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Teil 1:
Allgemeines und Grundfunktionen
Was ist eigentlich mit so einem kleinen GPS-Handgerät anzufangen, lohnt
sich denn das? Anmerkung: Der Bericht ist in insgesamt 4 Teile gegliedert.
Was ist überhaupt GPS?
Für Leute denen diese Kürzel überhaupt nichts oder nicht
sehr viel sagen, folgende kurze Erklärung: Es ist ein, vom Verteidigungsministerium der Vereinigten
Staaten von Amerika (USA) betriebenes, satellitengestütztes, elektronisches
Navigationswerkzeug für den weltweiten Einsatz; kurz gesagt
Satellitennavigation, oder eben einfach nur: GPS. Zu diesem Zweck umkreisen zweimal täglich 24 Satelliten
mit einer Geschwindigkeit von ca. 11 200 km/h in etwa 20 200 km Höhe die Erde
und senden permanent Signale aus. Das besagte amerikanische NAVSTAR-System (= Navigation Satellite Timing and Ranging) besteht aus insgesamt 3
Komponenten.
Technik der GPS-Empfänger
Die meisten modernen Geräte sind 12-Kanal Parallel
Empfänger (z. B. vom Typ PhaseTrac12TM,
SiRF III, MediaTek-MT3), d. h. sie können bis zu 12 Satelliten gleichzeitig
zur Positions-Berechnung verarbeiten. Voraussetzungen für den Empfang und die
Positions-Bestimmung
Damit der GPS-Empfänger in der Lage ist eine
3-dimensionale Positions-Bestimmung durchführen können (= 3D-Nav;
geographische Länge und Breite, sowie die Höhe), muss das Gerät mindesten 4
Satelliten empfangen können. Für eine 2-dimensionale Positions-Bestimmung (=
2D-Nav; geographische Länge und Breite, aber ohne Höhen-Info) genügt
prinzipiell der Empfang von nur 3 Satelliten. Diese ist jedoch von
eingeschränkter Genauigkeit.
Beim Betrieb muss das Gerät wegen der geringen
Sende-Leistung der Satelliten (nur ca. 20 bis 50 Watt) und den verwendeten
Frequenzen jedoch stets einen freien Blick zum Himmel haben!!! In dichtem Wald, im Gebirge oder in Häuserschluchten kann
der Empfang wegen der geringen Signalstärke eingeschränkt sein (auch bei den
modernsten 12 Kanal Parallel-Empfängern). In Fahrzeugen und Flugzeugen ist
ein Empfang mit Einschränkungen möglich (Positionierung nahe am Fenster). Wird der Empfänger in der Hosen-
oder Jackentasche getragen, kann der Empfang vor allem unter widrigen
Einsatz-Bedingungen ebenfalls beeinträchtigt sein, da der menschliche Körper
den Sat-Empfang ebenfalls abschirmt. Dies ebenfalls bei den besonders empfindlichen/empfangsstarken Modellen beherzigen(!!), sonst hat man zwar stets Empfang, aber eine ungenaue Positions-Bestimmung und „hakelige“ Track-Log Aufzeichnung. Bei allen Einsatzarten bei denen das GPS-Gerät keine freie
Sicht zum Himmel hat, bietet sich die Verwendung einer zusätzliche externen
Antenne an (im Fahrzeug, beim Wandern etc. ...).
Resümee
Mit so einem winzigen GPS-Empfänger halten wir
nicht ein „simples Gerät“ ähnlich einem Radio o. ä. in unseren Händen, das
ein „fertiges Positions-Signal“ von den Satelliten erhält und nur zur Anzeige
bringen muss, sondern ein im Prinzip zwar kleines, aber sehr leistungsfähiges
Rechenmaschinchen. Was GPS deshalb nicht kann und auch nicht sollte (darf) ist, fehlende
Grund-Kenntnisse in der Navigation und Orientierung
ersetzen, d. h. z. B. den sorgfältigen und geübten Umgang mit Karte
und Kompass. GPS ist nur als weiteres Hilfsmittel
zu betrachten.
Anmerkungen zur Genauigkeit des
GPS-Systems
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Allerdings wird prinzipbedingt nur unter Bewegung (mindestens 1 km/h;
Schrittgeschwindigkeit reicht also aus) die Richtung vom momentanen Standort
zum Zielpunkt auch visuell korrekt angezeigt (=
dieser Richtungs-Pfeil in der Kompass-Rose, = Peilung; siehe Abbildung).
Dies gilt ebenso für die Stellung des äußeren Kompass-Ringes, der die eigene
Bewegungsrichtung widerspiegelt, sowie der entsprechenden numerische Angabe
(Bezeichnung der eigenen Bewegungsrichtung je nach Modell z. B. als Richtung/
Kurs/ Track/ Heading). Alle Angaben beziehen sich natürlich grundsätzlich auf
die Luftlinie.
Also Vorsicht:
Auch wenn man ruhig auf der Stelle steht, wird dem Nutzer eine Richtung zum
Ziel eingeblendet.
Diese Angabe ist aber wertlos/ falsch und darf nicht zur Orientierung
herangezogen werden (ein GPS-Gerät ist kein Kompass!!!).
Darum sich erst in Bewegung setzen, und nach etwa 5-10 sec. wird eine
verlässliche Richtungsangabe angezeigt (in der Regel werden jede Sekunde die
Satelliten-Signale ausgewertet).
Wird nun der Pfeil-Richtung im Display gefolgt, werden wir in 979 Metern ganz
exakt auf unsere ehemalige Übernachtungsstelle „CAMP“ stoßen.
Ist das nicht toll?
Die analoge Kompass-Anzeige funktioniert also nur unter Bewegung, d. h.
beim Fahren oder Gehen.
Die herkömmliche Karte/ Kompass Standortbestimmung ist mit GPS-Geräten nicht
möglich.
Ausnahme:
Beispielsweise Silva GPS Compass und Multi Navigator, Magellan Meridian
Platinum/ manche eXplorist- und Triton-Modelle, sowie Garmin eTrex Summit/Vista
(alle Varianten), Geko 301, GPSmap60CS(x),76S/CS(x) und Colorado mit
eingebautem elektronischem Fluxgate-Kompass.
Dieses oben beschriebene Verfahren zum Aufsuchen eines ganz bestimmten
Wegpunktes über die Funktion „GOTO“ wird häufig auch als
„Wegpunkt-Navigation“ bezeichnet.
Um also auf Paddeltouren, Wanderungen oder bei irgendwelchen anderen
Aktivitäten markante Punkte festzuhalten, um diese dann Jahre später wieder
einmal anzusteuern oder um dorthin wieder zurückzufinden (z. B. den
Ausgangspunkt bei einer Wanderung), ist die Bedienung der Geräte eigentlich
recht einfach und würde nicht einmal eine Karte erfordern.
Zudem ist es möglich mehrere Wegpunkte hintereinander zu reihen (= Funktion „Route“).
b.) GPS und Landkarte
Bleiben wir noch bei unserem
tollen Übernachtungsplatz (dem Wegpunkt „CAMP“).
Schön wie er ist beschließen wir, noch einen Tag zu bleiben, nur das
Mehl für unser Trapperbrot Bannock geht zur Neige, es heißt Nachschub holen.
Die Frage lautet nun:
Wo liegt das nächste Dörfchen? Flußab
oder doch links oder rechts des Waldes?
Und wie weit ist es weg?
– Da schweigt nun das GPS und
zeigt nur stur seine momentane Position an.
Jetzt muss erst einmal dieser Standort in eine Karte
eintragen werden.
Paddelkamerad „A“ kramt dazu eine zerknitterte Straßenkarte hervor, mit der er
den gemeinsamen Treffpunkt für die Tour angesteuert hat –
Fehlanzeige.
Die Karte verfügt über kein aufgedrucktes Koordinaten-System, eine Position
lässt sich deshalb nicht übertragen
– nützt also überhaupt nichts.
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Einstellung |
Glücklicherweise hat Paddelkamerad „B“ eine topographische
Karte eingesteckt, die über ein Koordinaten-System verfügt, das nicht nur am
Rand angerissen, sondern auch durchgezogen ist.
Nun am GPS im Setup-Menü das Koordinaten-System und Karten-Datum der Karte
einstellen (was das ist dazu später), und mit einem Planzeiger (= Hilfsmittel
zur Unterteilung des Gitters, passend für den Maßstab der Karte) die Position
in die Karte eintragen.
In unserem Beispiel sei es eine
Karte mit Gauß-Krüger Gitter (= German Grid bzw. deutsches Gitter) und dem
Karten-Datum „Potsdam“. (siehe Displayabbildung).
Übrigens kann man sich diese nützlichen Planzeiger beispielsweise unter
http://www.maptools.com/ für verschiedene
Maßstäbe ausdrucken (Free Map Tools auswählen).
Jetzt wird ersichtlich, dass „Kleinkleckersdorf“ östlich
des Baches am nächsten liegt.
Damit sich der Paddelkamerad auf dem Weg dorthin nicht verläuft, kann die
Position des Dörfchens, wiederum mit Hilfe des Planzeigers, aus der Karte
abgelesen und als neuen Wegpunkt ins GPS eingespeist werden (im Beispiel der Wegpunkt „KKDORF).
Oder andere Möglichkeit der Wegpunkteingabe:
Aus der Karte die Richtung und Entfernung dorthin ausmessen (mit Kompass,
Kartenwinkelmesser oder Geodreieck und Lineal) und diese Werte zur Definition
heranziehen.
Mit der nun schon bekannten Funktion „GOTO“ wird
der Kamerad, über grafische Zielführungshilfen, punktgenau zur Bäckersfrau
nach Kleinkleckersdorf geführt.
Die Seite mit der Kompass-Rose haben wir ja beispielsweise schon kurz kennen
gelernt; mehr zu den Zielführungshilfen dann im nächsten Abschnitt.
Allerdings versperren zahlreiche Hindernisse (z. B.
undurchdringliche Tannenschonungen, landwirtschaftlich genutzte Flächen etc.)
den direkten Weg, und er muss Umwege gehen.
Die Anzeige des GPS zum Ziel passt sich diesen geänderten Bedingungen immer
wieder an, aber die Umsetzung der Anzeige in den tatsächlich einzuschlagenden
Weg unter den Gegebenheiten in der Natur, wird sich als gar nicht so einfach
erweisen.
Werden anhand der Karte noch einige Zwischenpunkte auf dem
Weg in das Dorf als Wegpunkte eingespeichert (z. B.
Wegkreuzungen; hier im Beispiel die WPs „BRUECKE“ und „HUETTE“), können diese
über die schon genannte Funktion „Route“ miteinander verbunden werden und
wird dann, bei Aktivierung der Route, über diese graphischen
Zielführungshilfen der Reihe nach von Wegpunkt zu Wegpunkt gelotst.
Das Dorf ist gefunden, Mehl gekauft und es geht wieder auf
den Rückweg.
Der Paddelkamerad zweifelt jetzt allerdings, ob er den zurückgelegten
verschlungenen Weg um die zahlreichen Hindernisse herum, so gut auch wieder
zurückfinden wird. Da kann ihm aber das GPS nun wieder helfen.
Während seines Marsches nach Kleinkleckersdorf war ja das Gerät ständig in
Betrieb und hat unbemerkt seinen zurückgelegten Weg (seine Spur, engl.
„Track“) aufgezeichnet.
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Diese Seite haben alle Geräte, auch Basis-Empfänger |
Dieser „Track-Log“ (=
Kursaufzeichnung) wird auf der so genannten „Dynamischen Karten-Seite“ des
Gerätes (= „Map-Page“ oder auch „Moving Map“-Anzeige genannt) zusammen mit der
eigenen momentanen Position abgebildet (= dieser kleine Pfeil genau in der
Kartenmitte). Er kann jetzt beim Rückweg zur Orientierung herangezogen
werden.
Ältere Geräte zeigen übrigens die eigene Position nur als Raute an, bei den
neueren Geräten signalisiert der Pfeil zusätzlich auch noch die
Bewegungsrichtung.
Oder man nutzt die „TracBackâ“ Funktion des Gerätes (= „Rückkehr auf gleichem
Weg“).
Dabei wird der aufgezeichnete Track (Track-Log) vom Gerät selbst nach bestem
Wissen und Gewissen in Teilstücke zerlegt, und an markanten Stellen mit
Wegpunkten versehen, also in eine Route.
Punkt für Punkt wird man nun, analog wie bei der Funktion Route, zum
Ausgangspunkt zurückgeführt.
Allgemein stellt diese „Dynamische Karten-Seite“ die eigene Position, die dazu in der Nähe liegenden Wegpunkte (sofern
definiert) und den zurückgelegten Track auf einer quasi Blanko-Landkarte dar.
Diese ist im Maßstab von ca. 1200 km bis 30 m veränderbar (= Zoombereich; je
nach Gerät).
Ist die Funktion „Route“ aktiviert, wird auch diese angezeigt. Die
festgelegten Wegpunkte der Route sind dabei durch gerade Linien miteinander
verbunden.
Graphische Zielführungshilfen
Ich hatte vorhin erwähnt, dass unser Paddelkamerad nach Eingabe der
Funktion „GOTO“ über graphische Zielführungshilfen punktgenau zur Bäckersfrau
geführt wird.
Die Geräte bieten hierfür auf der so genannten Navigations-Seite im
Wesentlichen zwei verschiedene Möglichkeiten zur Auswahl an.
Dies beispielsweise bei den Garmin 12-er, II/III-er
und GPS 72/60/76-er Modellen. In dieser Form jedoch nicht beim eMap, Geko und
den eTrex Basis-Modellen (=> eTrex H / eTrex Basis „gelb“, Camo, Summit
(altes Modell)).
Entweder die :
· Autobahn-/ Highway-Seite oder die
·
Kompass-Seite
(= Compass Page oder Pointer Page/
Navigation Page)
Für welche man sich jetzt entscheidet ist aber nicht egal, da jeweils
grundverschiedene Philosophien dahinter stecken, obwohl das Ziel letztendlich
das gleiche bleibt.
Je nach Einsatzbedingung muss deshalb die richtige Wahl getroffen werden.
Die Unterschiede möchte ich jetzt kurz erläutern.
Wenn an einem Punkt „xy“ (z. B. dem schönen Übernachtungsplatz) die Funktion
„GOTO“ mit Auswahl eines Wegpunktes ausgeführt wird (z. B. zum Bäcker nach
Kleinkleckersdorf), dann zieht das GPS-Gerät eine fiktive gerade Linie vom
Punkt „xy“ zu diesem ausgewählten Ziel.
Diese Linie ist jetzt der vorgegebene Soll-Kurs (engl. Desired Track (DTK)
oder COURSE).
Wenn die Karten-Seite des Gerätes angewählt wird, sieht man jetzt auch
optisch eine, auf dem Display dargestellte Linie zwischen dem Punkt „xy“
(momentan ist das auch noch der aktuelle Standort/ Position) und dem Wegpunkt
(dem Ziel).
Wird statt GOTO die Funktion „Route“ ausgewählt, ist der Soll-Kurs die
Verbindungslinie zwischen den einzelnen Wegpunkten, das würde ja ebenfalls
auf dem Display dargestellt werden.
Anmerkung:
Bei manchen Geräten kann jedoch im Setup-Menü gewählt werden, ob jetzt diese
Linie des Soll-Kurses, und/ oder die Linie der Peilung angezeigt werden soll.
Autobahn- bzw. Highway-Seite
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„Highway“ - Seite des Soll-Kurses (Garmin GPS 76)
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Wird jetzt die
Autobahn-Seite zur Zielfindung ausgewählt (=> bei Garmin eMap/ Geko/ eTrex
Basis-Modelle in dieser Form nicht möglich), versucht das Gerät einen mehr
oder weniger stur genau auf diesem Soll-Kurs zum Ziel zu führen.
Der Soll-Kurs ist dabei als Korridor dargestellt. Die Breite des Korridors
konnte bei den älteren Garmin-Geräten im Setup-Menü definiert werden
(CDI-Skala; Maß für den Kursversatz/ Kursabweichung).
Bei den neueren Geräten ist dies leider nicht mehr möglich, d. h. eine
konkrete Skalierung kann hier nicht mehr vorgegeben werden (z. B. bei der
76-Reihe, siehe Abbildung rechts).
Allerdings kann die Kursabweichung (engl. Off Course/ Cross Track Error)
numerisch als Datenfeld eingeblendet werden.
Lässt man sich über die Autobahn-Seite führen, bewegt man
sich praktisch immer im leichten Zickzack entlang dieses Soll-Kurses bzw.
parallel zu diesem. Sie bietet eine
visuelle Darstellung des Kursversatzes.
Für Navigationsaufgaben, bei denen es auf die Einhaltung eines exakten
geradlinigen Soll-Kurses ankommt also eine feine Sache (z. B. ein Schiff
entlang einer engen Fahrrinne oder ein Inselgewirr zu steuern, bei
Wüstenfahrten auf einer Piste, Flugzeugen usw.).
Kompass-Seite (= Compass Page oder Pointer Page/ Navigation Page)
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(Garmin eTrex Vista)
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Für den überwiegenden Teil der Nutzer, vor allem aber im „Outdoor“-Bereich
oder für Fahrten im öffentlichen Straßenverkehr, ist deshalb die
„Kompass“-Seite meist die bessere Wahl (so auch voreingestellt).
Hier wird nicht entlang des Soll-Kurses navigiert, sondern die Peilung (engl.
Bearing (BRG)) wird zur Zielführung herangezogen.
Die Peilung ist die direkte Richtung von einem x-beliebigen Standort zum
ausgewählten Zielpunkt.
Angezeigt wird sie als großer Pfeil innerhalb einer Kompass-Rose.
Dieser Pfeil weist stets zum Ziel, auch wenn noch so viele Umwege oder Haken
geschlagen werden.
Er passt sich also wechselnden Bedingungen stetig an.
Der äußere Ring des graphischen Kompasses zeigt dabei die momentane
Bewegungsrichtung an, also den Kurs über Grund (engl. Course over Ground/ COG
oder TRACK/ TRK; bei manchen neueren Modellen auch unglücklicherweise HEADING
genannt).
Aber: Die Kompass-Seite sieht zwar aus wie ein Kompass, ein GPS-Gerät ist
aber kein Kompass!!!
Dieser wird nur simuliert .
Ausnahme: Z. B. Garmin eTrex Summit/Vista (alle
Varianten), Geko 301, GPSmap60CS(x) und 76S/CS(x), sowie Colorado mit
integriertem elektronischem Fluxgate-Kompass.
Um Missverständnissen vorzubeugen,
wird deshalb inzwischen diese Anzeigeform bei neueren Geräten von Garmin als
„Pointer“-Seite bezeichnet.
Übrigens haben bestimmte Geräte (=> z. B. Garmin eTrex Venture/Legend/Vista (alle Varianten), eTrex Summit HC, GPS 60-er, GPSmap76C(x)/CS(x)) auf dieser Pointer-Seite wahlweise die Auswahlmöglichkeit „Bearing-Pointer“ (= „Richtungs-Zeiger“; entspricht der eben beschriebenen Kompass-Seite) oder „Course-Pointer“ (= „Kurs-Zeiger“; Funktion ähnlich wie bei der weiter oben beschriebenen Highway-Seite).
Beim „Course-Pointer“ ist die Richtung des Pfeils dann nach dem Soll-Kurs
orientiert mit der Anzeige der Kursabweichung (CDI-Skala). Dies sollte bei
der Einstellung im Setup-Menü beachtet werden.
Anmerkung:
Alle Navigations-Seiten liefern nur unter Bewegung verwertbare
Hinweise (mindestens 1 km/h; Schrittgeschwindigkeit also ausreichend).
Einzig der angezeigte numerische Wert (=
Zahlenangabe) für die Peilung hat, neben der Entfernungsangabe, Gültigkeit
(bei GOTO oder aktiver Route), nicht aber die Angabe zum Kurs über Grund/
eigene Bewegungsrichtung und die angezeigte Pfeil-Richtung (Pointer) für die
Peilung.
Die GPS-Empfänger zeigen neben der graphischen Richtungsanzeige noch eine
Fülle weiterer wichtiger Informationen für die Navigation in numerischer Form
an, wie z. B.:
·
Dem Kurs über Grund (engl. TRACK/ TRK bzw. COG; bei
manchen Geräten nicht ganz korrekt als HEADING bezeichnet).
Bittet dies jetzt aber nicht mit dem Track-Log, dem Aufzeichnen des
zurückgelegten Weges verwechseln.
Der Kurs über Grund ist die momentane eigene Bewegungsrichtung.
·
Die Peilung (engl. BEARING/ BRG)
Wie schon erklärt, ist dies die Richtung von der momentanen eigenen Position
zum Zielpunkt.
·
Die momentane eigene Geschwindigkeit über Grund
(engl. Ground Speed/ Speed
over Ground/SOG oder SPEED/ SPD).
·
Die Entfernung von der momentanen Position zum
Zielpunkt (engl. Distance/ DST).
·
Den Kursversatz/Kursabweichung (engl. Off Course/
Cross Track Error/ XTE oder XTK) und Kursabweichungs-Skala (CDI).
Der Kursversatz ist der Abstand von der momentanen eigenen Position zur dem
vorgegebenen Soll-Kurs.
·
Verbleibende Reisezeit bis zur Ankunft beim Zielpunkt
(engl. Estimated Time Enroute/ ETE) und voraussichtliche Ankunftszeit beim
Zielpunkt (engl. Estimated Time of Arrival/ ETA).
·
Gutgemachte Geschwindigkeit (Velocity Made Good/
VMG).
Dies ist die Geschwindigkeit mit der man sich dem Zielpunkt nähert.
·
Und zahlreiche weitere
hilfreiche Infos für die Navigation und Orientierung.
Alle Richtungsangaben (Kurs über Grund, Soll-Kurs, Peilung etc.) beziehen
sich übrigens auf die 360 Grad Einteilung wie beim Kompass, d. h. 0° bzw. 360°
ist genau Norden, 90° Osten, 180° Süden und 270° Westen.
Die Richtungsangaben können dabei wahlweise
bezogen werden auf magnetisch Nord (voreingestellt; MAGNETIC/ AUTO MAG/
AUTO), geographisch Nord („Karten“-Nord/ rechtweisend Nord/ wahre Nordrichtung/
TRUE) oder Gitter-Nord (GRID).
Die Nord-Referenz kann bzw. muss am GPS-Gerät
entsprechend eingestellt werden.
Bevor man die angezeigten Werte auf
Karte oder Gelände überträgt sich also genau vergewissern was eingestellt
ist, vor allem in Gegenden mit großer Missweisung – sicherheitsrelevant!!
Navigation mit Funktion „GOTO“ bzw.
„Route“:
Anmerkung:
Bei manchen neueren Geräten findet man für den Kurs über Grund auch den
Begriff HEADING anstatt TRACK/ COG, und für den Soll-Kurs COURSE anstatt DESIRED
TRACK
Die Erde als Kugel/ Entstehung des
Gradnetzes
Dieses und der nachfolgende Abschnitt hat jetzt nichts unmittelbar mit GPS
zu tun, ist aber vielleicht ganz nützlich, um nachher den Begriff des
„Karten-Datum“ in einem der nächsten Abschnitte besser zu verstehen.
Über Jahrhunderte wurde davon ausgegangen, dass die Erde eine schöne runde
Kugel sei (ist sie ja auch fast) mit einem genau definierten Erdmittelpunkt
und Radius.
Dabei dreht sie sich in 24 Stunden einmal um eine Achse, die genau durch den
geographischen Nord- und Südpol verläuft.
Das war sehr praktisch, da damit die Erde mit Hilfe der Formeln der
Kugelgeometrie relativ einfach beschrieben werden konnte.
Es wurde nun über diese Kugel ein Gradnetz gelegt.
Dazu wurden von Pol zu Pol 360 Linien in gleichmäßigem Abstand gezogen (quasi
wie die Einschnitte beim Schälen einer Orange), das sind die 360 Längengrade.
Diese, zwischen den beiden Polen verlaufenden Linien, werden neben
Längengrade auch Meridiane genannt.
Der Abstand zwischen den Längengraden variiert je nach Entfernung zum Pol. An
den Polen ist er am geringsten, direkt am Äquator ist er am größten.
Vereinfacht gesagt verlaufen die Linien der Längengrade konisch zu den Polen
hin.
Als „Null-Punkt“, also als 0°-Meridian, wurde „frei nach Schnauze“ eine
Linie gewählt und definiert, die durch den englischen Ort Greenwich bei
London geht.
Die 360 Längengrade wurden jetzt aufgeteilt und man zählt von dort ausgehend 180
Längengrade nach Osten (East/ E) und 180 Grade nach Westen (West/ W).
Auf der Rückseite des Globus, also gegenüber von Greenwich, treffen der
180-te Längengrad Ost und West wieder zusammen.
Der Äquator teilt die Erde genau in der Mitte in
eine Süd- und in eine Nordhalbkugel.
Alle Linien bzw. Kreise die parallel zum Äquator verlaufen werden
Breitenparallele genannt.
Ausgehend vom Äquator wurden nach Süden 90 Breitengrade, und nach Norden
ebenfalls 90 Breitengrade aufgetragen (Äquator 0°, Südpol 90°S, Nordpol
90°N).
Der Abstand zwischen den Breitenkreisen bzw. Breitenparallelen ist immer
konstant.
Das geographische Koordinatennetz der Erde ist jetzt komplett.
Jeder Punkt der Erde kann nun über die Angabe von Breiten- und Längengrad
exakt bestimmt und zugeordnet werden.
Die Koordinatenangabe von Breite und Länge beruht also auf Winkelfunktionen
an einer Kugel, mit dem Zentrum im Erdmittelpunkt.
Das vorgestellte Gradnetz ist natürlich noch sehr grob, weshalb wie bei
Winkeleinheiten üblich, die Grade in Minuten und Sekunden bzw. Zehntelminuten unterteilt wurden (1
Grad = 60 Minuten; 1 Minute = 60 Sekunden).
Die Erde als Geoid
und Ellipsoid
Im Laufe der Entwicklung kamen dann die
Gelehrten darauf, dass die Erde eigentlich eher einer ellipsenförmigen
„Kartoffel“ ähnelt.
An den beiden Polen ist sie etwas abgeflacht und am Äquator mehr bauchig
(allerdings nur minimal).
Es wurde nun versucht, dieses unregelmäßige „kartoffelähnliche“ Gebilde,
unsere Erde, physikalisch exakt zu erfassen, der Geoid.
Man ging also weg vom Modell der Kugel.
Allerdings ist der Geoid mathematisch nur extrem
aufwendig zu beschreiben.
Daher wurde wiederum versucht, diesen Geoid mathematisch möglichst einfach
und nachvollziehbar abzubilden. Dies gelang durch die Darstellung als Ellipsoid bzw. Rotations-Ellipsoid.
Mit der Zeit wurde dieser Ellipsoid immer
verfeinert und es gibt inzwischen mehrere Definitionen.
Bekannt und gebräuchlich sind z. B. der Bessel-Ellipsoid, der
Clarke-Ellipsoid, der Internationale Ellipsoid oder der Krassovsky-Ellipsoid.
Wenn jetzt ein bestimmtes Land sein Gebiet kartieren wollte, so passte das
verwendete Ellipsoid-Modell in vielen Fällen jedoch immer noch nicht optimal
mit der Oberfläche der Erde in dem betreffenden Gebiet überein.
Deshalb wurde der gesamte Ellipsoid verschoben, um eine noch bessere
Übereinstimmung zu erzielen.
Inzwischen sind wir jetzt auch bei dem Punkt Karten-Datum angekommen.
Das Karten-Datum (engl. Map-Datum)/ Besonderheit
des WGS84
Für viele GPS-Nutzer ist und bleibt das Karten-Datum ein Buch mit sieben
Siegeln – das muss nicht so bleiben, das hoff ich jedenfalls.
Dass damit nicht das Kauf-Datum der Karte oder wann diese gedruckt wurde
gemeint ist, ist natürlich klar.
Aber was hat es nun damit auf sich, und warum hat es in Verbindung mit GPS
eine so recht große Bedeutung?
Pauschal und vereinfacht formuliert beschreibt
jetzt das Karten-Datum, häufig auch als geodätisches Datum oder
Karten-Bezugssystem bezeichnet, den verwendeten Ellipsoiden und dessen
länderspezifische Verschiebung und Verdrehung vom Ursprungsort anhand
mathematisch genau definierter Kenngrößen in Bezug zum Erdmittelpunkt
(genauer gesagt zum globalen Geozentrum, dem Erdschwerpunkt).
Zudem enthält es noch Angaben über den Berührpunkt der Ellipse mit dem Geoid.
So ein Karten-Datum ist z. B. das European 1950, Potsdam-Datum, CH-1903, Hermannskogel, Austrian-Datum, Pulkovo,
North American 1927 (NAD27), RT 90, WGS 84 usw.
Die Kenngrößen des Karten-Datum sind dessen Name, der zugrunde liegende
Ellipsoid, sowie die 5 Faktoren Radius (a), Abplattung (1/f), dx, dy und
dz –
außer mit dem Namen des Bezugssystems muss man sich allerdings als
Nutzer üblicherweise nicht auseinandersetzen.
Trotzdem ist dies für den GPS Anwender recht lästig.
Am GPS muss aus den geschilderten Gründen nämlich immer das
Karten-Datum der verwendeten Karte eingestellt werden (die Geräte bieten
hierzu eine Auswahl von über 100 verschiedenen an).
Bei amtlichen Karten ist es irgendwo am Kartenrand oder der Legende vermerkt.
Bei zwar guten, aber nicht ganz amtlichen Gesetzen gehorchenden Karten, sucht
man es leider häufig vergeblich.
Ist im GPS-Gerät ein ganz bestimmtes Karten-Bezugssystem nicht hinterlegt, kann es meistens als „User-Datum“ definiert werden. Dazu sind dann jedoch die erwähnten Kenngrößen des betreffenden Map-Datum erforderlich.
WGS 84
Im Zeitalter der Satelliten-Navigation wurden dann anhand neuester
Erkenntnisse neue, noch perfektere Ellipsoide definiert.
Zuerst WGS 72 und dann der Ellipsoid WGS 84 (World Geodetic System 1984).
Damit hat man eine sehr gute Übereinstimmung über die gesamte Erde gefunden
und nationale Korrekturen sind nicht mehr erforderlich.
Es wurde also versucht, ein weltweit akzeptiertes Karten-Datum/
Karten-Bezugssystem einzuführen.
Mit WGS 84 wird also einerseits dieses Karten-Datum,
als auch der zugrunde liegende Ellipsoid bezeichnet.
Dieser WGS 84-Ellipsoid bildet die Grundlage für das GPS-System, er ist die
Referenz.
Die GPS-Geräte haben üblicherweise WGS 84 als
Grundeinstellung (z. B. auch die Garmin), bzw. speichern Positionen intern
nur im WGS 84-System ab.
Über die Einstellung eines speziellen nationalen Map-Datum im Setup-Menü,
erfolgt dann intern eine Umrechnung von WGS 84 auf dieses ausgewählte Datum
mit der entsprechende Darstellung auf dem Display.
Das hat jetzt aber nichts mit dem gewählten Koordinaten-System oder Gitter zu
tun, dieses bleibt dabei das gleiche. Es verändern sich „nur“ etwas die
Zahlenwerte.
Wird ein zur Karte nicht ganz passendes oder
total falsches Karten-Datum verwendet, liegen alle Positionen systematisch um
einen ganz bestimmten konstanten Faktor daneben (dieser kann bis zu 1000
Meter betragen).
Das Fatale daran: Ein nicht korrekt eingestelltes Datum wird nicht
ohne weiteres bemerkt, sei denn man erkennt die Falschanzeige durch bekannte
Referenzpunkte.
Wie gesagt liegen dann alle Positionen um einen konstanten Faktor abseits der
tatsächlichen Position.
Neu entstehende Karten nehmen inzwischen meist auf WGS 84 Bezug, aber noch
längst nicht sind alle Karten entsprechend verfügbar.
Auch die GPS Softwareprogramme für den PC speichern und verarbeiten
grundsätzlich alle Daten in WGS 84 und bieten dem Anwender „nur“
entsprechende Umrechnungen anhand des gewählten Karten-Bezugssystems/
Karten-Datum.
Positions-Formate/ Koordinaten-Systeme und
Karten-Datum
Diese beiden Parameter können üblicherweise an einem GPS
Gerät verändert werden bzw. sind entsprechend der verwendeten Karte
anzupassen.
Die beiden haben zwar manchmal unmittelbar einen Bezug zueinander, sind aber
grundsätzlich „zwei Paar Stiefel“.
Positions-Formate
Das Positions-Format
gibt an, in welchem Koordinaten-System die Lage eines Wegpunktes oder die momentane Position bezüglich Osten/
Westen/ Norden/ Süden angezeigt und ausgegeben wird.
Ein Positions-Format haben wir ja bereits kennen gelernt:
Die altbekannte und weit verbreitete Angabe der Position im geographischen
Koordinatensystem mit Breite und Länge (N/S ; E/W) in Grad/ Minuten/ Sekunden
oder alternativ in Grad/ Minuten/ Dezimalminuten oder Grad/ Dezimalgrad.
Die Koordinaten-/ Positions-Angabe, beispielsweise von 90°N für den Nordpol, sollte jetzt aber nicht mit der Kurs-/ Richtungs-Angabe von 0° bzw. 360° für Norden auf einer Kompass-Rose mit der üblichen 360 Grad Teilung verwechselt werden (Norden 0° bzw. 360°, Osten 90°, Süden 180°, Westen 270°).
Die Verwendung des geographischen
Koordinatensystems ist bei der Seefahrt fest etabliert und bei der Verwendung
spezieller Seekarten auch ganz vorteilhaft.
Übrigens ist auch bei einer Karte mit geographischen Koordinaten das zugrunde
liegende Karten-Datum zu beachten, egal ob topographische Landkarte oder
Seekarte (Chart).
Dies wird in der Praxis häufig übersehen, bzw. es besteht in diesem Punkt
Unsicherheit.
Bei der terrestrischen Navigation auf Landkarten
ist das geographische Koordinatensystem aber eher unpraktisch.
Wer schon einmal versucht hat eine Position auf einer Landkarte zu ermitteln,
die nur mit einem groben geographischen Gitternetz versehen ist, kann das
sicherlich nachvollziehen.
Wie man sich da behelfen kann, wird auf der
separaten Seite Rechnerische
Ermittlung von Koordinaten und Positionen auf einer Landkarte mit
geographischem Koordinatensystem näher erläutert.
Hinzu kommt ja, dass nur die Breitenlinien
parallel und im gleichen Abstand verlaufen, die Längenlinien auf der Karte
aber quasi konisch den Polen zulaufen. Die Gitter sind somit trapezförmig.
Die Kartographen haben deshalb versucht rechtwinklige
Koordinaten-Systeme zu definieren, bei denen das Gitter-Netz schöne
regelmäßige gleichgroße Quadrate ergibt (geodätische Gitter).
Diese Quadrate haben üblicherweise einen unmittelbaren Bezug zum Metermaß und
werden als Metergitter bezeichnet. Je nach verwendetem Maßstab entspricht
dann die Gitterweite z.B. 10, 100, 1000 oder 10 000 Metern.
Leider hat wieder nahezu jedes Land bei der Definition eines
rechtwinkligen Metergitters sein eigenes Süppchen gekocht.
Hinzu kommt, dass dieses in der Regel auf ein bestimmtes Ellipsoid mit
bestimmten Verschiebefaktoren und Berührpunkt, passend für das jeweilige
Gebiet, bezogen wurde.
Deshalb ist ein länderspezifisches Positions-Format meist eng mit einem dazu
gehörenden Karten-Datum verknüpft.
Im militärischen und technischen Bereich, bei Rettungsdiensten, sowie in
Nordamerika stößt man häufig auf das weltweit verbreitete UTM-Gitter.
Ebenso weltweite Verbreitung haben die russischen Gauß-Krüger Koordinaten
nach S42.
Auf den topographischen Karten der deutschen Landesvermessungsämter wird man
auf das Gauß-Krüger Gitter stoßen (German Grid).
Weitere nationale Gitter sind z. B. das
Bundesmeldenetz in Österreich (Austria Gitter), Schweizer Gitter, New
Zealand Grid, British Grid, Irish Grid, Swedish Grid, French Grid usw.
Mit diesen rein länderspezifischen Gittern geht, wie bereits erwähnt, auch
meistens ein dazugehörendes Karten-Datum einher.
Werden also Karten mit einem nationalen Gitter
eingesetzt, muss man sich erst mal mit den Eigenarten des jeweiligen
Koordinaten-Systems (Positions-Format) vertraut machen, und das GPS-Gerät
auch entsprechend einstellen (Pos.-Format und Datum).
Eine Positionsangabe im UTM System auf dem GPS Display sieht
beispielsweise so aus:
32 U 0528348
UTM 5396972
Keine Angst, sieht komplizierter aus als es ist und erweist sich in der
Praxis als recht leicht handhabbar.
Eine Einführung in die
Handhabung des UTM-Gitters bzw. von
nationalen Gittern ist auf der separaten
Seite
„Rechtwinklige nationale Koordinatensysteme -
Einsatz mit dem GPS-Gerät am Beispiel UTM-Gitter“ zu
finden.
Die prinzipielle Vorgehensweise ist auch auf andere nationale Metergitter
übertragbar (Gauß-Krüger-Gitter, Schweizer Gitter, Bundesmeldenetz Österreich etc.).
Erklärungen zum Schweizer Gitter und
Kartendatum CH-1903 erhält man auf der Seite
http://www.swisstopo.ch/
Fragen zum finnischen Koordinatensystem KKJ/ YKJ
und Karten-Datum beantwortet die Seite von Eino Uikkanen http://www.kolumbus.fi/eino.uikkanen/geodocsgb/ficoords.htm (in Englisch).
Anmerkung:
Das österreichische Bundesmeldenetz muss allerdings bei den meisten
GPS-Geräten als User-Grid (Benutzergitter) definiert werden.
Wie das geht ist im Teil
Tipps und Hinweise erwähnt.
WAAS - was
ist denn jetzt WAAS? / EGNOS
Bei neueren Geräten wie z. B.
eTrex Venture/ Legend/ Vista, Geko, GPS V, Quest oder GPS 60/72/76-Reihe wird
man auf den Begriff WAAS stoßen.
WAAS (= Wide Area Augmentation System)
ist ein Differential GPS-System und wurde mit dem Ziel entwickelt, die
Sicherheit im Flugverkehr zu erhöhen. Als Nebeneffekt wird zudem eine
verbesserte Positions-Genauigkeit erzielt.
Der Einsatz ist allerdings derzeit noch auf die USA und
Randbereiche von Kanada und Mexiko beschränkt.
Es besteht aus 25 Bodenstationen in den USA und Teilen von Mexico und Canada,
sowie speziellen zusätzlichen geostationären WAAS-Satelliten (geostationär,
d. h. sind quasi immer an der gleichen Stelle am Himmel). Betreiber ist die
US Luftfahrtbehörde.
Mit WAAS fähigen GPS-Empfängern lässt sich damit eine
Genauigkeit in der Positions-Bestimmung von ca. 3-5 Metern erreichen und in
der Höhenangabe von 3-7 Metern. Ein zusätzliches Gerät wie bei DGPS ist dazu
nicht erforderlich.
Allerdings muss eine ständige Verbindung
zu dem WAAS-Satelliten bestehen. Für Outdoor-Aktivitäten am Boden also
praktisch nicht geeignet.
EGNOS
Mit EGNOS in Europa (= European
Geostationary Overlay Service) steht ebenfalls
ein, mit WAAS vergleichbares DGPS-System zur Verfügung. MSAS (= Multi-Function
Satellite Augmentation System) wird analog dazu im
asiatischen Raum (Japan) in naher Zukunft folgen.
EGNOS und MSAS ist zu WAAS
kompatibel, d. h. diese Funktion kann mit den WAAS-fähigen Empfängern in
Europa/ Asien genutzt werden.
Es ist jedoch derzeit aus Gründen
der Vorsicht nicht(!!!) empfehlenswert die Korrektur-Signale wirklich zu
Zwecken der Navigation einzusetzen, da sich EGNOS momentan immer noch im
vorläufigen Probe-Betrieb befindet (Stand 06/2008).
Da diese geostationären
Korrektur-Sats aber sehr flach über dem Horizont stehen, wird EGNOS für
Outdoor-Anwendungen/ Fahrzeugbetrieb insgesamt kaum von Nutzen sein, da der
erforderliche permanente Empfang der Korrektur-Signale nicht gewährleistet
sein wird.
Ist EGNOS Empfang möglich, dürften die Empfangsverhältnisse im Gesamten sehr
gut sein, und eine Verbesserung in der Positions-Bestimmung dürfte nur selten
wirklich erforderlich sein.
Schlechte Sat-Empfangsverhältnisse haben eine ungenauere Positions-Bestimmung
zur Folge. Da wäre dann eine Genauigkeitssteigerung schon wünschenswert.
Unter solchen Verhältnissen wird jedoch kaum ein Korrektur-Signal zu
empfangen sein.
Resümee für den Einsatz von
GPS-Handgeräten
Was ich mit diesen Beispielen ausdrücken wollte:
Ein GPS kaufen, in die Tasche stecken und dann auf große Tour gehen –
da wird man nicht mit glücklich werden.
Gerade bei der Arbeit mit GPS muss man ganz besonders auf gutes
Kartenmaterial (z. B. topographisches) zurückgreifen und sich sehr intensiv
damit auseinandersetzen.
Das gilt natürlich auch für die Geräte selbst.
Durch die zahlreichen Einstell- und Anzeige-Möglichkeiten ist es unabdingbar,
sich in- und auswendig mit den GPS-„Handys“ vertraut zu machen und viel damit
„herumzuspielen“.
Wenn man aber bereit ist diese Zeit zu investieren, wird man das in ihnen
steckende Potential ausnutzen können, Nutzen daraus ziehen und seine Freude
damit haben.
Es wird sich als recht nützliches Hilfswerkzeug zur Navigation und
Orientierung herausstellen, wobei zugegebenermaßen die technische Faszination
häufig eine größere Rolle spielen wird, als die unbedingte Notwendigkeit.
Die Ausführungen sollten auch nicht als Bedienungsanleitung verstanden
werden, sondern die Grund-Funktionen die so ein GPS-Handgerät bietet kurz
aufzeigen und welche Voraussetzungen dazu notwendig sind oder nicht.
Die meisten Skeptiker oder die eingefleischten „Nur-Kompassträger“ sind der
Ansicht, dass GPS nur was für Leute sei, die nicht wissen wo Süden oder
Norden auf der Landkarte ist. Das ist ein großer Trugschluss.
Wenn diese Skeptiker erst dann auf GPS zurückgreifen und beginnen sich damit
auseinander zusetzen, wenn eine anspruchsvolle Tour sie dazu zwingt, werden
sie damit eher in Schwierigkeiten geraten.
Dann nämlich fehlen ihnen gänzlich die wertvollen Erfahrungen damit, die sie
auf harmlosen Touren in wohlbekannten heimischen Gefilden hätten sammeln
können.
Weitergehende Infos/ „Das GPS-Handbuch“
Wesentlich umfangreichere und detailliertere
Informationen zu den Themen:
·
Das NAVSTAR - Gesamtsystem
=> U. a. Funktionsweise des Systems, Konsequenzen für den GPS-Benutzer
·
Allgemeines über GPS-Empfänger
=> U. a. Kaltstart/Warmstart/Initialisierung,
Bedeutung der Satelliten-Status Seite, Technik der GPS-Empfänger, Grund-Infos
der Geräte, Funktionsumfang eines Basis GPS-Empfängers, Voraussetzungen für den
Empfang u. die Positions-Bestimmung
·
Genauigkeit des GPS-Systems
=> U. a. Selective
Availability (SA), DGPS/WAAS/EGNOS, Einflüsse auf die Genauigkeit u. den
Empfang, Auswirkung von Empfangsverlust, Genauigkeit der Höhen-Info/ Geräte
mit barometrischer Höhen-Messung
- Grundfunktionen der GPS-Geräte
=> U. a. Einstellungen am Gerät (Setup), Anwendungsmöglichkeiten ohne Karte (einfache Wegpunkt- und Routen-Navigation, Funktionsweise Traceback/Tracback), Anwendungsmöglichkeiten mit Karte
- Grundlagen der Navigation
=> U. a. Festlegung der Nord-Referenz/ die diversen Nordrichtungen, die diversen Navigations-Begriffe (deutsch/englisch) – was steckt jeweils dahinter, Unterschied „Kurs über Grund“ zu „Heading“, die verschiedenen Navigations-Displays/grafische Zielführungshilfen, Navigations-Seiten einrichten
- Navigation und Orientierung mit GPS
=> U. a. prinzipielle Unterscheidung nach vier grundlegend verschiedenen Anwendungsfällen/Einsatzprofilen, Besonderheiten bei der Navigation mit Luftlinien-Routen/ erstellen von Routen direkt auf der Karten-Seite von „Map“-Geräten, Velocity Made Good/VMG bzw. Gutgemachte Geschwindigkeit, Gefahrenstellen vermeiden, MOB - Man over Board, Großkreis-Navigation, GPS-Einsatz in Verbindung mit Magnet-Kompass bei „Outdoor“-Aktivitäten/ Berücksichtigung der Missweisung, Methode zur Ermittlung/Berechnung der tatsächlichen(!!!) Höhe der örtlichen Missweisung (Variation/Deklination) mittels GPS, Orientierung auf „ Pfaden“, automatisches Routing u. v. m.
- Touren-Planung
=> U. a. Planung konventionell und am PC mit spezieller GPS-Software/ digitalen Karten, Durchführung geplanter Touren mit GPS, Tracks als Orientierungshilfe
- Grundlagen der Kartographie
=> U. a. die Erde als Kugel/Geoid/Ellipsoid, das Karten-Datum/Map-Datum/Karten-Bezugssystem, Positions-Format/Koordinaten-Systeme, Schwierigkeiten und Fehlerquellen, ECEF-Koordinaten-System, Karten-Projektion, anlegen eines Karten-Datum durch den Benutzer (= User-Datum)
- Umgang mit UTM-Gitter oder Nationalen
Koordinaten-Systemen
=> U. a. Grundlagen, ablesen und übertragen von Koordinatenangaben, Einsatz von Netzteiler/Planzeiger/Ecklineal, Entfernungen berechnen, Vorstellung Nationaler-Koordinaten-Systeme, anlegen eines Karten-Gitters durch den Benutzer am GPS-Gerät (= User-Grid)
- Umgang mit Landkarten mit geographischem Gitter
=> U. a. Grundlagen, ablesen und übertragen von Koordinatenangaben, Schritt für Schritt Anleitung, Entfernungen berechen
- Nutzung von Karten ohne Gitter
=> U. a. Projizieren von neuen Wegpunkten, Standort ermitteln, einzeichnen des Original(!!!) UTM-Gitters, Definition eines eigenen individuellen „User-Gitters“
stellt das „GPS-Handbuch“ in dessen Band
1 bereit, das in gedruckter Form als 475-seitiges
Taschenbuch im praktischen Format 12,3 x 19 cm zur Verfügung steht.
Alle Angaben ohne Gewähr.
Hier
geht’s weiter zum Teil 2: "GPS – Geräte, die Hardware"
Hier geht’s gleich weiter zum Teil 3:
"GPS und PC - Software"
Hier geht’s gleich weiter zum Teil 4: "Tipps und
Hinweise"
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© Ralf Schönfeld