- Autonavigation
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Ein Navigationssystem ist ein elektronisches Gerät, das den Nutzer zu einem geografischen Ziel führt, ein Zielführungssystem.
Ein wichtiger Bestandteil ist dabei ein System zur Positionsbestimmung. Derartige Systeme wurden zunächst für den militärischen Bereich entwickelt. Heute versteht man unter einem Navigationssystem jedoch meist ein ziviles System für den Kraftfahrverkehr.
Inhaltsverzeichnis
Aufbau
Das eigentliche, auf Funknavigation basierende System ist meist zweiteilig. Es besteht aus einer Empfangseinheit, die Funksignale mehrerer kodierter Sender auf ihre Laufzeit hin untersucht. Aufgrund dieser Daten berechnet es seinen aktuellen Standort (zur Abgrenzung siehe auch Inertiales Navigationssystem). Die meisten bzw. fast alle der gängigen heute erhältlichen Navigationsgeräte benutzen das US-Amerikanische NAVSTAR-GPS zur Positionsbestimmung. Eine Erläuterung des Funktionsprinzips des GPS-Systems findet sich ebenda oder im Artikel GPS-Technologie.
Die sichere Berechnung ist möglich, sobald drei Signale empfangen werden. Wenn zusätzliche Signale vorliegen, erhöht dies die Präzision der Berechnung. Damit ergibt sich die geographische Position in Längen- und Breitengrad, wobei die höchste Genauigkeit heute etwa bei 10 Metern liegt. Ergänzt wird das System meist durch einen elektronischen Kompass, so dass außer der Position auch die Bewegungsrichtung des Benutzers bekannt ist. Mit der Einbeziehung des Dopplereffekts ist auch eine Berechnung der aktuellen Geschwindigkeit des Empfängers möglich.
Navigationssysteme übertragen diese Daten heute in der Regel in digitale Karten und können somit nicht nur die Position in Koordinaten angeben, sondern auch ein grafisches, benutzerfreundlicheres, Abbild der Position in einer digitalen Karte erzeugen. Durch das Vorhandensein von Kartenmaterial im Navigationssystem, besteht die Möglichkeit nach Eingabe von Zielkoordinaten eine Route vom momentanen Aufenthaltsort zum gewünschten Zielort zu erhalten. Dabei wird nicht die Luftlinie zwischen Ausgangsposition und Ziel angezeigt, sondern ein Weg über Verkehrswege, wie sie im Kartenmaterial hinterlegt sind, der mittels eines so genannten Routings-Verfahren bestimmt wurde. Somit besteht die Möglichkeit sich vom Navigationssystem auch in unbekannter Umgebung zum Ziel führen zu lassen. Die Empfehlungen zur Route erfolgen meist durch Anzeige auf dem Display und gesprochenen Abbiege-Befehlen.
Das Berechnen einer Route über die Verkehrswege des Straßenverkehrs, in dem oft eine Vielzahl von Straßen zum gewünschten Ziel führen, stellen hohe Anforderungen an das System. Verkehrsführungen wie Brücken, Einbahnstraßen, Sackgassen, Fähren oder ähnliches müssen beachtet werden. Da im Straßenverkehr auch Geschwindigkeitsbegrenzungen und zu erwartende Durchschnittsgeschwindigkeiten zu beachten sind, bieten fast alle Navigationssysteme an, Routen nach verschiedenen Kriterien zu berechnen, beispielsweise Fahrtzeit oder -strecke.
Geschichte
Die ersten Navigationssysteme waren dabei das sogenannte LORAN-C (Long Range Navigation), das zu Beginn des Zweiten Weltkrieges entwickelt wurde und zunächst als Navigationserleichterung für Kampfflugzeuge diente, sowie das ursprünglich „QM“ genannte Decca, das zur maritimem Navigation eingesetzt wurde.
LORAN-C besteht aus 19 Sendestationen, die weltweit verteilt sind. Eine Station dient als Hauptsender, die anderen als Nebensender. Aus der Zeitdifferenz der Signale kann die Position errechnet und anhand einer Karte bestimmt werden.
Heute beruhen die meisten Systeme auf dem US-amerikanischen GPS-Satellitennavigationssystem. Um davon unabhängig zu werden, plant die ESA zusammen mit der VR China, Indien, Kanada und Israel ein eigenes System namens Galileo.
Der Einsatz begann im Bereich des Flugverkehrs und weitete sich dann auf die Schifffahrt aus. Seit den 90er Jahren finden Navigationssysteme auch Einzug in andere Bereiche, z. B. den Straßenverkehr. Neu hinzugekommen sind auch Einsatzgebiete im Outdoor-Bereich wie Wandern, Radsport oder Geocaching.
Kraftfahrzeug-Navigationssysteme
Geschichte
1981 brachte Honda in Kooperation mit Alpine Electronics erstmals ein Auto-Navigationssystem, den Electro Gyrocator, auf den Markt. Das System war nicht in der Lage, den Standort des Fahrzeugs zu ermitteln. Im Heck des Fahrzeugs saß ein Vakuum-Tank, in dem ein aus der Luftfahrt übernommener Drehwinkelsensor Richtungsänderungen erfasste. Gemeinsam mit einem Wegstreckensensor lieferte er ein Signal, aus dem der Bordrechner eine Linie berechnete, die auf einem Monochrom-Monitor in der Mittelkonsole des Wagens angezeigt wurde. Diese Linie glich der zurückgelegten Fahrtstrecke. Um zu sehen, wo er lang fährt, musste der Fahrer eine transparente Karte vor den Monitor spannen und die Linie mit der dazu passenden Straße auf der transparenten Karte zur Deckung bringen. Der Electro Gyrcator war im strengen Sinn des Wortes kein Navigationssystem, da er weder den Standort des Fahrzeugs ermitteln noch dem Fahrer Vorschläge zur Routenwahl machen konnte. Das System erlangte keine nennenswerte Verbreitung. Bereits im Stadium der Markteinführung scheiterte 1984 ein System namens City-Pilot von VDO in Kooperation mit einem Straßenkartenverlag. Das System basierte auf einem Erdmagnetfeldsensor, der die ungefähre Position des Fahrzeugs ermittelte. Über einen Barcodeleser und speziell codierte Straßenkarten konnten die Koordinaten des Fahrtziels eingegeben werden. Daraufhin unterstützte das VDO-System den Fahrer bei der Navigation, indem es ihm die Himmelsrichtung und die Entfernung (Luftlinie) zum Zielpunkt anzeigte. 1989 brachte Bosch das TravelPilot IDS in die Geschäfte. Dieses System navigierte mittels Informationen von Radsensoren und einer gespeicherten digitalen Straßenkarte. Pioneer folgte 1990 mit dem ersten GPS-gestützten Auto-Navigationssystem. Das erste serienmäßige Navigationssystem in einem deutschen Auto befand sich 1994 im BMW 7er, Typ E38.
Mit dem Wegfall der gezielten Verschlechterung des GPS-Signals durch das US-Militär im Jahr 2000 wurde die rein GPS-gestützte Navigation auch im PKW erschwinglich. Vor diesem Zeitpunkt betrug die Genauigkeit rund 100 m; dieser Wert machte für eine präzise Navigation vor allem in Stadtbereichen zusätzliche Hilfsmittel (Radsensoren, Kreiselkompass) notwendig. Diese sind jetzt nur noch zur Aufrechterhaltung der Navigation unter schlechten Empfangsbedingungen (wie z. B. in „Straßenschluchten“ bzw. in Tunneln) nötig.
Heute gibt es im Privatkunden-Bereich GPS-gestützte Navigationssysteme in Form von Auto-Festeinbauten (z. B. im Autoradio von Drittanbietern), als transportables Stand-Alone-Gerät (PND) oder auch als Software-Erweiterung für PC, PDA oder Mobiltelefone.
Anforderungen
Integriertes Navigationssystem mit Bildschirm von AudiBei kurzzeitigem Signalausfall (Tunnel) braucht man Systeme, die die aktuelle Position extrapolieren.
Die Ideallösung bestünde in einer Inertial-Komponente, die ihre Position nach Wegfall des Funksignals durch Informationen eines Trägheitssystems interpoliert. Solche Systeme werden in Flugzeugen eingesetzt (INS) und können dort zur autonomen Navigation verwendet werden. Allerdings sind solche Systeme sehr teuer und für Fahrzeuge mit einer hohen Dynamik in ihrer Bewegung (häufiger Wechsel der Richtung und der Geschwindigkeit) nur mit hohem Aufwand genau genug.
Fest eingebaute Systeme in Kraftfahrzeugen (Werkseinbauten) überbrücken Bereiche ohne Satellitenkontakt zusätzlich durch Radsensoren, welche die zurückgelegte Strecke relativ genau und Richtungswechsel mit hinreichender Genauigkeit nachführen können.
Bei mobilen Geräten muss die Software diese Berechnung leisten: Fällt das Signal aus, gehen diese Systeme davon aus, dass der Fahrer sich an die vorgegebene Route hält und seine Geschwindigkeit nicht ändert.
Die wesentliche Besonderheit bei Kfz-Navigationssystemen ist die Routenplanung, die in dieser Form und vor allem in dieser Komplexität weder in der Schifffahrt noch in der Luftfahrt so gefordert ist.
Navigationssysteme in Kraftfahrzeugen bringen eindeutig Vorteile, wenn auch eine gewisse Häufung von Unfällen zu beobachten ist, die auf Ablenkung des Fahrers durch die Bedienung des Gerätes beruhen. Untersuchungen haben ergeben, dass vor allem bei der Fahrt in unbekannten Städten rund 50 % der Konzentration für das Ablesen von Wegweisern, das korrekte Einordnen und Kontrolle der eigenen Position und somit für die Navigation benötigt wird. Zudem geht man davon aus, dass rund 30 % des Stadtverkehrs durch Personen verursacht wird, welche auf der Suche nach einer bestimmten Adresse oder einer Parkmöglichkeit sind. Oftmals verleitet die Angst, eine Abfahrt zu verpassen und nicht mehr zurückzufinden insbesondere weniger geübte Fahrer zu riskanten Fahrmanövern (hastige Spurwechsel, starke Bremsmanöver etc.) und steigert somit die Unfallgefahr.
Möglichkeiten
Wie bereits oben erwähnt, ist mit Hilfe von Navigationssystemen auch ein Navigieren in unbekannten Gebieten möglich. Nachdem das Gerät alle notwendigen Daten zu Verfügung hat (derzeitige Position, aktuelles Kartenmaterial und gewünschter Zielort), ist keine weitere Bedienung mehr notwendig. Ein häufiger Blick auf die Karte zur Positionsbestimmung mittels Straßennamen entfällt gänzlich, sofern das System einwandfrei funktioniert, was Zeit und Mühe spart.
Moderne Systeme empfangen zusätzlich TMC oder TMCpro und berechnen bei Staus selbstständig oder auf Wunsch eine Umleitungsroute. Dabei wird nicht nur das Vorhandensein einer Behinderung als Grund für die Umleitung angesehen, sondern die zu erwartende Verspätung (stockender Verkehr, Stau, Unfall sowie Vollsperrung haben systembedingt andere Werte, die jedoch auch manuell geprüft über TMC verbreitet werden) bei einem Betroffensein von der gemeldeten Behinderung. Parallel dazu wird eine Umleitungsroute berechnet und die benötigte Zeit zum zurücklegen mit dem Zeitaufwand der ursprünglichen Strecke plus der zu erwartenden Verspätung verglichen. Erst wenn ein Umgehen der Störung sinnvoll ist (=Zeitersparnis) berücksichtigt das Navigationssystem die Meldung. Der TMC-Dienst ist vor allem im Ausland sehr angenehm, da man die verlesenen Verkehrsmeldungen nicht mehr verstehen können muss bzw. sie aufgrund einer einheitlichen internationalen Codierung auf dem System in der gewünschten Sprache dargestellt werden. Dieses Signal steht allerdings nicht in allen Ländern (kostenlos) zur Verfügung.
Je nach Kartenmaterial können sogenannte POIs (Points of Interests) angesteuert werden. Diese Punkte sind mit ihren Eigenschaften (Tankstelle, Raststätte, Restaurant o.Ä.) und ihren Koordinaten auf der Karte gespeichert. Oft steht auch ein Speicher für wichtige Ziele zu Verfügung, welche oft angefahren werden, um Eingabezeit zu sparen.
Darüber hinaus werden manche Navigationssysteme mit einem Warndienst für Radarfallen oder Ampelblitzern ausgestattet. Diese warnen allerdings nur vor stationären Kontrollpunkten, da ein Aktualisieren im Fahrzeug nicht möglich ist und darüber hinaus kein Daten-Dienst zu Verfügung steht, der die Informationen, wie sie oft bei Blitzer-Warnern im Radio vorgelesen werden, überträgt. Außerdem ist der Betrieb derartiger Systeme in Deutschland gemäß §23 Absatz 1b StVO während der Fahrt auf öffentlichen Straßen verboten.[1] Auch in anderen Ländern, unter anderem in Österreich, ist ein Betreiben solcher Informationsdienste während der Fahrt nicht gestattet. Das Heranziehen solcher Informationen zur Routenplanung ist jedoch legal.
Bauformen
Die älteste Bauform von Kfz-Navigationssystemen sind so genannte Werkseinbaugeräte. Seit Anfang der 90er Jahre bieten verschiedene Automobilhersteller Kfz-Navigationssysteme als Sonderausstattung an. Diese Systeme bestehen aus einer GPS-Antenne, die in der Regel am Dach des Kraftfahrzeuges montiert wird, einem Steuergerät, über das die Benutzereingaben getätigt werden, einem Massenspeicher, von dem das Kartenmaterial gelesen wird, und mindestens einem Display, über das die Fahrempfehlungen ausgegeben werden.
Bei älteren Geräten befindet sich der Massenspeicher und die Bedieneinheit im Kofferraum, die Fahrempfehlungen werden über ein kleines Display hinter dem Lenkrad, manchmal auch akustisch über das Autoradio ausgegeben.
Bei modernen Geräten sind Laufwerk und Bedieneinheit oft im Autoradio integriert. Bei ausreichender Arbeitsspeicherausstattung kann das als Massenspeicher verwendete CD- bzw. DVD-Laufwerk nach Berechnung der Route während der Fahrt trotzdem als Musik-Abspielgerät verwendet werden. Diese Geräte sind oft höher als normale Autoradios (meist 2-fach DIN-Schacht) und ermöglichen daher auch größere Bildschirme. Ausführungen mit Farbbildschirm (zum Beispiel das Radio Navigation System MFD) zeigen oft eine straßenkartenähnliche Darstellung der näheren oder weiteren Umgebung, während Geräte mit Monochromdisplay meistens nur Richtungs-Pfeile als Fahrtrichtungs-Symbol zeigen. Der große Vorteil dieser Bauart ist, dass neben dem GPS-Signal oft auch andere Informationen wie beispielsweise Tachoimpulse oder Informationen eines Richtungssensors zur Verfügung stehen, die auch dann eine genaue Positionierung erlauben, wenn das GPS-Signal zu schwach oder kurzzeitig ganz abgeschirmt ist. Zudem können für die Richtungsansagen die Autolautsprecher dienen, währenddessen die Lautstärke der Radio- bzw. Musik-Wiedergabe automatisch abgesenkt wird.
Trotzdem hat sich, nicht zuletzt wegen der extremen Preisdifferenz und der Innovationsmüdigkeit der Autohersteller, in den letzten Jahren der Verkaufsanteil von portablen Navigationssystemen wesentlich rasanter entwickelt. Im Jahr 2006 wurden in Europa ca. neun Millionen portable Navigationssysteme verkauft, im Vergleich zu vier Millionen fest eingebauter durch die Automobilhersteller. Die Verbreitung der mobilen Geräte wird vermutlich weiter stark zunehmen. Inzwischen können auch bestimmte Mobiltelefone mit einem Softwarepaket als Navigationssystem verwendet werden.
Bei der Nutzung von Navigationssystemen am Motorrad empfiehlt sich der Einsatz einer Motorrad-Gegensprechanlage.
Viele Navigationssysteme haben den Nachteil, dass keine freie Auswahl des Kartenmateriales möglich ist, sondern ausschließlich Karten des jeweiligen Herstellers verwendet werden können. Aus diesem Grunde wurde die Physical Storage Format Initiative ins Leben gerufen, ein Zusammenschluss von Autoherstellern, Systemherstellern und Kartendatenlieferanten, die gemeinsam ein Standardformat für Navigationsdatenbanken erarbeiten. Dieses soll in Zukunft die Nutzung des Kartenmaterials in unterschiedlichen Navigationssystemen ermöglichen.[2]
Outdoor Navigationssysteme
Mobiles Navigationssystem für die Benutzung im Auto, Fahrrad oder zu Fuß (Größe: 10cm breit, 7cm hoch)Gerätearten
GPS-Geräte für die Navigation oder Ortung im Freien sind üblicherweise Handgeräte. Sie können entweder mit einem Armband am Handgelenk (ähnlich der Armbanduhr) oder einfach in der Hand bzw. mit einer Gürtelschlaufe getragen werden. Manche Geräte bieten spezielle Halterungen, mit denen sie am Lenker eines Zweirades (Fahrrad oder Motorrad) befestigt werden können. Einige Hersteller bieten für den Outdoor-Einsatz optimierte Geräte an. Sie zeichnen sich durch ihre robuste Bauweise (wasserdicht, stoßfest) aus. Oft ist auch das Display speziell für den Einsatz im Sonnenlicht beschichtet.
Outdoor Navigationssystem für die Benutzung zum Wandern oder SegelnFür blinde und sehbehinderte Menschen gibt es spezielle Navigationssysteme, die ihre Informationen per Sprachausgabe zugänglich machen. Diese Navigationssysteme nutzen ebenfalls die satellitengestützte Navigation über GPS. Die Datenaus- und -eingabe verläuft entweder über eine eigens entwickelte Steuereinheit oder über ein Mobiltelefon.
GPS-Daten und Karten
Mittlerweile gibt es für den Outdoor-Bereich digitale topographische Rasterkarten im Maßstab 1:50.000 oder größer. Diese Karten können entweder auf ein GPS-Handgerät, ein Mobiltelefon oder einen PDA übertragen werden.
Unterschiede zur Autonavigation
Zurzeit gibt es für den Outdoor-Bereich nur wenig routingfähiges Datenmaterial; d. h. die Generierung einer Route vom Start- zum Zielort mit Attributen wie „kürzester Weg“ oder „schnellste Strecke“ ist nur mit Straßendaten der Autonavigation möglich. Diese Straßen sind aber oft nicht für Wanderer oder Fahrradfahrer geeignet bzw. von ihnen gewünscht.
Maritime Navigation
OMEGA war ein Funknavigationssystem zur weltweiten Positionsbestimmung, das von 1968 bis 1997 in Betrieb war.
Luftfahrt
vgl. Flugnavigation, Navigationsinstrument
Siehe auch
- Funknavigation
- Inertiales Navigationssystem
- mobiles Navigationssystem
- Satellitennavigation
- Geocaching
Quellen
Literatur
Wendel, Jan: Integrierte Navigationssysteme - Sensordatenfusion, GPS und Inertiale Navigation, München 2007. ISBN 978-3-486-58160-7
Weblinks
Wikimedia Foundation.
