Ziel anzeigte.

Es gab auch Systeme, die bereits Karten benutzen. Diese wurden in Papierform auf eine Art XY-Schreiber aufgespannt. Das Fahrzeug wurde dann mit Hilfe eines Lichtpunktes dargestellt.

Für den Durchbruch von Navigationssystemen waren daher eine Reihe technischer Innovationen nötig. Als wichtigste sind hier Miniaturisierung von Elektronik sowie die Erfindung von Bildschirmen, die nicht auf dem Prinzip der Braun’schen Röhre basieren (LCD), zu nennen.²

Weiterhin beschleunigt wird der Absatz der Systeme durch einen relativ günstigen Preis, den eine Massenproduktion mit sich bringt. Ein Nachrüstkit ist derzeit für unter 1000 EUR erhältlich.

2 Formen von Navigationssystemen

Die angebotenen Systeme lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: Geräte, die mobil sind, und Systeme, die im Auto fest installiert werden.

2.1 Mobile Systeme

2.1.1 Onboard-Lösungen

Mobile Navigationsgeräte bestehen meist aus einem tragbaren Computer (Notebook, PDA, Ipaq), geeigneter Software (z.B. Navigon Mobile Navigator) und einem Empfänger für das Global Positioning System (GPS).³Auf dieses System wird später noch genauer eingegangen, es dient dem Empfänger zur eigenen Positionsbestimmung. Anspruchsvollere Antennenmodule entfangen zusätzlich noch den Traffic Message Channel (TMC), der kostenfrei über die Radiodienste ausgestrahlt wird.⁴Hierbei handelt es sich um Stauinformationen, die bei der Routenplanung miteinbezogen werden können.

Vorteile dieser mobilen Lösungen sind, dass Sie überall mitgenommen werden können. Auch sind die Anschaffungskosten geringer, da die Computer meist vorhanden sind. Es besteht allerdings ein Trade-Off zwischen Größe und Komfort der Geräte. Kleine Geräte, wie z.B. Pocket- PCs, haben schlechtere Displays, längere Rechenzeiten und können nur begrenzt Karteninformationen speichern.

Besonders die begrenzte Speicherkapazität schränkt die Funktionalität eines mobilen Navigationssystems ein. Da im voraus schon bekannt sein muss, wo man entlang fährt und damit welche Karten in das mobile Gerät geladen werden müssen. Ein unerwarteter Stau, der zu einer Umleitung zwingt, könnte, auf Grund fehlender Karteninformationen, zum Ausfall des Systems führen.

2.1.2 Offboard-Lösungen

Um diese Probleme zu beseitigen, wurden Offboard-Navigationssysteme entwickelt.⁵Hierbei erfolgt die Routenplanung nicht auf dem Gerät selbst, sondern zentral auf einem Server. Dieser verfügt über alle Karten und reichlich Rechenkapazität.

Das derzeit erfolgreichste System im deutschen Markt ist T-D1-Navigate.⁶Hierbei werden Pocket-PCs oder Handys mit einem relativ hochauflösenden Farbdisplay, sogenannte PDA-Phones (z.B. Nokia 3650/7650), als Endgeräte benutzt. Diese werden um eine GPS-Antenne erweitert. Der Betrieb läuft wie folgt ab. Die aktuelle Position und Zielkoordinaten werden über den Short Message Service (SMS) oder General Packet Radio Service (GPRS) an einen zentralen Server gesendet. Dieser berechnet die schnellste Route, dabei werden auch Verkehrsinformationen, die durch 4000 Sensoren an Autobahnen gewonnen werden, miteinbezogen.⁷Das Ergebnis führt zu einer Strecke, die dem Endgerät übermittelt wird. Auf Grund von dessen geringer Speicherkapazität sowie der schwankenden Verkehrssituation muss diese Übermittlung ständig wiederholt werden. Wegen der geringen Bandbreite bei der Datenübertragung in Mobilfunknetzen können keine vollständigen Karten sondern nur Fahranweisungen übertragen werden. Diese sind aber ausreichend, um das Ziel zu erreichen.

Diese Systeme zeichnen sich durch geringe Fixkosten aus, führen aber zu hohen Kosten bei häufigen Gebrauch. Diese entstehen einerseits durch die Routenberechnung (derzeit 1,99 EUR), aber vor allem durch den Datenverkehr, der durch Aktualisierungsnachrichten entsteht.

2.2 Autarke Navigationssysteme

Nachteil aller mobilen Lösungen ist, dass sie zur Positionsbestimmung nur das GPS-Signal benutzen. Dies ist aber nicht immer verfügbar. Falls das Fahrzeug sich in einer Grosstadt befindet, können Türme „die Sicht verhindern“. Auch Tunnels führen zum Versagen der Navigationshilfe.⁸Um die Präzision zu erhöhen und die Geräte sicherer gegen Ausfälle zu machen, wurden speziell für Autos sogenannte vollautomatische autarke Navigationssysteme entwickelt.⁹

2.2.1 Systemkomponenten

Es handelt sich dabei um fest installierte Geräte innerhalb eines Fahrzeuges. Im Fond ist in der Regel ein Bildschirm installiert, mit dessen Hilfe Ziele eingegeben und Fahranweisungen entgegen genommen werden können. Des weiteren besteht das System aus einem Rechner für die Streckenberechnung und einem CD-ROM-Laufwerk. Mit diesem werden auf CD gespeicherte digitalisierte Karten gelesen.

2.2.2 Sensoren

Im Gegensatz zu mobilen Lösungen ist das Gerät an einen Systembus angeschlossen.¹⁰Damit ist die Möglichkeit gegeben, auf andere Sensoren im Auto zuzugreifen und deren Messdaten für die Positionsbestimmung zu verwenden. Um die Ausrichtung der Karosserie festzustellen, werden Magnetfeldsonden oder Spulensensoren benutzt. Eine Richtungsänderung im Erdmagnetfeld führt zu einer Induktion. Nachteil ist, dass sie sehr störanfällig sind und nur unter großem Aufwand eine absolute Richtung ermitteln lässt. Vibrations-Gierwinkelsensoren gelten als günstiger und zuverlässiger. Sie messen die Fliehkräfte, die entstehen, wenn das Fahrzeug die Richtung ändert.¹¹Idealerweise können bei diesem System auch bereits vorhandene Sensoren anderer elektronischer Systeme abgefragt werden, vorausgesetzt, sie sind an den Systembus angeschlossen. Über den Tachometer kann zum Beispiel die derzeit gefahrene Geschwindigkeit abgefragt werden. Die Sensoren des Anti-Blockier-System (ABS) geben Aufschluss über die zurückgelegte Wegstrecke.

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¹Vgl. manager magazin.de, Multi-Mobile-Media, http://www.manager- magazin.de/life/ifa/0,2828,264191,00.html

²Vgl. Schlott, Stefan, Fahrzeugnavigation-Routenplanung, Positionsbestimmung, Zielführung, Verlag moderne Industrie 1997, S.12-14

³ Vgl. Bischof, Tobias und Wolfgang J.Rieker, Abenteuer GPS, Niemals verloren gehen, wjr-Verlag 2003, S.41,S42

⁴Vgl. Bischof, Tobias und Wolfgang J.Rieker, Abenteuer GPS, S.45

⁵Vgl. Bischof, Tobias und Wolfgang J.Rieker, Abenteuer GPS, S.71

⁶Vgl. T-Traffic, T-D1 Navigate, http://www.t-traffic.de/t_traffic/scout/index.html

⁷Vgl. Bischof, Tobias und Wolfgang J.Rieker, Abenteuer GPS, S.72

⁸Vgl. Bischof, Tobias und Wolfgang J.Rieker, Abenteuer GPS, S.126

⁹Vgl. Schlott, Stefan, Fahrzeugnavigation, S.16

¹⁰Vgl. Schlott, Stefan, Fahrzeugnavigation ,S. 32

¹¹Vgl. Schlott, Stefan, Fahrzeugnavigation, S.18